一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备技术

一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性轴向摩擦焊接过程中，采用无电刷独特的电流加载方法，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接的方法及设备。本方法和设备具有如下的显著效果：１．可以缩短摩擦焊加热时间、提高焊接生产效率；２．降低摩擦压力、降低主轴功率、降低对摩擦焊机容量的特别要求；３．可以采用电阻热对焊缝进行焊后热处理和焊前预热的作用，并改善接头的组织性能；４．本发明专利技术特别适用于高熔点、高硬度异种材料、小尺寸、管或棒等回转体接头的摩擦焊接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于焊接
，是载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，涉及载 流惯性轴向摩擦焊接的电流加载方式，同时还涉及载流惯性摩擦焊的电流加载设备。
技术介绍
摩擦焊通常是两个被焊工件在一定的摩擦压力下相互转动摩擦，产生摩擦热，摩 擦热使两个被焊工件的接触摩擦面上形成塑化区域，在该塑化区域中，两个材料被塑化、混 合，然后冷却以便形成摩擦焊接头。在摩擦焊过程中，摩擦热源来自于金属面上的高速摩擦 的塑性变形层，是通过机械能转化为热能，使得焊接区加热达到塑化状态。在一定的条件 下，摩擦热与摩擦压力、转速、时间和摩擦面大小有关。而在普通的摩擦焊中，由于其焊接热 源为单一的摩擦热，所以在一些特殊的条件下，难以获得足够的摩擦热而实现被焊工件的 连接。比如在高熔点、高硬度、小尺寸试样的摩擦焊接时，由于摩擦面小，摩擦面上的线速度 小导致产生的摩擦热量不足，难以形成接头良好的焊接接头，或者需要对设备的要求很高， 从而限制了摩擦焊的发展与应用。并且由于在普通的摩擦焊过程中，摩擦面上的线速度大 小不等，中心处线速度几乎为零，所产生的热量不均勻，塑化区域的厚度不均勻从而影响了 焊接接头的性能。为了解决上述问题，经过人们不断探索，发现可以通过其他外加热源来解决单一 摩擦热的摩擦热量不足的问题。现有专利技术专利“辐射辅助摩擦焊”(申请号=03800638. 3)， 其主要技术特征是采用一种具有吸收表面和伸向该吸收表面的空腔，而该吸收表面设置成 接收来自光源或RF发生器的电磁辐射源的电磁辐射，然后用辐射加热探头把所接收的辐 射能量传递给被焊工件上，在辐射能量和摩擦热量的共同作用下完成摩擦焊接的过程。虽 然能在一定程度上解决常规摩擦焊热源不足的问题，但是也存在一定的问题，比如吸收表 面以及伸向该吸收表面的空腔难以制造加工，并且辐射能量大小难以控制，而且操作比较 复杂、工艺繁琐，设备需要防辐射。现有专利技术专利“一种感应摩擦焊接方法”(申请号=01135014. 8)，其主要技术特征 是利用感应线圈加热焊接界面，加热到一定温度后，使两焊接构件作相对摩擦运动，清理组 织摩擦焊接的氧化皮等杂质，再对焊件用力轴向顶压，从而形成焊接接头。而专利技术专利“摩 擦焊接的方法和装置”(申请号200910132652.X)则是在两工件被焊接好之后采用高频感 应加热对经过摩擦焊接的工件进行退火处理，来得到性能良好的焊接接头。但是由于所产 生的感应热与摩擦热是一前一后模式的，而且只集中于表面，依然无法解决摩擦焊短时间 轴心位置焊接缺陷的问题，同时对焊接过程以及对焊缝质量、焊接热输入和焊接热源的利 用率难以控制。现有专利技术专禾Ij“导电-搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备”(申请号 20071009974. 7)，其主要技术特征是在搅拌摩擦焊的同时，使搅拌头和工件与焊机主体、固 定工件的夹具和工作台绝缘，在工件焊缝方向上通以电流，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复合的搅拌摩擦焊焊接热源，完成对工件的焊接过程。这是一种内生电阻热的模式，能够简单有效地把电阻热用于焊 接过程中，实现复合热源式的焊接过程，所以如果把这个原理运用在与之有本质区别的惯 性轴向摩擦焊中，也具有同样的优点，有利于解决常规摩擦焊过程中摩擦热量不足的问题； 但是该专利技术专利没有说明关键性的电流加载方式和设备构成。现有技术专利“一种电阻热-搅拌摩擦复合焊接不锈钢的装置”(申请号 200820228426. 2)，其主要特征是将电源的两个输出端通过电缆与变压器的输入端相连， 变压器的一个输出端通过电缆与垫板连接，垫板用于放置被焊接工件，变压器的另一个输 出端通过电缆与电刷连接，电刷与位于搅拌头上端凹槽内的铜环接触，使变压器形成的低 压大电流通过搅拌针导入被焊工件上，产生电阻热以及搅拌摩擦热共同作用实现焊接过 程；此技术专利是在专利技术专利“导电一搅拌摩擦复合热源焊接方法及设备”(申请号 20071009974. 7)之后申请的，而且此专利使用电刷，在电刷上很容易产生放电现象，不利于 焊接过程和焊接电流的调节控制，使用过程十分不安全，同时造成电接触不良，焊接效果不 佳。
技术实现思路
为了克服
技术介绍
