[发明专利]一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及固相焊接技术领域，尤其涉及一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置。

背景技术

在搅拌摩擦焊技术领域，复合热源焊接方法成为延展该项技术适用范围的有效手段，通过额外施加焊接能量，可以有效软化被焊材料，降低焊接所需的顶锻力和前进力要求。这些复合焊接方法对于铝合金的传统搅拌摩擦焊而言，效果并不明显，因为传统搅拌摩擦焊设备只要具备足够的刚度，能提供焊接所需的顶锻力与前进力，即可获得良好成形的焊缝。

对于微小构件、超薄壁构件的焊接而言，一般搅拌针的长度比焊接工件壁厚短0.1~0.2mm，而搅拌针直径一般为其长度的0.5~1.5倍，轴肩直径为搅拌针直径2~3倍。按照传统搅拌摩擦焊工具设计原则，则薄壁焊接构件的搅拌工具尺寸将适当变小。搅拌摩擦焊过程的热输入依赖于搅拌工具与被焊工件的摩擦产热，当焊接工具与被焊材料的接触面积明显减小时，将显著降低摩擦热的产生。

但是，搅拌摩擦焊工具旋转速度的增加是有限的，转速提高带来两个问题，一是电机所能提供的扭矩随转速增加而迅速下降；二是高转速扭矩的传递无法兼顾大顶锻力和前进力的要求。即提高转速难以克服扭矩下降、顶锻力与前进力下降的难题。因此，在适当转速条件下，施加额外热源进行辅助加热，即实施复合热源焊接，是解决上述问题的有效途径。

对于高转速微搅拌摩擦焊过程辅助热源的选择，必须考虑两个问题：一是焊接热源的热流密度问题，微搅拌摩擦焊主要针对薄壁构件的焊接，此类构件对于焊接热输入很敏感，增大加热范围将导致工件变形严重，甚至局部失稳；二是焊接辅助热源的施加必须适应焊接工具的高速旋转与高速移动过程的稳定性要求。按照上述要求，超声能量辅助焊接需要对焊接工具施加超声振动，超声能量转换的热量相对分散且无法适应高速焊接要求，过大的超声振动还有可能导致机床损坏或影响焊接稳定性；电阻辅助加热需施加绝缘并必须解决高转速搅拌工具与静止电源的有效导通问题，同样也存在能量分散问题；激光旁轴复合焊接涉及对工件的二次加热，并且激光焊接铝合金本身存在过程不稳定问题，可能产生的气孔、飞溅、氧化等缺陷将有可能导致后续搅拌摩擦焊缺陷。此外，激光与焊接工具前后排布的方式，使得激光能量与搅拌摩擦焊摩擦热无法实现有效耦合。

综上所述，对微搅拌摩擦焊过程实施额外辅助热源能够获得高稳定性、高质量的薄壁构件焊接效果。但传统辅助热源的施加必须解决由于微搅拌摩擦焊工艺特性带来的一系列问题，亟需开发针对超薄壁构件固相连接的新型复合热源焊接方法。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种激光搅拌摩擦焊接方法及其装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种激光搅拌摩擦焊接方法，包括激光束、焊接工具和焊接物，其特征在于，所述焊接工具至少包括搅拌针、轴肩、散热翅和中空内腔，焊接时，所述搅拌针插入焊接物旋转并沿焊缝前进 ，所述激光束通过焊接工具的中空内腔对搅拌针进行加热，搅拌针通过吸收激光束光能瞬时转化为热能并传导至焊接物进行焊接。

较佳地，所述激光束采用的激光源至少包括固体激光、光纤激光、盘式固体激光、Nd:YAG激光其中的一种。

较佳地，所述散热翅在焊接时至少还采用压缩空气冷却或水雾冷却。

较佳地，所述激光束通过焊接工具的中空内腔对搅拌针进行加热时，所述激光束加热至少包括聚焦和或离焦方式进行，所述激光聚焦后直径为0.1-0.2mm。

较佳地，所述激光束通过焊接工具的中空内腔对搅拌针进行加热时，所述空腔内充填保护气体。

较佳地，所述保护气体至少包括氩气和氦气其中的一种。

较佳地，所述保护气体为氦气，所述氦气为高电离能氦气。

较佳地，所述轴肩和搅拌针采用高熔点材料制造，所述高熔点材料至少包括钨、钼及其合金、热作模具钢其中的一种。

较佳地，所述焊接物为铝合金和或镁合金，所述焊接物为0.5~1mm的薄壁金属。

较佳地，所述焊接工具旋转速度范围为5000~10000rpm。

一种激光搅拌摩擦焊接装置，主要包括焊接工具，其特征在于，所述焊接工具至少包括搅拌针、轴肩、散热翅和中空内腔，所述中空内腔设有适合激光束通过的空腔；所述搅拌针内部设有小孔，所述小孔直径小于搅拌针直径。

较佳地，所述搅拌针内部的小孔直径为0.3~1mm，激光束聚焦后进入该小孔可加热搅拌针。

较佳地，所述搅拌针内部的小孔直径为盲孔或通孔。