薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及薄壁金属焊接设备和方法技术领域，特别是涉及一种薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。

背景技术

在薄壁金属搅拌摩擦焊接时，搅拌头压入量小、转速小，塑化金属的体积也小，后退侧金属常常因为流动不及时，从在焊缝中导致飞边或隧道缺陷。同时，导致发生因为搅拌头摩擦挤压作用不够导致产热较低、搅拌针行进阻力较大，甚至导致搅拌针断裂和焊接失败。以此，补充辅助能量成为一种必然选择。

国内外众多研究人员对此展开了相关研究，有关搅拌摩擦焊接辅助加热或振动手段大都采用超声波振动辅助的方法，可以加强焊接区域金属的振动，加快金属成形，但超声波振动方向单一且装备复杂；专利（公开号：CN211921652U）中提出一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接装置，其提出的附件热源是激光和/或电弧和/或等离子弧和/或感应加热热源。但其适用场合具有局限性且设备昂贵复杂，需要增加气体保护装置和随电机可移动热源装置，经济性较差。如果采用直接以搅拌头轴线为中心线，进行电磁感应加热，在加热工件的时候，也会导致搅拌头过分加热而迅速损耗。如果运用常规电磁感应加热，使静止的电磁感应线圈中心轴不与搅拌头中心轴线重合、且偏于搅拌头一侧时，只能对局部区域进行感应加热。如果采用永磁铁垂直于工件方向运动产生电磁感应加热效果，则很难实现高频感应电流，同时仍然作用于局部区域；如果在工件上通电使焊接区域金属在磁场作用下受力运动，则存在安全问题，且工件上电流路径不可控导致受力方向不可控。如果采用旋转磁铁的方法产生旋转磁场，则只能采用质量较小的磁铁和旋转速度较小的情况。

现有技术中存在的技术问题是：如何实现薄壁金属前进侧以及后退侧的焊接均匀性，尤其是如何提高现有薄壁金属后退侧选区磁力振动搅拌时产生的磁场均匀性，进而增强薄壁金属焊接处的温度均匀性，将其尽量控制在温差为10度的范围之内，保证薄壁金属整个焊接处的焊疤均匀性，以及保证其长尺寸的薄壁结构件焊接成材率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种将脉动磁场发生器固定在搅拌头上，并且再以脉动磁场发生器，朝向待焊接薄壁金属件的端部设有高频感应线加热线圈M和三相线圈模块，以为薄壁金属件焊接区域加热及提供高频振动磁场，所述三相线圈模块，具有相位依次相差120°的三个独立供电电源A、B、C，而且所述A、B、C的三相电源之间相序和频率可调。从而在薄壁金属件的后退侧施加周向高频振动，该周向振动力来源于设置于后退侧上方的三相线圈模块的电源A、B、C和搅拌头前方的高频感应加热线圈M，该三相线圈模块产生指向薄壁金属件后退侧金属的脉动磁场分量，该脉动磁场相对后退侧金属来回切割作用，使该区产生高频振动，同时在搅拌头前方的高频感应加热线圈M的高温作用下，更加有利于焊接区金属塑性变形与流动，可以提高焊件底部的金属流动性，并且及时填充搅拌针后方的空腔，弥补弥散分布的空洞缺陷，有利于焊缝组织晶粒细化，使焊缝组织更加均匀，降低了材料塑性变形抗力，减小了搅拌头损耗，提高了焊接质量的薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置以及焊接方法。

本发明所采用的技术方案是：一种薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置，通过旋转电机主轴驱动的搅拌头，

