[发明专利]一种改善搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法

说明书

本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法。装置包括搅拌头和与所述搅拌头连接的电机，所述搅拌头由轴肩和与所述轴肩同轴一体设置的底部两级搅拌针组成，所述两级搅拌针的一级搅拌针和二级搅拌针为圆锥或者圆柱体结构，所述一级搅拌针位于所述二级搅拌针上方，且所述一级搅拌针下底面直径大于所述二级搅拌针上底面直径。方法包括：测量待焊工件和搅拌头的几何参数；固定被焊工件；确定施焊位置；确定下压深度；搅拌摩擦焊接。采用本发明，可获得具有“HOOK”呈水平甚至略微向下弯曲特征的搭接接头，并可显著增加接头的有效承载厚度。此外，本发明操作简单，易于实现，适用于各种厚度的搭接结构的搅拌摩擦焊接。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别涉及一种改善搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding，简称FSW)技术作为一种固相连接技术，可以避免熔化焊中出现的气孔、夹渣等冶金缺陷。但是当搅拌摩擦焊接技术应用于搭接结构的焊接时，上下板的原始界面在搅拌头的作用下会发生迁移，其中搅拌针作用范围内的原始界面将会被破坏，而搅拌针边缘处的部分界面会在垂直方向上发生弯曲，形成搅拌摩擦焊接搭接接头中特有的向上弯曲的钩状缺陷又称“HOOK”缺陷，这将造成板材“有效厚度”的降低、从而导致接头承载能力明显降低(航空制造技术Vol.10(2017)p91-98；J MaterProcess Technol,Vol.238(2016)p244-254)。

研究表明，通过焊接工艺的变化，能够改变接头中“HOOK”的尺寸以及形状(JMater Process Technol,Vol 210(2010)p206)，但是工艺参数对“HOOK”变化的影响，还与母材种类，板厚等因素密切相关，因此几者之间关系复杂，所以通过工艺参数实现对“HOOK”调控十分困难(Sci Technol Weld Join,15(2010)p81)。而搅拌工具是影响材料的流动关键因素，例如采用特殊的Skew-stir搅拌工具、Flared-Triflute搅拌工具(航空制造技术Vol.10(2017)p91-98)，以及ZL201410705553.7公开的搅拌针中间粗、两头细的异形搅拌工具进行搭接焊接，都会在不同程度上改变“HOOK”的形状与大小，从而获得较高载荷的接头，但是上述工具均未能改变“HOOK”向上弯曲的特征，因此对接头性能的提高程度有限。换言之，向上弯曲的“HOOK”已经成为搅拌摩擦搭接焊接技术亟待解决的关键问题之一。

鉴于搅拌工具在改变搭接界面流动行为方面的重要作用，因此设计并制备出适合搅拌摩擦搭接焊接的搅拌工具，改变“HOOK”向上弯曲的特性，对于提高搭接结构接头的质量，具有重要的意义。

发明内容

为解决现有技术在搅拌摩擦搭接焊接中存在的向上弯曲的“HOOK”，严重影响接头性能和质量的问题，本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置及方法。本发明的技术方案为：

第一个方面，本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接装置，包括搅拌头和与所述搅拌头连接的电机，所述搅拌头由轴肩和与所述轴肩同轴一体设置的底部两级搅拌针组成，所述两级搅拌针的一级搅拌针和二级搅拌针为圆锥或者圆柱体结构，所述一级搅拌针位于所述二级搅拌针上方，且所述一级搅拌针下底面直径大于所述二级搅拌针上底面直径。

进一步地，所述一级搅拌针下底面是凹面、平面或者凸面。

第二个方面，本发明提供一种改善搅拌摩擦焊接搭接接头钩状缺陷的焊接方法，包括以下步骤：