本發(fā)明屬于攪拌摩擦焊技術領域，特別是涉及一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法。

背景技術：

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)是英國焊接研究所在1991年提出的全新的固相焊接技術，其具有優(yōu)質、節(jié)能、無污染等優(yōu)點，在航空、航天、汽車、船舶等領域已有諸多應用對象。

目前，攪拌摩擦焊技術已經成熟地應用于鋁合金等低熔點金屬材料，同時相關技術人員也開始嘗試將攪拌摩擦焊技術應用于鈦合金、鋼、鎳基高溫合金等高熔點金屬材料。

以鈦合金為例，在對鈦合金實施常規(guī)攪拌摩擦焊接時，由于鈦合金具有低導熱系數(shù)的特點，這會導致焊縫區(qū)域在厚度方向上存在著較大的溫度梯度，而較大的溫度梯度不但會使沿厚度方向的組織不均勻，而且在焊縫的中下部極易出現(xiàn)撕裂型缺陷。再有，在鈦合金的常規(guī)攪拌摩擦焊接過程中，較大的作用力與高焊接溫度會使攪拌頭的磨損情況十分嚴重。因此，如果不能有效的解決上述問題，會嚴重限制攪拌摩擦焊技術的應用范圍。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法，能夠實現(xiàn)較低溫度峰值下的攪拌摩擦焊接，能夠有效避免撕裂型缺陷的發(fā)生，有效降低攪拌頭磨損，有效提高攪拌摩擦焊接效率。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法，包括如下步驟：

步驟一：將待焊工件進行水平固定裝夾，在待焊工件下方的焊縫區(qū)域兩側對稱設置兩個加熱器，在攪拌頭外側設置一個激冷保護氣護罩，激冷保護氣護罩與攪拌頭進行隨動；

步驟二：啟動加熱器，通過加熱器對待焊工件的背面進行加熱，同時保證待焊工件的上表面溫度不高于250℃；

步驟三：向激冷保護氣護罩內通入激冷保護氣，激冷保護氣護罩的覆蓋范圍包含焊縫區(qū)域及加熱器正上方的待焊工件上表面區(qū)域；

步驟四：啟動攪拌摩擦焊設備，攪拌頭開始旋轉，攪拌頭旋轉速度的取值范圍在5～10000r/min之間，控制旋轉的攪拌頭扎入待焊工件，攪拌頭的旋轉速度根據(jù)待焊工件的溫度要求進行設定，攪拌頭扎入速度的取值范圍在1～5mm/min之間；

步驟五：當攪拌頭的軸肩端面與待焊工件的上表面接觸后，攪拌頭繼續(xù)下壓一段距離后再停止扎入動作，下壓距離的取值范圍在0～0.3mm之間，直到達到設定的扎入深度；

步驟六：在設定的扎入深度下控制攪拌頭繼續(xù)旋轉一段時間，旋轉時間的取值范圍在0～20s之間，使待焊工件的焊縫區(qū)域得到充分預熱并使其達到良好的塑性狀態(tài)；

步驟七：控制攪拌頭以設定的焊接速度完成焊縫區(qū)域的焊接工作，攪拌頭的焊接速度取值范圍在1～1000mm/min之間，攪拌頭的焊接速度根據(jù)待焊工件的焊接要求進行設定。

所述激冷保護氣護罩包括前段罩體和后段罩體，前段罩體為倒錐形筒式結構，后段罩體為方形箱式結構，前段罩體套裝于攪拌頭的外側，前段罩體的頂端固連在攪拌摩擦焊設備上；在所述后段罩體的頂部設置有保護氣進氣孔，在保護氣進氣孔下方的后段罩體內側設置有通氣篩板；所述保護氣進氣孔通過導氣管與保護氣氣源相連通，在保護氣進氣孔與保護氣氣源之間連接有冷卻器。

所述激冷保護氣護罩下表面與待焊工件上表面的具有間距，間距的取值范圍在0～1mm之間。

在所述前段罩體上設置有觀察口，通過觀察口查看攪拌頭與待焊工件上表面的相對位置。

所述導氣管采用保溫管，在所述激冷保護氣護罩內表面貼覆有保溫層。

所述加熱器安裝在移動式支撐定位底座上，所述移動式支撐定位底座包括底板、軌道槽及支撐滑塊，在底板中部設置有焊縫承力區(qū)，所述軌道槽分布在焊縫承力區(qū)兩側，軌道槽與待焊工件的焊縫相垂直；所述支撐滑塊位于軌道槽內，支撐滑塊與軌道槽直線滑動配合，支撐滑塊與底板之間設置有定位鎖緊螺栓；所述加熱器固定安裝在支撐滑塊上表面，在加熱器外側設置有工件裝夾調整墊片，待焊工件通過工件裝夾調整墊片進行近焊縫位置裝夾。

