一種電磁輔助攪拌摩擦焊裝置及其細(xì)化晶粒的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種攪拌摩擦焊裝置及其細(xì)化晶粒的方法， 具體涉及一種電磁輔助攪拌摩擦焊裝置及其細(xì)化晶粒的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 攬摔摩擦焊(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW)是英國焊接研究所(The Welding Institute，簡(jiǎn)稱TWI)于1991年研究發(fā)明的一種先進(jìn)的固相連接技術(shù)。通過攪拌針和軸肩與 工件間的摩擦熱，在攪拌針的附近形成塑性軟化層，軟化層在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的作用下填 充入攪拌針后方所形成的空腔內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)可靠的連接，它具有焊接接頭強(qiáng)度高、焊接工件 變形小、不易廣生有害相等優(yōu)點(diǎn)。
[0003] 攪拌摩擦焊焊接過程中，被焊接材料產(chǎn)生劇烈的塑性變形，可實(shí)現(xiàn)焊接接頭組織 細(xì)化和均勻化，焊接過程中較低的熱循環(huán)作用，避免了氣孔、裂紋等熔焊缺陷的產(chǎn)生，減小 了組織粗化傾向，使焊接接頭具有較高的強(qiáng)度和韌性。但由于攪拌摩擦焊焊接過程中產(chǎn)生 了大量的摩擦熱和塑性變形熱，塑性變形后的細(xì)小晶粒容易長(zhǎng)大變成粗晶組織，使焊接接 頭存在明顯的熱軟化效應(yīng)，導(dǎo)致焊接接頭的強(qiáng)度仍低于母材，特別是鋼、鈦等高熔點(diǎn)材料焊 接時(shí)，最高溫度在l〇〇〇°C以上，攪拌頭往往是難溶性的貴重金屬合金材料或陶瓷材料，焊接 過程中，攪拌頭經(jīng)受較大的機(jī)械力載、摩擦熱載及嚴(yán)重的磨損，攪拌頭容易失效，使壽命下 降，從而導(dǎo)致焊接成本大大提高，同時(shí)，高熔點(diǎn)材料焊接時(shí)，對(duì)焊接溫度敏感，攪拌摩擦焊可 焊性變差，較高的溫度也使焊縫組織在高溫下停留時(shí)間較長(zhǎng)，晶粒更易長(zhǎng)大變成粗晶組織， 焊接接頭塑性和強(qiáng)度均較差。因此，急需找到一種有效方法解決目前常規(guī)攪拌摩擦焊所面 臨的主要問題，以獲得晶粒細(xì)小，綜合性能優(yōu)良的焊接接頭。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于提供一種電磁輔助 攪拌摩擦焊裝置及其細(xì)化晶粒的方法，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，焊接效率高，攪拌頭使用壽命 高，能使焊縫組織晶粒細(xì)化，綜合性能顯著提高。
[0005] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0006] -種電磁輔助攪拌摩擦焊裝置，包括位于焊接平臺(tái)16上方的攪拌頭1、與焊接平臺(tái) 16配合的壓板夾具49，以及跟焊接平臺(tái)16配套使用的冷卻系統(tǒng)30;
