一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法技術

本發明專利技術公開一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，焊接過程中，焊接過程中，通過控制開關選擇電路連接方式，控制開關與攪拌針導通，隨著攪拌針壓入母材，絕緣靜軸肩下表面與焊接母材的上表面接觸，外接電源正極的電流可通過導電滑環的定子導線、導電滑環、攪拌針內部電極、靜軸肩電極、高頻切換器、母材、電源形成閉合回路；電流通過焊接母材時，使此種焊接在攪拌針的摩擦熱、焊接母材電阻熱以及電流驅動下共同作用下完成焊接。采用本發明專利技術的技術方案，避免了傳統高強度金屬焊接時焊接裂紋、氣孔等缺陷的產生，降低材料的變形抗力、提高材料的塑性。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于焊接
，尤其涉及一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，可以應用于各工業領域的汽車、輪船、航天器等焊接成型。
技術介紹
焊接技術發展至今，對于焊接方法的選擇要求也越來越高，傳統的電弧焊對高強鋼的焊接極容易產生焊接裂紋、氣孔、夾渣等多鐘缺陷，已經很難滿足高強鋼焊接的要求。攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)作為一種新型的固相連接方法，具有高效、環保、熱變形和殘余應力小等綜合優點，但焊接接頭在板厚方向上存在較大的溫度梯度，接頭的受熱不均，因而其性能下降。靜軸肩攪拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)，在焊接過程中，內部攪拌針處于旋轉狀態，而外部軸肩不轉動，僅沿著焊接方向前進，大部分熱量產生在工件表面和軸肩的接觸處。使熔點高，熱導率低的金屬合金，熱加工溫度區間窄，接頭的熱輸入更均勻，熱源集中在攪拌針周圍，所以攪拌針在摩擦產熱和材料變形中起著重要的作用，工件的變形將由攪拌針決定，從而提高了焊接過程的穩定性，解決焊縫表面過熱的問題。焊接過程中采用電磁攪拌技術可改善焊接結構件的性能，而性能的改善又是通過焊縫組織的變化來實現的。施加外部電磁場攪拌后，焊縫區域主要存在以下變化：柱狀晶生長方向改變、柱狀晶向等軸晶轉變、組織更加細化、初生相與共晶組織的形貌和尺寸受到影響、枝晶臂間距縮短、熔池區域化學成分不均勻性減少。目前重慶大學羅鍵在其專利“導電-攪拌摩擦復合熱源焊接方法及設備”(申請號CN200710092974.7)中提出，在攪拌摩擦焊的同時,在工件焊縫方向上通以電流,該電流與其流經的焊縫和摩擦攪拌焊接區的接觸電阻產生電阻熱,該電阻熱與攪拌摩擦熱形成攪拌摩擦焊的復合熱源,從而實現導電攪拌摩擦復合熱源焊接過程。當焊縫過長，工件焊縫方向上長時間通電，導致焊縫金屬在電阻熱作用下熱量分布不均勻，難以達到整條焊縫性能一致的要求，由于電流分散，導致電流加熱效果不明顯，且未使用電磁攪拌技術。材料學、加工技術、焊接技術的快速發展也將推動電磁攪拌技術的應用。通過電磁攪拌技術可實現焊縫成形過程、組織設計，從而獲得預期的焊接深度和力學性能，提高焊接質量，使電磁攪拌技術在航空、航天、冶金、機械制造加工領域具有更加廣闊的應用前景和巨大的實用價值。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服了金屬焊接方法上的缺陷及不足，提供一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，避免了傳統高強度金屬焊接時焊接裂紋、氣孔等缺陷的產生，降低材料的變形抗力、提高材料的塑性。