所述摩擦焊接装置还具有固定在搅拌头上的脉动磁场发生器；

所述脉动磁场发生器，朝向待焊接薄壁金属件的端部设有高频感应线加热线圈M和三相线圈模块，以为薄壁金属件焊接区域加热及提供高频振动磁场；

所述三相线圈模块，具有相位依次相差120°的三个独立供电电源A、B、C，而且所述A、B、C的三相电源之间相序和频率可调。

进一步地，所述摩擦焊接装置，还具有连接旋转电机主轴的焊接装置壳体，和装夹待焊接薄壁金属件的垂直伸缩式工作台；

并且所述脉动磁场发生器，通过可调节连接杆连接在焊接装置壳体上，以使其相对于垂直伸缩式工作台上的焊接薄壁金属件的相对距离L可调地设置。

进一步地，所述脉动磁场发生器，其壳体内还设有周向感应线圈，所述周向感应线圈与搅拌头静止时的倾斜成0~15°。

进一步地，所述高频感应线加热线圈M和三相线圈模块分别通过盖片封装在壳体靠近薄壁金属件的端部。

进一步地，所述垂直伸缩式工作台朝向搅拌头的位置处还设置有振动计。

进一步地，所述三相线圈模块的三个电源还分别连接调频器，以调整脉动磁场发生器对三个电源A、B、C施加的频率；

所述高频感应线加热线圈M连接调功器，以调节其电流。

进一步地，所述垂直伸缩式工作台，朝向薄壁金属件的位置处还设置有两台红外测温仪，以预定的频率扫描测薄壁金属件焊接区域的温度，实时记录并反馈焊接区域温度情况。

进一步地，两台所述红外测温仪测出的温差小于10℃，则取平均值反馈；

当采集的有效温度与预期温度值差值较大，设备将搅拌头及时沿着垂直于薄壁金属件方向抬起，回归初始工作点后，搅拌头停止旋转。

进一步地，所述脉动磁场发生器的三个电源A、B、C 按照“A-B-C-停-A-C-B-停”的通电顺序进行，并且其上所施加的频率为所述搅拌头旋转频率的2倍及其以上。

一种薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接方法，

基于上述的薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置，包括如下步骤：

a.根据搅拌头的尺寸和待焊接板材的厚度，调整可调节连接杆的长短，以固定脉动磁场发生器的位置；

b.搅拌头开始旋转，并沿着垂直伸缩式工作台方向移动靠近待焊接板材0.8-2cm处悬停；5s后搅拌头垂直扎入待焊接的薄壁金属件中，开始焊接；

c.脉动磁场发生器开始通电工作；

高频感应加热线圈M首先开始搅拌摩擦焊接预热过程，调节三相线圈模块的三个电源A、B、C的相序和频率进行焊接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置，通过固定在靠近薄壁金属件的脉动磁场发生器端部设置三相线圈模块和高频感应加热线圈M，使得薄壁金属件在焊接时，不管是搅拌头前进侧焊接，还是后退侧焊接，均能在其焊接区域能够产生均匀的高频振动，并且高频感应加热线圈M的高温作用下，更加有利于焊接区金属塑性变形与流动，可以提高焊件底部的金属流动性，并且及时填充搅拌针后方的空腔，弥补弥散分布的空洞缺陷，有利于焊缝组织晶粒细化，使焊缝组织更加均匀，降低了材料塑性变形抗力，减小了搅拌头损耗，提高了薄壁金属件的焊接质量。

本发明的薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接方法，在上述焊接装置的基础上，合理地调整脉动磁场发生器的位置，并且控制其工作时机，实现了其与搅拌头合理配合后对薄壁金属件的焊接，提高了薄壁金属件的焊接质量。

综上所述，本发明的磁力振动搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法，工艺简单、成本低廉、焊接效率高、安全性高、可延长搅拌头使用寿命，可以保证薄壁金属件焊接周向的温度均匀性以及脉动磁场的均匀性，以能使焊缝组织晶粒均匀细化，显著薄壁金属件的焊接性能。本焊接方法可以进行连续操作，有望制备出长尺寸的待焊工件，提高薄壁金属件焊接成材率。

附图说明

图1为薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置的结构示意图；

图2为脉动磁场发生器2与搅拌头3的连接结构图；

图3为脉动磁场发生器2的爆炸图；

图4为脉动磁场发生器2的电路连接图；

图5为脉动磁场发生器2的内部线圈结构图；

其中：1-薄壁金属件，2-脉动磁场发生器，201-高频感应加热线圈M，2011-铜制绕线，2012-绝缘层；202-三相线圈模块，203-壳体，204-盖片，205-周向感应线圈；