[0007] 所述攪拌頭1包括夾持部分2,夾持部分2下端開設(shè)有擋圈槽3,擋圈槽3下端9mm處 開設(shè)有M4mm定位螺紋孔8,擋圈槽3下端與最大外徑軸臺(tái)階7之間套裝有隔磁套6,隔磁套6- 側(cè)外壁開設(shè)有定位孔9,隔磁套6通過攪拌頭1最大外徑軸臺(tái)階7第一定位，隔磁套6上套裝有 強(qiáng)力磁鐵5,強(qiáng)力磁鐵5內(nèi)徑與隔磁套6外徑緊配合，強(qiáng)力磁鐵5通過隔磁套6端部的套肩第一 定位，強(qiáng)力磁鐵5外徑至內(nèi)徑開設(shè)有定位孔10，強(qiáng)力磁鐵5徑向定位孔10與M4mm定位螺紋孔8 和隔磁套6-側(cè)外壁開設(shè)的定位孔9三者中心線重合，采用M4mm不銹鋼螺釘擰緊使隔磁套6、 強(qiáng)力磁鐵5第二定位，強(qiáng)力磁鐵5上表面設(shè)有隔磁板4,緊靠隔磁板4的擋圈槽3里設(shè)有彈性擋 圈11壓緊隔磁板4,最大外徑軸臺(tái)階7下端為過渡圓柱13,過渡圓柱13下端為軸肩14,軸肩下 端為攪拌針15。
[0008] 所述攪拌針15為圓錐臺(tái)，小頭端朝下，圓錐臺(tái)錐度為1:1.35,小頭直徑為焊接材料 厚度0.9-1.1倍。
[0009] 所述焊接平臺(tái)16為兩側(cè)帶緊固耳的球墨鑄鐵平臺(tái)，焊接平臺(tái)16上表面設(shè)置有平行 于長(zhǎng)度方向三道未開通的T型槽，中間T型槽17設(shè)在寬度中心線上，兩側(cè)T型槽18以中間T型 槽17對(duì)稱布置，兩側(cè)T型槽18最中間未開通，未開通區(qū)域作為待焊工件焊接工作區(qū)，焊接平 臺(tái)表面下方以長(zhǎng)度中心線為對(duì)稱沿寬度方向開通兩個(gè)冷卻孔19,冷卻孔19兩端開設(shè)有螺紋 孔，螺紋孔裝有4個(gè)快速接頭，焊接平臺(tái)16底面在長(zhǎng)度中心位置沿寬度方向開通矩形槽20， 矩形槽20內(nèi)放置矩形管21，矩形管21 -端封閉，另一端兩側(cè)焊接兩個(gè)把手23,矩形管21內(nèi)放 置徑向充磁強(qiáng)力磁鐵22。
[0010] 所述冷卻系統(tǒng)30包括循環(huán)風(fēng)冷冷水機(jī)31，循環(huán)風(fēng)冷冷水機(jī)31自帶有儲(chǔ)水箱32和水 栗35，儲(chǔ)水箱32上設(shè)有最高水位顯示窗33，循環(huán)風(fēng)冷冷水機(jī)31出水管路37上設(shè)置有溫度顯 示裝置34,溫度顯示裝置34與出水管路37相連，出水管路37與流量調(diào)節(jié)裝置29相連，流量調(diào) 節(jié)裝置29設(shè)有2個(gè)出水41、2個(gè)回水42，共4個(gè)快速接頭，兩個(gè)出水快速接頭41通過PVC軟管43 與焊接平臺(tái)16-端的兩個(gè)冷卻孔19上設(shè)置的進(jìn)水快速接頭相連，另兩個(gè)回水快速接頭42通 過PVC軟管44與焊接平臺(tái)16另一端的兩個(gè)冷卻孔上設(shè)置的出水快速接頭相連，PVC軟管耐壓 不小于0.6Mpa，耐溫不低于100°C。
[0011] 所述的隔磁套6為攪拌頭1上圓環(huán)形襯套，隔磁套6-端帶有套肩，另一端一側(cè)外壁 開設(shè)有定位孔9。
[0012] 所述的強(qiáng)力磁鐵5為釹鐵硼磁鐵，徑向充磁，表面鍍鉻，呈圓環(huán)狀，外徑至內(nèi)徑之間 開設(shè)有定位孔10，
[0013]所述隔磁板4采用聚氯乙烯(PVC)或紙質(zhì)材料制得，呈圓環(huán)狀，外徑和內(nèi)徑尺寸與 所述強(qiáng)力磁鐵5尺寸一致，厚度1~1.5_。
[0014]本發(fā)明細(xì)化晶粒的方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的：
[0015]步驟一、安裝攪拌頭1，將帶有強(qiáng)磁鐵5的攪拌頭1夾持部分2裝入改造的X5032型升 降臺(tái)銑床旋轉(zhuǎn)主軸12夾持孔中夾緊；
[0016]步驟二、焊件24兩端加裝導(dǎo)線25,焊接前，將兩塊不留間隙對(duì)接焊工件24兩端離端 面2mm處、對(duì)接縫兩側(cè)10mm處鉆兩個(gè)5mm通孔，兩根導(dǎo)線25-端分別放置在工件24兩端對(duì)接 縫上，采用鉚接方法將導(dǎo)線25端部銅鼻子部分26鉚緊，兩根導(dǎo)線25另一端分別與外加直流 電源27正負(fù)極K1、K2連接，焊接時(shí)施加直流電流，電流方向與攪拌摩擦焊接方向一致；