在攪拌摩擦焊焊接過程中，攪拌針的消耗磨損問題是十分嚴重的，此種受控電流驅動的攪拌摩擦焊焊接過程中，電流是通過攪拌針電極流向工件，而攪拌針中沒有電流流過，避免了攪拌針在電流作用下產生的電阻熱，因此可以降低攪拌針在焊接過程中的磨損消耗。焊接過程中采用電磁攪拌技術是為了改善焊接結構件的性能，而性能的改善又是通過焊縫組織的變化來實現的。施加外部電磁場攪拌后，焊縫區域主要存在以下變化：柱狀晶生長方向改變、柱狀晶向等軸晶轉變、組織更加細化、初生相與共晶組織的形貌和尺寸受到影響、枝晶臂間距縮短、熔池區域化學成分不均勻性減少。為解決上述問題，本專利技術采用如下的技術方案：一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，焊接過程中，通過控制開關選擇電路連接方式，外接電源對固定在攪拌針外側的導電滑環定子導線通電，通過導電滑環使攪拌針電極通電,焊接過程中，攪拌針旋轉著壓入母材，直到攪拌針完全扎入焊接母材時，絕緣靜軸肩下表面與焊接母材上表面完全接觸，電流即可通過焊接母材流向靜軸肩電極，所有靜軸肩電極均與高頻切換器相連，高頻切換器與外接電源另一端連接；電流通過外接電源正極、導電滑環定子導線、導電滑環定子、導電滑環轉子、攪拌針電極、焊接母材、靜軸肩電極、高頻切換器以及外接電源負極形成閉合回路；電流通過焊接母材時，使此種焊接在攪拌針的摩擦熱、焊接母材電阻熱以及電流驅動下共同作用下完成焊接。作為優選，控制開關可實現外接電源一端與攪拌針電極連接，同時所述絕緣靜軸肩中的多個靜軸肩電極均與高頻切換器相連；在高頻切換器作用下，焊接過程中可以快速切換攪拌針電極與靜軸肩電極之間的連接。作為優選，攪拌針電極可與一個靜軸肩電極連接在外接電源兩端；在高頻切換器的作用下，不斷切換與攪拌針電極導通的靜軸肩電極，從而使攪拌針電極到靜軸肩電極間的電流方向不斷改變，該電流方向可以順時針運動、逆時針運動或亂序運動，從而實現焊接過程中的電磁攪拌和機械攪拌的復合。作為優選，攪拌針電極可與任意兩個靜軸肩電極連接在外接電源兩端，在高頻切換器的作用下，左右兩側與攪拌針電極導通的靜軸肩電極同向或方向切換；從而使電流流向變化情況與焊接方向相同或相反，或與攪拌針旋轉方向相同或相反，從而實現焊接過程中的電磁攪拌和機械攪拌的復合。作為優選，焊接過程中，可以通過控制開關選擇實現外接電源不與攪拌針連接，此時外接電源直接與兩個或多個靜軸肩電極連接。作為優選，焊接過程中，外接電源直接與兩個或多個靜軸肩電極連接，在高頻切換器切換作用下，不斷切換電路中所連接的靜軸肩電極，實現靜軸肩電極間的電流呈順時針、逆時針旋轉或亂序變化，從而實現焊接過程中的電磁攪拌和機械攪拌的復合。本專利技術的受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，焊接過程中，通過控制開關選擇電路連接方式，控制開關與攪拌針導通，導電滑環轉子固定在攪拌針周圍特定位置，導電滑環定子固定在攪拌針外罩上，導電滑環定子通過定子導線與電源一端連接；導電滑環轉子與攪拌針內部的攪拌針電極以點接觸方式導通，攪拌針電極、導電滑環的轉子與攪拌針之間均設有絕緣層，電極分為兩部分分別為沿攪拌針直徑方向和沿著攪拌針中軸線方向。絕緣靜軸肩中裝有多個靜軸肩電極，且每個電極均與高頻切換器相連。在高頻切換器作用下，可以在焊接過程中快速切換靜軸肩電極的連接個數連接方式及靜軸肩電極切換方向(順時針或逆時針方向)。