一种电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接方法及装置与流程

1.本发明属于空间焊接领域，具体涉及一种空间站在轨用电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接方法及其装置。


背景技术：

2.搅拌摩擦焊接的过程是，搅拌头高速旋转，缓慢插入被焊工件的待焊接处，搅拌针与被焊材料因摩擦剪切阻力产生摩擦热，使得焊接区域材料塑化，搅拌头沿待焊接面移动，热塑化材料由搅拌头前部向后部移动，在搅拌头轴肩或静轴肩的锻造作用下，实现待焊接件固相连接，具有能量利用率高、重力对焊接过程无影响、工艺过程绿色高效等特点，可应用于空间站微重力环境的飞行器损伤修复、空间组装等领域。然而常规搅拌焊装备尺寸大，焊接作用力大，受空间站微重力、操作空间小及焊机最大功率供给限制等约束难以应用，需开展适用于便携式搅拌焊装备的低作用力新型搅拌焊接方法。
3.一种等离子弧-搅拌摩擦复合焊接方法如专利cn 1714983a所述，该方法通过等离子枪形成的等离子弧产生的热量使待焊工件在搅拌头经过之前得到充分预热软化，焊接区域在摩擦热和等离子弧辅助热共同作用下塑化形成焊缝，从而降低焊接作用力。这种方法存在液态金属熔凝过程，等离子弧形成的金属蒸汽等会污染空间站环境。
4.另一种电阻热辅助搅拌摩擦焊方法如专利ep1430986所述，该方法通过连接搅拌头和工件形成回路并通以大电流，利用电流流经待焊区域的电阻热预热软化材料，从而降低焊接作用力。这种方法电阻热产热效率较低，通常需要大功率电源，同时需要连接空间站等结构形成回路，易造成舱体精密仪器损坏。
5.另一种感应加热复合搅拌焊接方法如专利wo9939861所述，该方法利用搅拌头前方的感应线圈加热软化待焊材料，该方法具有明显缺点，感应线圈与搅拌工具并排造成工具头尺寸较大，感应热不可避免造成搅拌工具及被焊工件较大范围被加热，降低工具使用寿命，并造成功率损耗，此外，感应磁场发散在空间中还会对较大范围内工作仪器造成磁场干扰。


