一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法技术

本发明专利技术公开一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，焊接过程中，通过控制开关选择电路连接方式，控制开关与搅拌针导通，随着搅拌针压入母材，绝缘静轴肩下表面与焊接母材的上表面接触，外接电源正极的电流可通过导电滑环的定子导线、导电滑环、搅拌针内部电极、静轴肩电极、高频切换器、母材、电源形成闭合回路；电流通过焊接母材时，使此种焊接在搅拌针的摩擦热、焊接母材电阻热以及电流驱动下共同作用下完成焊接。采用本发明专利技术的技术方案，避免了传统高强度金属焊接时焊接裂纹、气孔等缺陷的产生，降低材料的变形抗力、提高材料的塑性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接
，尤其涉及一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，可以应用于各工业领域的汽车、轮船、航天器等焊接成型。
技术介绍
焊接技术发展至今，对于焊接方法的选择要求也越来越高，传统的电弧焊对高强钢的焊接极容易产生焊接裂纹、气孔、夹渣等多钟缺陷，已经很难满足高强钢焊接的要求。搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)作为一种新型的固相连接方法，具有高效、环保、热变形和残余应力小等综合优点，但焊接接头在板厚方向上存在较大的温度梯度，接头的受热不均，因而其性能下降。静轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)，在焊接过程中，内部搅拌针处于旋转状态，而外部轴肩不转动，仅沿着焊接方向前进，大部分热量产生在工件表面和轴肩的接触处。使熔点高，热导率低的金属合金，热加工温度区间窄，接头的热输入更均匀，热源集中在搅拌针周围，所以搅拌针在摩擦产热和材料变形中起着重要的作用，工件的变形将由搅拌针决定，从而提高了焊接过程的稳定性，解决焊缝表面过热的问题。焊接过程中采用电磁搅拌技术可改善焊接结构件的性能，而性能的改善又是通过焊缝组织的变化来实现的。施加外部电磁场搅拌后，焊缝区域主要存在以下变化：柱状晶生长方向改变、柱状晶向等轴晶转变、组织更加细化、初生相与共晶组织的形貌和尺寸受到影响、枝晶臂间距缩短、熔池区域化学成分不均匀性减少。目前重庆大学罗键在其专利“导电-搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备”(申请号CN200710092974.7)中提出，在搅拌摩擦焊的同时,在工件焊缝方向上通以电流,该电流与其流经的焊缝和摩擦搅拌焊接区的接触电阻产生电阻热,该电阻热与搅拌摩擦热形成搅拌摩擦焊的复合热源,从而实现导电搅拌摩擦复合热源焊接过程。当焊缝过长，工件焊缝方向上长时间通电，导致焊缝金属在电阻热作用下热量分布不均匀，难以达到整条焊缝性能一致的要求，由于电流分散，导致电流加热效果不明显，且未使用电磁搅拌技术。材料学、加工技术、焊接技术的快速发展也将推动电磁搅拌技术的应用。通过电磁搅拌技术可实现焊缝成形过程、组织设计，从而获得预期的焊接深度和力学性能，提高焊接质量，使电磁搅拌技术在航空、航天、冶金、机械制造加工领域具有更加广阔的应用前景和巨大的实用价值。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服了金属焊接方法上的缺陷及不足，提供一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，避免了传统高强度金属焊接时焊接裂纹、气孔等缺陷的产生，降低材料的变形抗力、提高材料的塑性。在搅拌摩擦焊焊接过程中，搅拌针的消耗磨损问题是十分严重的，此种受控电流驱动的搅拌摩擦焊焊接过程中，电流是通过搅拌针电极流向工件，而搅拌针中没有电流流过，避免了搅拌针在电流作用下产生的电阻热，因此可以降低搅拌针在焊接过程中的磨损消耗。焊接过程中采用电磁搅拌技术是为了改善焊接结构件的性能，而性能的改善又是通过焊缝组织的变化来实现的。施加外部电磁场搅拌后，焊缝区域主要存在以下变化：柱状晶生长方向改变、柱状晶向等轴晶转变、组织更加细化、初生相与共晶组织的形貌和尺寸受到影响、枝晶臂间距缩短、熔池区域化学成分不均匀性减少。为解决上述问题，本专利技术采用如下的技术方案：一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，通过控制开关选择电路连接方式，外接电源对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，通过导电滑环使搅拌针电极通电,焊接过程中，搅拌针旋转着压入母材，直到搅拌针完全扎入焊接母材时，绝缘静轴肩下表面与焊接母材上表面完全接触，电流即可通过焊接母材流向静轴肩电极，所有静轴肩电极均与高频切换器相连，高频切换器与外接电源另一端连接；电流通过外接电源正极、导电滑环定子导线、导电滑环定子、导电滑环转子、搅拌针电极、焊接母材、静轴肩电极、高频切换器以及外接电源负极形成闭合回路；电流通过焊接母材时，使此种焊接在搅拌针的摩擦热、焊接母材电阻热以及电流驱动下共同作用下完成焊接。作为优选，控制开关可实现外接电源一端与搅拌针电极连接，同时所述绝缘静轴肩中的多个静轴肩电极均与高频切换器相连；在高频切换器作用下，焊接过程中可以快速切换搅拌针电极与静轴肩电极之间的连接。