一种无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置及方法技术领域
本发明属于焊接领域，涉及电焦耳效应和回轴式搅拌针，尤其涉及一种无匙孔搅
拌摩擦焊厚板的装置及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)1991年
发明的一种固相焊接方法。由于其焊接温度低，被焊材料未熔化，故搅拌摩擦焊缝中不仅没
有熔焊缺陷，且无飞溅、无烟尘、无辐射、不需要保护气体、不需要填充焊丝、不需要清渣、变
形和应力小，是一种绿色环保低能耗的新型焊接技术。经过20多年的发展，搅拌摩擦焊已在
越来越多领域推广应用，可以成功焊接铝合金、镁合金、铜合金、钛合金、铅合金、不锈钢、塑
料等材料。但是实践证明，将搅拌摩擦焊应用于工程焊接，还有许多难题需要解决，特别是
搅拌头提供的摩擦热有限，摩擦焊接区温度场呈现“上高下低”的浅漏斗状，在焊缝根部易
出现弱连接、未焊透等缺陷，故难于焊接铝、镁合金等厚板；焊接结束，随着搅拌针的抽出会
产生匙孔缺陷；由于厚板焊接的阻力大，变形困难，使得搅拌头的磨损也比较严重。
搅拌摩擦焊接的原理为：将底板上的待连接工件通过夹具固定，防止工件在焊接
过程中错动。利用一个耐高温的硬质材料制成具有一定形状的搅拌工具，工具包括搅拌针、
轴肩和夹持杆。将搅拌针高速旋转插入被焊材料的连接处，搅拌针对材料进行强烈的搅拌
和混合，当轴肩紧密接触工件表面时，搅拌针停止向下插入，此时连接处不断产生的摩擦热
使连接部位材料温度升高形成塑性软化区，然后搅拌头沿焊缝向前直线移动，对材料进行
搅拌摩擦来完成焊接。在焊接过程中，搅拌头边高速旋转，边沿工件的连接部位与工件相对
移动，在搅拌针侧面和旋转方向产生的机械搅拌和顶锻作用下，软化层金属填充搅拌针后
方形成的空腔。搅拌针和轴肩摩擦接缝，破碎氧化膜，搅拌并重组搅拌针后方的磨碎材料。
轴肩进行摩擦产热,也用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作
用。搅拌针后方的材料冷却后形成焊缝。所以焊缝是在热、机联合作用下形成的固相连接。
通常，搅拌摩擦焊接内部的缺陷可以通过优化轴肩和搅拌针的几何形状与加工参
数来改善。但是，在搅拌摩擦焊接厚板过程中，轴肩与工件之间提供的摩擦热主要集中在工
件表面，难以达到焊缝根部，因此焊缝根部很难实现充分的塑性软化和流动，容易产生根部
缺陷，故难于焊接铝、镁合金等厚板，限制了搅拌摩擦焊在厚板连接中的广泛应用。目前，通
常采用焊后机加工或塞焊的方式消除匙孔，但效果都不够好，通过搅拌针的回抽则是一种
高效的匙孔消除技术。在现有技术中，有通过电阻丝、导热块装置对轴肩加热，将热量传给
待焊工件，但是热效率很低，且设备繁琐，不易于操作，可焊工件的厚度有限。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种可焊接铝、镁合金厚板的搅拌摩擦焊装置
和方法，即无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置及方法。本发明主要为待焊工件提供一套高效的
辅热系统，可以使被焊金属快速达到粘塑性状态，减轻搅拌头顶锻力，提高焊接速度，继而
提高了生产效率。还降低了厚板的根部缺陷，提高了接头质量，减轻了搅拌头的磨损，对于
铝、镁合金等厚板的连接有重要的应用价值；同时，利用搅拌头回抽，避免了搅拌摩擦焊匙
孔的出现，提高了搅拌摩擦焊产品的质量。
本发明采用的技术手段如下：
一种无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置，其特征在于，包括：
回抽式搅拌针系统，包括搅拌针固定座、设置在所述搅拌针固定座中心通孔上的
回抽式搅拌针和固定底板，所述回抽式搅拌针的下端工作面凸出于所述搅拌针固定座的下
端轴肩面，凸出长度与焊接工件厚度匹配，在所述搅拌针固定座下端的轴肩面圆周上均匀
设置有多个铬铜电极作为轴肩导电体，所述轴肩导电体随所述搅拌针固定座的内部形式设
置并延伸至所述搅拌针固定座的两侧壁端面；所述固定底板的上端面内嵌入有导电铜板，
当所述回抽式搅拌针完全插入工件，所述搅拌针固定座下端轴肩面与焊接工件紧密接触
后，闭合开关，所述轴肩导电体、所述焊接工件和所述导电铜板构成导电通路；
搅拌针回抽传动系统，包括搅拌针旋转座和设置在所述搅拌针旋转座中心通孔上
的通过电机转动控制的抽针主轴，所述搅拌针固定座和所述搅拌针旋转座之间设有绝缘板
且通过螺栓将三者紧固，实现所述回抽式搅拌针系统和所述搅拌针回抽传动系统的连接；
电刷系统，设置在所述搅拌针固定座的两侧壁端面上，包括导电碳刷、弹簧、弹簧
压盖、电刷盒、绝缘体和碳刷导线，所述导电碳刷与所述搅拌针固定座的两侧壁端面之间设
有导电铜套；
电阻辅热系统，所述固定底板内装有开关与电源的一极相连，所述碳刷导线与所
述电源的另一极相连，闭合开关通过电刷系统为电阻辅热系统提供电流。