中的不足，本专利技术提供一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及 其设备，包括载流惯性轴向摩擦焊接的电流加载方式、载流惯性摩擦焊的电流加载设备。通 过这个外加电源的电流加载方式，能够简单、实用地把外加电流加载到接头的摩擦界面区 域，实现电阻热和摩擦热的共同作用下的载流惯性轴向摩擦复合焊接过程。本专利技术的另一 个目的就是提供一种载流惯性轴向摩 擦复合焊接设备，包括电流加载设备。本专利技术具体解决其技术问题所采用的技术方案如下本专利技术提供的载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性轴向摩擦焊接过 程中，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合 热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接的方法及设备。具体是让焊接工件与摩擦焊机夹持工件的主轴绝缘，同时让焊机主体与工作台或地面绝 缘，采用无电刷的电流加载方法在工件上通以电流，在焊接接头摩擦界面上产生电阻热和 摩擦热来共同完成惯性轴向摩擦复合焊接过程；外加电流设备包括被焊工件一、被焊工件二、卡盘一、卡盘二、主轴一、主轴二、焊 机主体、绝缘片、绝缘块、导电环扣、电源、电缆线；焊接电流加载方法是将外加电源的正极接在并不旋转的焊机主体上并尽可能靠 近被焊工件一和卡盘一的附近区域，将外加电源的负极接在并不旋转的被焊工件二外伸出 来的导电片上，被焊工件二的底部设有绝缘片与焊机卡盘二绝缘，焊机主体与地面绝缘通 过绝缘；外加电流流经的路线是电源正极(一个输出端)一电缆线一导电环扣一焊机主 体一主轴一一卡盘一一被焊工件一一被焊工件二一电源负极(另一个输出端)；焊接工艺参数包括外加电流幅值是接头摩擦界面面积的电流密度平均值为 lA/mm2-120A/mm2，外加电流频率为0-500HZ，占空比为35 % -100 %，摩擦焊主轴转速 I8OOrpm-6OOOrpm,摩擦压力 20Mpa_80Mpa，顶锻压力 100Mpa_250Mpa，焊接时间 0. 5s_4min。载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，所采用的外加电源是数字式逆变电阻焊焊接电源，或者是数字式逆变弧焊焊接电源，或者是晶体管式弧焊电源，或者是矩形波交 流弧焊电源，或者是晶间管式弧焊电源，或者是其他能够承受短路电流的交直两用电源、或 者脉冲的低电压大电流电源；所选用的导电片是具有一定厚度的、有一定强度的、良好导 电能力的材料，可以是铜片，也可以是铝片，与电缆线和另一连接端都有良好的电接触，使 电流能够准确地通过搅拌区形成正确的导电回路；所选用的绝缘片和绝缘块是具有一定 硬度、强度和耐高温的绝缘材料，能够承受焊接过程中高温、有足够的强度并且保证完全绝 缘，是陶瓷材料，或干燥木材，或金属+高分子复合材料，或导热金属块+高分子绝缘块的复 合体材料。载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，卡盘二夹住被焊工件二和主轴二一起 都不运动，卡盘一夹住被焊工件一与主轴一一起作旋转运动；惯性储能环块位于主轴一上， 靠近卡盘一的位置；导电环扣安装在离主轴较近的焊机主 体的位置上，与电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种载流惯性轴向摩擦复合焊接方法及其设备，在惯性轴向摩擦焊接过程中，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生电阻热，该电阻热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接的方法及设备，其特征在于：让焊接工件与摩擦焊机夹持工件的主轴绝缘，同时让焊机主体与工作台或地面绝缘，采用无电刷的电流加载方法在工件上通以电流，在焊接接头摩擦界面上产生电阻热和摩擦热来共同完成惯性轴向摩擦复合焊接过程；外加电流设备包括被焊工件一（１）、被焊工件二（２）、卡盘一（３）、卡盘二（４）、主轴一（５）、主轴二（６）、焊机主体（７）、绝缘片（８）、绝缘块（９）、导电环扣（１０）、电源（１１）、电缆线（１２）；焊接电流加载方法是将外加电源（１１）的正极接在并不旋转的焊机主体（７）上并尽可能靠近被焊工件一（１）和卡盘一（３）的附近区域，将外加电源（１１）的负极接在并不旋转的被焊工件二（２）外伸出来的导电片上，被焊工件二（２）的底部设有绝缘片（８）与焊机卡盘二（４）绝缘，焊机主体（７）与地面绝缘；外加电流流经的路线是电源（１１）正极→电缆线（１２）→导电环扫（１０）→焊机主体（７）→主轴一（５）→卡盘一（３）→被焊工件一（１）→被焊工件二（２）→电源（１１）负极；焊接工艺参数包括外加电流幅值是接头摩擦界面面积的电流密度平均值为１Ａ／ｍｍ２－１２０Ａ／ｍｍ↑［２］，外加电流频率为０－５００Ｈｚ，占空比为３５％－１００％，摩擦焊主轴转速１８００ｒｐｍ－６０００ｒｐｍ，摩擦压力２０Ｍｐａ－８０Ｍｐａ，顶锻压力１００Ｍｐａ－２５０Ｍｐａ，焊接时间０．５ｓ－４ｍｉｎ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗键，刘德佳，王笑川，吴纬，徐晓菱，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]