焊接過程中，隨著攪拌針旋轉著扎入焊接母材，絕緣靜軸肩的下表面與焊接母材上表面接觸，外接電源正極、導電滑環的定子導線、導電滑環定子、導電滑環轉子、攪拌針電極、母材、靜軸肩電極、高頻切換器以及外接電源負極電源構成閉合回路。所述焊接母材在此種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊在攪拌針的摩擦熱、電阻熱、電流以及電磁攪拌共同作用下完成焊接。與現有焊接技術相比，本專利技術方法的優點如下：(1)焊接接頭殘余應力比較低，焊接工件不易變形，無需添加焊絲，不需要保護氣體，成本低，焊接過程安全、無污染、無煙塵、無輻射等；(2)操作過程方便實現機械化、自動化，設備簡單，能耗低，降低攪拌針在焊接過程中的磨損，是一種高質，高效、高速的焊接方法；(3)避免了焊接高強度材料時焊縫中焊接裂紋、氣孔、夾渣等缺陷的產生。(4)施加外部電磁場攪拌后，焊縫區域柱狀晶生長方向改變、柱狀晶向等軸晶轉變、組織更加細化、初生相與共晶組織的形貌和尺寸受到影響、枝晶臂間距縮短、熔池區域化學成分不均勻性減少。附圖說明圖1為本專利技術受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊的結構示意圖；圖2為本專利技術高頻切換器控制靜軸肩電極工作原理圖；圖3為本專利技術單純攪拌針電極通電工作原理圖。圖中：1、母材，2、靜軸肩電極，3、絕緣靜軸肩，4、本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，焊接過程中，通過控制開關選擇電路連接方式，外接電源對固定在攪拌針外側的導電滑環定子導線通電，通過導電滑環使攪拌針電極通電,焊接過程中，攪拌針旋轉著壓入母材，直到攪拌針完全扎入焊接母材時，絕緣靜軸肩下表面與焊接母材上表面完全接觸，電流即可通過焊接母材流向靜軸肩電極，所有靜軸肩電極均與高頻切換器相連，高頻切換器與外接電源另一端連接；電流通過外接電源正極、導電滑環定子導線、導電滑環定子、導電滑環轉子、攪拌針電極、焊接母材、靜軸肩電極、高頻切換器以及外接電源負極形成閉合回路；電流通過焊接母材時，使此種焊接在攪拌針的摩擦熱、焊接母材電阻熱以及電流驅動下共同作用下完成焊接。

【技術特征摘要】
1.一種受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，焊接過程中，通過控制開關選擇電路連接方式，外接電源對固定在攪拌針外側的導電滑環定子導線通電，通過導電滑環使攪拌針電極通電,焊接過程中，攪拌針旋轉著壓入母材，直到攪拌針完全扎入焊接母材時，絕緣靜軸肩下表面與焊接母材上表面完全接觸，電流即可通過焊接母材流向靜軸肩電極，所有靜軸肩電極均與高頻切換器相連，高頻切換器與外接電源另一端連接；電流通過外接電源正極、導電滑環定子導線、導電滑環定子、導電滑環轉子、攪拌針電極、焊接母材、靜軸肩電極、高頻切換器以及外接電源負極形成閉合回路；電流通過焊接母材時，使此種焊接在攪拌針的摩擦熱、焊接母材電阻熱以及電流驅動下共同作用下完成焊接。2.根據權利要求1所述受控電流驅動的載流靜軸肩攪拌摩擦焊方法，其特征在于，控制開關可實現外接電源一端與攪拌針電極連接，同時所述絕緣靜軸肩中的多個靜軸肩電極均與高頻切換器相連；在高頻切換器作用下，焊接過程中可以快速切換攪拌針電極與靜軸肩電極之間的連接。3.根據權利要...

【專利技術屬性】
技術研發人員：蔣凡，李曉旭，陳樹君，蔣曉青，徐斌，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京;11