技术实现要素：

6.本发明针对常规搅拌焊装备尺寸大，焊接作用力大，受空间站微重力、操作空间小及焊机最大功率供给限制等约束难以应用问题，提出了一种空间站在轨用电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接方法，技术方案如下：
7.采用同轴电磁感应加热作为焊接过程辅助热源，感应线圈通电形成感应磁场，加热待焊区域焊缝区并使其软化，处于感应线圈中间的搅拌头旋转并沿焊缝扎入工件至轴肩与待焊件紧密接触，焊缝区在搅拌头产生的摩擦热和感应线圈产生的感应热共同作用下塑化，搅拌工具沿焊缝前进，实现待焊件连接成形。
8.进一步地，通过u型截面导磁罩壳约束感应线圈磁力线仅使其穿过感应线圈下方待焊件区域，并通过非导磁屏蔽外壳进一步阻断磁力线，防止其加热搅拌工具，并避免在空
间站造成磁场干扰。
9.进一步地，待焊工件材料为金属材料。
10.进一步地，待焊工件焊缝区的预热温度比其熔点低200℃以上。
11.本发明还提供了一种空间站在轨用电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接装备，感应加热采用高频感应加热系统，其输出功率0～100％连续可调，可进行恒温控制。
12.进一步地，预热温度通过红外测温探头检测并反馈高频感应加热系统。
13.本发明方法利用感应热复合搅拌头产生的摩擦热，能够大幅降低焊接过程作用力，感应线圈与搅拌工具同轴设计结构紧凑，从而降低对设备所需功率和装备尺寸的要求，同时采用磁约束与磁屏蔽双层罩壳，缩小加热区域并避免磁场干扰，可应用于便携式搅拌焊装备，实现空间站在轨维修与结构组装成形。
附图说明
14.图1是动轴肩电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接方法原理图，图中编号含义分别为1、搅拌工具，2、非导磁屏蔽外壳，3、导磁罩壳，4、感应线圈，5、焊核区，6、热机影响区，7、待焊件；
15.图2是动轴肩电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接装置示意图，图中编号含义分别为1、搅拌工具，2、非导磁屏蔽外壳，3、导磁罩壳，4、感应线圈；
16.图3是静轴肩电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接方法原理图，图中编号含义分别为1、搅拌工具，2、非导磁屏蔽外壳，3、导磁罩壳，4、感应线圈，5、焊核区，6、热机影响区，7、待焊件，8、静轴肩；
17.图4是静轴肩电磁感应同轴辅助加热搅拌摩擦焊接装置示意图，图中编号含义分别为1、搅拌工具，2、非导磁屏蔽外壳，3、导磁罩壳，4、感应线圈，8、静轴肩；
18.图5是静轴肩结构示意图；
19.图6是空间大型天线结构组装过程示意图，图中编号含义分别为9、节点，10、杆，11、焊缝，12、大型天线结构单胞。
具体实施方式
20.本发明采用电磁感应加热作为焊接过程辅助热源，感应线圈通电形成感应磁场，通过u型截面导磁罩壳约束磁力线仅使其穿过感应线圈下方待焊件，并通过非导磁屏蔽外壳进一步阻断磁力线，防止其加热搅拌工具，并避免在空间站造成磁场干扰，待焊件在磁力线穿过区域形成涡流，经加热并软化，处于感应线圈中间的搅拌头高速旋转并沿待焊件的对接面扎入工件至轴肩与待焊件紧密接触，焊接区域在搅拌头产生的摩擦热和感应线圈产生的感应热共同作用下塑化，搅拌工具与待焊件相对移动形成焊缝，实现待焊件连接成形。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
21.实施例一：
22.如图1、图2所示，本实施例采用铝合金板材作为待焊件7，按照如下步骤对工件进行焊接：感应线圈4与搅拌工具1同轴设置，感应线圈4外侧罩u形截面的导磁罩壳3，感应线圈4和导磁罩壳3固定于非导磁屏蔽外壳2内，非导磁屏蔽外壳2安装在搅拌焊接装备上，感应线圈4通电流形成感应磁场，通过u型截面导磁罩壳3约束磁力线仅使其穿过感应线圈下
方待焊件7，并通过非导磁屏蔽外壳2进一步阻断磁力线，防止其加热搅拌工具1，并避免在空间站造成磁场干扰，待焊件7在磁力线穿过区域形成涡流，经加热并软化，处于感应线圈中间的搅拌工具1高速旋转并沿待焊件7的对接面扎入至轴肩与待焊件7上表面紧密接触，焊接区域在搅拌工具1产生的摩擦热和感应线圈2产生的感应热共同作用下塑化，形成焊核区5和热机影响区6，并在待焊件7上形成一定范围的热影响区，搅拌工具1与待焊件7相对移动形成焊缝，实现待焊件7连接成形。
23.此外，本实施方式的辅助加热温度通过红外测温探头检测并反馈至高频感应加热系统进行控制，通过控制输出功率以及加热时间等实现加热温度控制，待焊件7被感应加热区域的温度比其熔点低200℃以上。
24.本实施方式可应用于板件对接拼焊或者裂缝修补。
25.实施例二：
26.本实施例采用铝合金管材为被焊材料，进行空间大型天线结构焊接组装，按照如下步骤对工件进行焊接：如图6步骤一所示，将节点9和杆10对接组装，如图3、图4所示，感应线圈4与搅拌工具1同轴设置，搅拌工具1与静轴肩8紧密配合，静轴肩8轴肩外形与被焊管材外径匹配(如图5所示)，感应线圈4外侧罩u形截面的导磁罩壳3，感应线圈4和导磁罩壳3固定于非导磁屏蔽外壳2内，非导磁屏蔽外壳2安装在搅拌焊接装备上，感应线圈4通电流形成感应磁场，通过u型截面导磁罩壳3约束磁力线仅使其穿过感应线圈下方待焊件7，并通过非导磁屏蔽外壳2进一步阻断磁力线，防止其加热搅拌工具1和静轴肩8，并避免在空间站造成磁场干扰，待焊件7在磁力线穿过区域形成涡流，经加热并软化，搅拌工具1高速旋转并沿待焊件7的对接面扎入至静轴肩8与待焊件7上表面紧密接触，焊接区域在搅拌工具1产生的摩擦热和感应线圈2产生的感应热共同作用下塑化，静轴肩8约束塑化材料，形成焊核区5和热机影响区6，并在待焊件7上形成一定范围的热影响区，待焊件7以一定角速度旋转与静轴肩8形成相对运动完成焊缝11，完成图6步骤二。重复上述过程完成其余杆10与节点9焊接，形成空间大型天线结构单胞12，如图6步骤三。
27.本实施方式可应用于杆件对接焊，用于实施大型天线结构等焊接组装。
28.需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。