[发明专利]一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置

说明书

本发明涉及一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，包括带长针搅拌头的搅拌摩擦焊机、带有孔槽与支撑平台的超声工具头、变幅杆、换能器、超声波发生器。通过带有孔槽与支撑平台的超声工具头与工件背部待焊区直接接触，工具头提供支撑作用且直接将超声能量施加于搅拌针周围的塑性剪切层内，利用超声软化效应，降低材料塑性变形抗力，增强其流动性，影响材料变形行为，避免接头产生孔洞缺陷。采用与孔槽配合的长针搅拌头穿透工件背部，从而彻底避免根部未焊合缺陷。通过上述方式，提高超声能量利用率，增强焊缝根部材料的塑性变形与流动，改善了焊缝根部成形、细化了焊缝晶粒、提高了接头的力学性能和临界焊接速度与生产效率。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

搅拌摩擦焊接是一种新型固相连接技术，具有接头质量高、焊接变形小、焊接过程绿色环保等优点，在铝合金、镁合金等材料连接领域具有广泛应用。搅拌摩擦焊接主要依靠搅拌头与工件之间的摩擦热和材料的塑性变形热来软化待焊区材料，使其流动形成接头。但作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊接技术存在焊接载荷大、速度慢、效率低等问题。此外，在焊接工艺参数匹配不当或使用较高焊接速度时，搅拌区塑性材料软化不足，流动不充分，不能及时填充搅拌头后方空腔，就会在接头内部产生孔洞缺陷。另一方面，由于搅拌摩擦焊接过程中，大部分的热量依靠轴肩产生，导致焊缝根部产热不足，加上搅拌针长度一般比工件厚度略小，不能完全插入工件底部，致使焊缝底部容易产生未焊合缺陷。上述孔洞及未焊合缺陷不仅降低了接头组织的均匀性、减小有效承载面积，还会产生应力集中、诱发裂纹起源与扩展，严重影响接头的使役性能，同时限制了搅拌摩擦焊接临界焊接速度和效率的进一步提高。

为了解决上述问题，专利《CN1836820A》公开了一种从搅拌头施加超声能量的超声辅助搅拌摩擦焊接方法，随后专利《CN102744516A》公开了一种从搅拌头前方工件施加超声能量的方法，上述两种方法均从工件上部施加超声能量，超声能量传递至焊缝根部时能量较弱，超声能量利用率较低。为了提高超声能量利用率，专利《CN105397277A》提出了在工件背部施加超声能量的方法，但这种方法的超声工具头与搅拌头同轴，大部分超声能量作用于搅拌针之上，而并未作用于搅拌针周围的塑性剪切层内。此外，由于搅拌针长度小于工件厚度，焊接过程中仍容易在焊缝根部产生未焊合缺陷。专利《CN105382405A》提出一种在工件背部使用带有盲孔的静止轴肩支撑，将长针搅拌头倾斜穿透工件，但其方法采用特制的平移滑块与导轨配合，只能进行直线焊缝的焊接，难以实现曲线焊缝的连接。此外，该方法未施加超声能量，不能降低焊接载荷、提高焊接效率。

发明内容

为了克服上述问题，提高超声能量的利用率以及超声在焊缝根部的作用效果，同时彻底消除焊缝根部可能产生的未焊合缺陷，本发明提供了一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，使搅拌针能够穿透工件，同时将超声直接从工件背部施加于焊缝根部搅拌针周围的塑性剪切层内，利用超声振动能量降低材料的塑性变形抗力，提高其塑性流动性，从而解决在工艺参数不匹配或采用较高焊接速度的条件下，搅拌摩擦焊缝容易产生孔洞及未焊合的问题，进而提高搅拌摩擦临界焊接速度和焊接效率，同时降低焊接载荷。

为实现上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

一种背部穿透且超声工具头支撑辅助的搅拌摩擦焊接装置，包括：长针搅拌头(1)、带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)、变幅杆(6)、换能器(5)、超声波发生器(4)，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)的整体为块状结构，所述块状结构的顶部设置孔槽，所述带有孔槽与支撑平台的超声工具头(7)与变幅杆(6)、换能器(5)超声波发生器(4)依次相连，所述换能器(5)设置在平台上，所述长针搅拌头(1)可穿过工件插入到孔槽中，并与搅拌摩擦焊机相连，所述平台的两侧还设置有垫板(3)。