所述加熱器上表面與待焊工件下表面的具有間距，間距的取值范圍在0～1mm之間。

所述焊縫承力區(qū)的寬度大于攪拌頭的軸肩直徑，兩者差值的取值范圍在0～2mm之間。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，在焊接過程中，通過加熱器對待焊工件進行背面加熱，能夠有效減小焊縫區(qū)域在厚度方向上的溫度梯度，有效改善組織的不均勻性，同時還可降低局部區(qū)域的焊接應力，防止焊縫的中下部出現(xiàn)撕裂型缺陷。

本發(fā)明通過加熱器對待焊工件進行背面加熱，能夠有效增加高溫區(qū)范圍，并使鄰近焊縫區(qū)域的材料具有較小的變形抗力，有利于增加焊縫區(qū)域的材料流動，進而改善材料的流動行為，使在較低溫度峰值下獲得內部無缺陷的待焊工件焊縫接頭，從而提高焊縫接頭的質量。

本發(fā)明通過加熱器對待焊工件進行背面加熱，能夠有效減小攪拌頭在移動時的變形抗力，不但可以降低裝夾要求，而且可以提高焊接速度，同時又可避免攪拌頭折斷損壞，進而提高攪拌摩擦焊接效率。

由于焊縫區(qū)域在厚度方向上的溫度梯度得到減小，從而降低了攪拌頭的墩粗程度；由于焊接過程中具有低溫度峰值及小變形抗力的優(yōu)勢，改善了攪拌頭的使用性能，進而提高了攪拌頭的耐磨損和耐墩粗的能力。

本發(fā)明首次提出了背面加熱與正面激冷相結合的攪拌摩擦焊工藝，通過正面激冷，可在攪拌頭后方形成一個馬鞍形溫度場，有利于降低焊接殘余變形；通過背面加熱，能夠有效利用焊縫兩側材料的升溫差異，進而產生溫差拉伸效應，也能夠起到降低焊接殘余變形的效果。

本發(fā)明的激冷保護氣護罩采用了前段罩體與后段罩體的兩段式設計，特別是通過后段罩體可有效保護攪拌頭后方的焊縫區(qū)高溫材料。

本發(fā)明能夠有效滿足鈦合金、鋼、鎳基高溫合金等高熔點金屬材料的攪拌摩擦焊，有效擴展了攪拌摩擦焊技術的應用范圍。

附圖說明

圖1為采用本發(fā)明所實施的攪拌摩擦焊接示意圖；

圖2為激冷保護氣護罩與保護氣氣源的連接示意圖；

圖3為移動式支撐定位底座的結構示意圖；

圖4為支撐滑塊的結構示意圖；

圖5為激冷保護氣護罩、加熱器與待焊工件之間的焊接位置示意圖；

圖中，1—待焊工件，2—加熱器，3—攪拌頭，4—激冷保護氣護罩，5—攪拌摩擦焊設備，6—前段罩體，7—后段罩體，8—保護氣進氣孔，9—通氣篩板，10—導氣管，11—保護氣氣源，12—冷卻器，13—底板，14—軌道槽，15—支撐滑塊，16—焊縫承力區(qū)，17—定位鎖緊螺栓，18—工件裝夾調整墊片，19—觀察口，20—移動式支撐定位底座。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。

本實施例中，待焊工件1為厚度為2mm的鈦合金板材，加熱器2的寬度為15mm。

一種結合了背面加熱與正面激冷的攪拌摩擦焊工藝方法，包括如下步驟：

步驟一：將待焊工件1進行水平固定裝夾，在待焊工件1下方的焊縫區(qū)域兩側對稱設置兩個加熱器2，在攪拌頭3外側設置一個激冷保護氣護罩4，激冷保護氣護罩4與攪拌頭3進行隨動；

步驟二：啟動加熱器2并升溫至480℃，通過加熱器2對待焊工件1的背面進行加熱，同時保證待焊工件1的上表面溫度不高于250℃；

步驟三：向激冷保護氣護罩4內通入激冷保護氣，激冷保護氣護罩4的覆蓋范圍包含焊縫區(qū)域及加熱器2正上方的待焊工件1上表面區(qū)域；

步驟四：啟動攪拌摩擦焊設備5，攪拌頭3開始旋轉，攪拌頭3旋轉速度的實際取值為100r/min，控制旋轉的攪拌頭3扎入待焊工件1，攪拌頭3扎入速度的實際取值為3mm/min；