[0017] 步驟三、焊件24清理，將待焊工件24對(duì)接縫兩側(cè)15mm~20mm范圍內(nèi)，先用鋼絲刷清 理表面氧化物，再用毛刷清除，最后用丙酮擦拭干凈；
[0018]步驟四、焊件24固定，將焊接平臺(tái)16固定在所述改造的X5032型銑床升降臺(tái)28上， 然后將清理干凈的對(duì)接焊工件24放置在焊接平臺(tái)16的焊接工作區(qū)，工件對(duì)接縫與攪拌頭1 對(duì)正，保證焊接過程中，攪拌頭1不偏離對(duì)接縫中心，在對(duì)接焊工件24兩側(cè)，每側(cè)3個(gè)，用所述 壓板夾具49對(duì)稱夾緊，對(duì)稱壓板夾具49間距65mm，以不妨礙攪拌頭1上安裝的q)60mm強(qiáng)力 磁鐵旋轉(zhuǎn)5;
[0019]步驟五、放置矩形管21及管內(nèi)強(qiáng)力磁鐵22,將所述矩形管21及管內(nèi)強(qiáng)力磁鐵22放 入矩形槽20內(nèi)，強(qiáng)力磁鐵22放置時(shí)與強(qiáng)力磁鐵5同名磁極相對(duì)，借助管端把手23,在焊接過 程中移動(dòng)矩形管21，使矩形管21內(nèi)強(qiáng)力磁鐵22隨著攪拌頭1沿著焊接方向同步移動(dòng);所述同 名磁極相對(duì)，即兩個(gè)N極相對(duì)或兩個(gè)S極相對(duì)，由于磁鐵周圍的磁感線都是從N極出來進(jìn)入S 極，同名磁極相對(duì)時(shí)，磁感線密集經(jīng)過焊件對(duì)接縫，對(duì)接縫處表現(xiàn)出較強(qiáng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，由于 磁場(chǎng)的作用效果可以深入到原子、電子尺度，只要有電子的存在，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)細(xì)小的磁 場(chǎng)，外磁場(chǎng)可以通過對(duì)這種小磁場(chǎng)的作用，影響到原子運(yùn)動(dòng)和重組，并影響到位錯(cuò)行為，從 而對(duì)材料塑性變形能力產(chǎn)生直接的影響，磁致塑性效應(yīng)有利于輔助攪拌摩擦焊加速焊接材 料發(fā)生塑性變形，使能耗降低，焊接效率提高，并起到細(xì)化晶粒的作用，焊接接頭綜合性能 得到顯著提高；
[0020] 步驟六、工藝參數(shù)選?。?br>[0021] (1)選取外加電壓、電流參數(shù):直流電壓為0V~3V，直流電流為100A~400A;
[0022] (2)選取焊接工藝參數(shù)：攪拌頭1旋轉(zhuǎn)速度為600r/min~1200r/min，焊接速度為 37.5mm/min~90mm/min，軸肩14壓入工件表面深度為0.15mm~0.2mm，當(dāng)電壓、電流取上限 時(shí)，攪拌頭1旋轉(zhuǎn)速度取600r/min~950r/min，焊接速度取60mm/min~90mm/min，當(dāng)電壓、電 流取下限時(shí)，攪拌頭1旋轉(zhuǎn)速度取950r/min~1200r/min，焊接速度取37.5mm/min~47.5mm/ min；
[0023]步驟七、啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)30:啟動(dòng)前，先向冷卻系統(tǒng)30儲(chǔ)水箱31加水，加水量到儲(chǔ)水 箱32液位窗33最高點(diǎn)，約20~30L，確保焊接過程對(duì)焊接接頭的冷卻效果，加水后，連接管 路，啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)30，啟動(dòng)后