作为优选，搅拌针电极可与一个静轴肩电极连接在外接电源两端；在高频切换器的作用下，不断切换与搅拌针电极导通的静轴肩电极，从而使搅拌针电极到静轴肩电极间的电流方向不断改变，该电流方向可以顺时针运动、逆时针运动或乱序运动，从而实现焊接过程中的电磁搅拌和机械搅拌的复合。作为优选，搅拌针电极可与任意两个静轴肩电极连接在外接电源两端，在高频切换器的作用下，左右两侧与搅拌针电极导通的静轴肩电极同向或方向切换；从而使电流流向变化情况与焊接方向相同或相反，或与搅拌针旋转方向相同或相反，从而实现焊接过程中的电磁搅拌和机械搅拌的复合。作为优选，焊接过程中，可以通过控制开关选择实现外接电源不与搅拌针连接，此时外接电源直接与两个或多个静轴肩电极连接。作为优选，焊接过程中，外接电源直接与两个或多个静轴肩电极连接，在高频切换器切换作用下，不断切换电路中所连接的静轴肩电极，实现静轴肩电极间的电流呈顺时针、逆时针旋转或乱序变化，从而实现焊接过程中的电磁搅拌和机械搅拌的复合。本专利技术的受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，通过控制开关选择电路连接方式，控制开关与搅拌针导通，导电滑环转子固定在搅拌针周围特定位置，导电滑环定子固定在搅拌针外罩上，导电滑环定子通过定子导线与电源一端连接；导电滑环转子与搅拌针内部的搅拌针电极以点接触方式导通，搅拌针电极、导电滑环的转子与搅拌针之间均设有绝缘层，电极分为两部分分别为沿搅拌针直径方向和沿着搅拌针中轴线方向。绝缘静轴肩中装有多个静轴肩电极，且每个电极均与高频切换器相连。在高频切换器作用下，可以在焊接过程中快速切换静轴肩电极的连接个数连接方式及静轴肩电极切换方向(顺时针或逆时针方向)。焊接过程中，随着搅拌针旋转着扎入焊接母材，绝缘静轴肩的下表面与焊接母材上表面接触，外接电源正极、导电滑环的定子导线、导电滑环定子、导电滑环转子、搅拌针电极、母材、静轴肩电极、高频切换器以及外接电源负极电源构成闭合回路。所述焊接母材在此种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊在搅拌针的摩擦热、电阻热、电流以及电磁搅拌共同作用下完成焊接。与现有焊接技术相比，本专利技术方法的优点如下：(1)焊接接头残余应力比较低，焊接工件不易变形，无需添加焊丝，不需要保护气体，成本低，焊接过程安全、无污染、无烟尘、无辐射等；(2)操作过程方便实现机械化、自动化，设备简单，能耗低，降低搅拌针在焊接过程中的磨损，是一种高质，高效、高速的焊接方法；(3)避免了焊接高强度材料时焊缝中焊接裂纹、气孔、夹渣等缺陷的产生。(4)施加外部电磁场搅拌后，焊缝区域柱状晶生长方向改变、柱状晶向等轴晶转变、组织更加细化、初生相与共晶组织的形貌和尺寸受到影响、枝晶臂间距缩短、熔池区域化学成分不均匀性减少。附图说明图1为本专利技术受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊的结构示意图；图2为本专利技术高频切换器控制静轴肩电极工作原理图；图3为本专利技术单纯搅拌针电极通电工作原理图。图中：1、母材，2、静轴肩电极，3、绝缘静轴肩，4、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，通过控制开关选择电路连接方式，外接电源对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，通过导电滑环使搅拌针电极通电,焊接过程中，搅拌针旋转着压入母材，直到搅拌针完全扎入焊接母材时，绝缘静轴肩下表面与焊接母材上表面完全接触，电流即可通过焊接母材流向静轴肩电极，所有静轴肩电极均与高频切换器相连，高频切换器与外接电源另一端连接；电流通过外接电源正极、导电滑环定子导线、导电滑环定子、导电滑环转子、搅拌针电极、焊接母材、静轴肩电极、高频切换器以及外接电源负极形成闭合回路；电流通过焊接母材时，使此种焊接在搅拌针的摩擦热、焊接母材电阻热以及电流驱动下共同作用下完成焊接。

【技术特征摘要】
1.一种受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，焊接过程中，通过控制开关选择电路连接方式，外接电源对固定在搅拌针外侧的导电滑环定子导线通电，通过导电滑环使搅拌针电极通电,焊接过程中，搅拌针旋转着压入母材，直到搅拌针完全扎入焊接母材时，绝缘静轴肩下表面与焊接母材上表面完全接触，电流即可通过焊接母材流向静轴肩电极，所有静轴肩电极均与高频切换器相连，高频切换器与外接电源另一端连接；电流通过外接电源正极、导电滑环定子导线、导电滑环定子、导电滑环转子、搅拌针电极、焊接母材、静轴肩电极、高频切换器以及外接电源负极形成闭合回路；电流通过焊接母材时，使此种焊接在搅拌针的摩擦热、焊接母材电阻热以及电流驱动下共同作用下完成焊接。2.根据权利要求1所述受控电流驱动的载流静轴肩搅拌摩擦焊方法，其特征在于，控制开关可实现外接电源一端与搅拌针电极连接，同时所述绝缘静轴肩中的多个静轴肩电极均与高频切换器相连；在高频切换器作用下，焊接过程中可以快速切换搅拌针电极与静轴肩电极之间的连接。3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋凡，李晓旭，陈树君，蒋晓青，徐斌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11