3-搅拌头，4-旋转电机主轴，5-焊接装置壳体，6-垂直伸缩式工作台，7-装夹装置，8-固定旋钮，9-ER配套筒夹，10-可调节连接杆，11-振动计，12-红外测温仪。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组合或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，本发明实施例的描述过程中，所有图中的“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等器件位置关系，均以图1为标准。

如图1所示，一种薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置，通过旋转电机主轴4驱动的搅拌头3，

所述摩擦焊接装置还具有固定在搅拌头3上的脉动磁场发生器2；

所述脉动磁场发生器2，朝向待焊接薄壁金属件1的端部设有高频感应线加热线圈M201和三相线圈模块202，以为薄壁金属件1焊接区域加热及提供高频振动磁场；

所述三相线圈模块202，具有相位依次相差120°的三个独立供电电源A、B、C，而且所述A、B、C的三相电源之间相序和频率可调，具体来说，如图2所示的脉动磁场发生器2与搅拌头3的连接结构图，薄壁金属周向振动力来源于设置于后退侧上方的三相线圈模块202的三个电源A、B、C和搅拌头前方的高频感应加热线圈M 201，该三相线圈模块202产生指向后退侧金属的脉动磁场分量，该脉动磁场相对后退侧金属来回切割作用，使该区产生高频振动，同时在搅拌头前方的高频感应加热线圈M201的作用下，更加有利于后退侧金属塑性变形与流动。具体实施过程中，如图5所示，高频感应加热线圈M201由铜制线圈2011外侧报过绝缘层2012螺栓弯曲支撑。

如图1所示，待焊接薄壁金属件1通过装夹装置7装夹夹紧在垂直伸缩式工作台6上，以保证其具有更好的焊接稳定性。此外，还能看出可调节连接杆10一端通过固定旋钮8固定在焊接装置壳体5上，另一端固定在所述脉动磁场发生器2，以方便调整脉动磁场发生器2相对于垂直伸缩式工作台6的位置。除了该实施方式，可调节连接杆10的顶部还可以固定在周围其他设备或者支架上，只要能实现调整脉动磁场发生器2相对于垂直伸缩式工作台6的位置即可。旋转电机主轴4通过ER配套筒夹9固定连接搅拌头3和焊接装置壳体，从而锁紧搅拌头3和旋转电机主轴4，保证其工作的稳定性能。

从图1中还能看出来，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述摩擦焊接装置，还具有连接旋转电机主轴4的焊接装置壳体5，和装夹待焊接薄壁金属件1的垂直伸缩式工作台6；

并且所述脉动磁场发生器2，通过可调节连接杆10连接在焊接装置壳体5上，可以调整固定姿态，但是其不随搅拌头3转动，以使其相对于垂直伸缩式工作台6上的焊接薄壁金属件1的相对距离L可调地设置，从而更佳有利于调整待焊接薄壁金属件1与脉动磁场发生器2之间的距离，以调整合适的脉动磁场以及加热温度，有利于薄壁金属件1的焊接。

结合图2和图3所示，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述脉动磁场发生器2，其壳体203内还设有周向感应线圈205，所述周向感应线圈205与搅拌头3静止时的倾斜成0~15°，进一步增强脉动磁场发生器2产生的磁场以及热场对薄壁金属件1焊接过程中产生的利好的效果。

图3所示，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述高频感应线加热线圈M201和三相线圈模块202分别通过盖片204封装在壳体203靠近薄壁金属件1的端部，从而增强其检测性能和精准程度。

更优的实施方式详见图1，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述垂直伸缩式工作台6朝向搅拌头3的位置处还设置有振动计11，以实时反馈磁力振动头产生的振动情况。

更佳的实施方式是，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述三相线圈模块202的三个电源还分别连接调频器，以调整脉动磁场发生器2对三个电源A、B、C施加的频率；