步驟五：當攪拌頭3的軸肩端面與待焊工件1的上表面接觸后，攪拌頭3繼續(xù)下壓一段距離后再停止扎入動作，下壓距離的實際取值為0.15mm，直到達到設定的扎入深度；

步驟六：在設定的扎入深度下控制攪拌頭3繼續(xù)旋轉一段時間，旋轉時間的實際取值為15s，使待焊工件1的焊縫區(qū)域得到充分預熱并使其達到良好的塑性狀態(tài)；

步驟七：控制攪拌頭3以設定的焊接速度完成焊縫區(qū)域的焊接工作，其焊接示意圖如圖1所示；攪拌頭3焊接速度的實際取值為30mm/min。

如圖2～5所示，所述激冷保護氣護罩4包括前段罩體6和后段罩體7，前段罩體6為倒錐形筒式結構，后段罩體7為方形箱式結構，前段罩體6套裝于攪拌頭3的外側，前段罩體6的頂端固連在攪拌摩擦焊設備5上；在所述后段罩體7的頂部設置有保護氣進氣孔8，在保護氣進氣孔8下方的后段罩體7內側設置有通氣篩板9；所述保護氣進氣孔8通過導氣管10與保護氣氣源11相連通，在保護氣進氣孔8與保護氣氣源11之間連接有冷卻器12。

本實施例中，前段罩體6的頂端與攪拌摩擦焊設備5通過法蘭結構件相固連；在后段罩體7內的通氣篩板9上均布有若干圓孔，冷卻后的保護氣流過通氣篩板9上的若干圓孔后，可以均勻的覆蓋到焊縫區(qū)域以及焊縫區(qū)域兩側的部分，從而達到氣體保護和激冷降溫的雙重作用；冷卻器12為熱交換式冷卻器，常溫保護氣與低溫冷卻液在冷卻器12進行逆流熱交換，流出冷卻器12的保護氣便可用于激冷降溫，根據(jù)激冷降溫需要，可以適時調整保護氣的溫度；后段罩體7覆蓋范圍的寬度設為Z，寬度Z需要根據(jù)焊縫區(qū)域及加熱器2正上方的待焊工件1上表面區(qū)域的改變而調整。

所述激冷保護氣護罩4下表面與待焊工件1上表面的具有間距H1，間距H1的實際取值為0.5mm。

在所述前段罩體6上設置有觀察口19，通過觀察口19查看攪拌頭3與待焊工件1上表面的相對位置。

為了避免激冷保護氣在傳輸過程中進行不必要的熱交換作用，保證溫度的穩(wěn)定，所述導氣管10采用保溫管，在所述激冷保護氣護罩4內表面貼覆有保溫層。

所述加熱器2安裝在移動式支撐定位底座20上，所述移動式支撐定位底座20包括底板13、軌道槽14及支撐滑塊15，在底板13中部設置有焊縫承力區(qū)16，焊縫承力區(qū)16的寬度為15mm，所述軌道槽14分布在焊縫承力區(qū)16兩側，軌道槽14與待焊工件1的焊縫相垂直；所述支撐滑塊15位于軌道槽14內，支撐滑塊15與軌道槽14直線滑動配合，支撐滑塊15與底板13之間設置有定位鎖緊螺栓17；所述加熱器2固定安裝在支撐滑塊15上表面，在加熱器2外側設置有工件裝夾調整墊片18，待焊工件1通過工件裝夾調整墊片18進行近焊縫位置裝夾。

所述加熱器2上表面與待焊工件1下表面的具有間距H2，間距H2的實際取值為0.5mm。

所述焊縫承力區(qū)16的寬度大于攪拌頭3的軸肩直徑，兩者差值的實際取值為1mm。

本實施例中，軌道槽14采用燕尾槽結構，支撐滑塊15為燕尾結構，通過支撐滑塊15在軌道槽14內移動，實現(xiàn)對加熱器2位置的調整，將加熱器2內側面到焊縫中心線的距離設為L，由于鈦合金具有的低導熱系數(shù)特點，L的取值范圍在0～50mm之間即可，本實施例中，L實際取值為20mm。

實施例中的方案并非用以限制本發(fā)明的專利保護范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實施或變更，均包含于本案的專利范圍中。