图4为三相线圈模块202的三个电源A、B、C及三相电压型桥式逆变电路（右）的连接图,用于实现对A、B、C的三相电源之间相序和频率可调。逆变电路由导电角度为180°的三个桥臂组成，同一相上下两个桥臂交替导电，各相的导电角度相差120°。即同一时刻IGBT开关K1、K3、K6导通，其余关断，下一时刻IGBT开关K3、K5、K2导通，导电角度再次延迟120°后，IGBT开关K5、K1、K4导通，如此循环，产生频率可控的三相交流电。交流电通入三相电机后将产生旋转磁场切割转子绕组，从而产生感应电流，载流的转子导体在定子旋转磁场的作用下将产生电磁力，从而形成电磁转矩驱动电机旋转，电机转速与频率正相关。 所述高频感应线加热线圈M201连接调功器，以调节其电流，具体调节方法是，在焊接过程中，脉动磁场发生器2根据振动计11反馈的振动值进行调整：

当振动计11接收到的振动强度值低于预期值时，通过调功器增大输出高频感应线加热线圈M上的电流，或者用调频器增大电源A、B、C的频率，或者将两种方式组合使用；

当振动计11接收到的振动强度值高于预期值时，可以通过调功器减小输出至高频感应线加热线圈M上的电流，或者用调频器减小至电源A、B、C上的频率，或者将两种方式组合；实现对感应旋转磁场旋转频率和磁感应强度大小的控制，从电路图中也能看出来，可产生不同的辅热活化力设电磁切割频率，以产生不同的辅热活化力和薄壁金属件塑形变形力，以确保焊接处能够获得更好的变形以及材料流动，提高焊接质量。

从图1中还能看出，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述垂直伸缩式工作台6，朝向薄壁金属件1的位置处还设置有两台红外测温仪12，以预定的频率扫描测薄壁金属件焊接区域的温度，实时记录并反馈焊接区域温度情况，从而保证薄壁金属件1焊接区域内的稳定均匀性，超过预定温度报警，进一步提高薄壁金属件1焊接区域内的焊疤均匀性以及外观完好性。

更佳的实施方式是，当磁力振动搅拌摩擦焊接装置的两台所述红外测温仪12测出的温差小于10℃，则取平均值反馈；

当采集的有效温度与预期温度值差值较大，设备将搅拌头3及时沿着垂直于薄壁金属件1方向抬起，回归初始工作点后，搅拌头3停止旋转，设备进入待机状态，从而更好地控制薄壁金属件焊接区域的良好以及完美性能。

更优的实施方案是，磁力振动搅拌摩擦焊接装置的所述脉动磁场发生器2的三个电源A、B、C 按照“A-B-C-停-A-C-B-停”的通电顺序进行，并且其上所施加的频率为所述搅拌头3旋转频率的2倍及其以上，焊接时在后退侧和搅拌头3前方分别施加脉动电磁力和高频感应线加热线圈M产生的活化力，更加有利于焊接区金属塑性变形与流动，可以提高焊件底部的金属流动性，并且及时填充搅拌针后方的空腔，弥补弥散分布的空洞缺陷，有利于焊缝组织晶粒细化，使焊缝组织更加均匀，降低材料塑性变形抗力，减小搅拌头损耗，提高焊接质量。

一种薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接方法，从图1中可以看出，

基于上述的薄壁金属选区磁力振动搅拌摩擦焊接装置，包括如下步骤：

a.根据搅拌头3的尺寸和待焊接板材1的厚度，调整可调节连接杆10的长短，以固定脉动磁场发生器2的位置；该步骤的目的只要能够调整脉动磁场发生2的位置即可；

b.搅拌头3开始旋转，并沿着垂直伸缩式工作台6方向移动靠近待焊接板材1的0.8-2cm处悬停；5s后搅拌头3垂直扎入待焊接的薄壁金属件1中，开始焊接；步骤a和步骤b是为了进行焊接前的准备，以保证薄壁金属件1在焊接过程中与搅拌头3具有良好的接触性能。

c.脉动磁场发生器2开始通电工作；

高频感应加热线圈M201首先开始搅拌摩擦焊接预热过程，调节三相线圈模块202的三个电源A、B、C的相序和频率进行焊接，实现对薄壁金属件1的焊接。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。