进一步地，所述导电碳刷、所述螺栓和所述搅拌针旋转座外部均设有绝缘套。
本发明还公开了一种应用上述的无匙孔搅拌摩擦焊厚板的方法，其特征在于包括
如下步骤：
S1、将焊接工件放置在所述固定底板设置有导电铜板的位置上；
S2、回抽式搅拌针插入工件，并且所述轴肩导电体与所述焊接工件接触，通过施加
外部电源，闭合开关，所述轴肩导电体、所述焊接工件和所述导电铜板与所述电刷系统及外
部电源构成回路，依靠电焦耳效应产生足够的热量，提高所述焊接工件温度，促进材料的塑
性流动；
S3、随着所述焊接工件温度的提高，材料软化，增大材料粘塑性，让材料充分流动
实现所述回抽式搅拌针对所述焊接工件(铝、镁合金等厚板材料)的搅拌摩擦焊，显著的热
机作用，扩大材料再结晶区域，形成好的焊后组织；
S4、随着焊接即将结束，所述搅拌针回抽传动系统开始回抽上升，开始回抽位置到
完全回抽位置的距离为搅拌针回抽量的5-10倍，当轴肩端面离开工件后，辅热系统断开，最
终焊缝表面平齐，无匙孔。
本发明适用于因根部缺陷而难于进行连接的铝、镁合金等厚板；需要很大顶锻力、
需要便携的搅拌摩擦焊接设备；因较高的热输入和大的焊接作用力而磨损严重的搅拌头；
常规搅拌摩擦焊接结束有匙孔产生，本发明利用搅拌针回抽，避免匙孔产生。
本发明结构简单，控制精度高，成本低。即使在较冷的焊接条件下，使用小的旋转
速度比，铝、镁合金等厚板根部区域的温度也能达到很高。但电流并不是完全流过焊缝，有
部分通过搅拌头、搅拌针固定座及固定底板而散失，要适当增加电流进行补偿。
本发明使用外部电源提供电流，轴肩导电体、焊接工件和导电铜板与电刷系统及
施加外部电源构成回路，因焦耳效应产生热量，提高了该区域材料的粘塑性，可以实现对
铝、镁合金等厚板的搅拌摩擦焊接。同时，使用回抽式搅拌针，不会产生匙孔缺陷。回抽速度
与进给量可控制性好，回抽精度高，易于实现，操作简单，提高了搅拌摩擦焊接效率和产品
质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发
明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以
根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置的结构示意图。
图2为本发明的安装有铬铜电极的搅拌针固定座的端部示意图。
图中：1、固定底板；2、导电铜板；3、焊接工件；4、电刷盒；5、绝缘体；6、导电碳刷；7、
轴肩导电体；8、搅拌针旋转座；9、绝缘套；10、绝缘板；11、弹簧；12、碳刷导线；13、弹簧压盖；
14、导电铜套；15、搅拌针固定座；16、回抽式搅拌针；17、抽针主轴。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例
中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是
本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员
在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种无匙孔搅拌摩擦焊厚板的装置，包括：
回抽式搅拌针系统，包括搅拌针固定座15、设置在所述搅拌针固定座15中心通孔
上的回抽式搅拌针16和固定底板1，所述搅拌针固定座15为设置在下端的法兰，所述搅拌针
固定座15的下端为轴肩端面，回抽式搅拌针16设置在法兰的中心通孔内，所述回抽式搅拌
针16的下端工作面凸出于所述搅拌针固定座15的下端轴肩面，凸出长度与焊接工件3厚度
匹配，在所述搅拌针固定座15下端的轴肩面圆周上均匀设置有轴肩导电体7，所述轴肩导电
体7是在轴肩端面上嵌有由6个铬铜电极组成，且与轴肩平齐；所述轴肩导电体7随所述搅拌
针固定座15的内部形式设置并延伸至所述搅拌针固定座15的两侧壁端面，即图中所示的
“L”型分布，在下法兰两侧壁端面的铬铜电极与导电铜套14相连；所述固定底板1的上端面
内嵌入有导电铜板2(也为铬铜电极)，当所述回抽式搅拌针16完全插入工件，所述搅拌针固
定座15下端轴肩面与焊接工件3紧密接触后，所述轴肩导电体7、所述焊接工件3和所述导电
铜板2构成导电通路；
搅拌针回抽传动系统，包括搅拌针旋转座8和设置在所述搅拌针旋转座8中心通孔
上的通过电机转动控制的抽针主轴17，所述搅拌针旋转座8为设置在上端的法兰，上端法兰
带有花键槽和平键槽，花键下端通过花键轴承套与下端法兰连接，花键上安装所述抽针主
轴17；所述搅拌针固定座15和所述搅拌针旋转座8之间设有绝缘板10，上端法兰通过平键与
所述回抽式搅拌针16上部相连，所述上端法兰通过4个螺栓竖直向下穿过上端法兰、绝缘板
10、下端法兰而不穿出下端法兰，连接并紧固装置，实现所述可回抽式搅拌针系统和所述搅
拌针回抽传动系统的连接。
电刷系统，设置在所述搅拌针固定座15的两侧壁端面上，包括导电碳刷6、弹簧11、
弹簧压盖13、电刷盒4、绝缘体5和碳刷导线12，所述导电碳刷6与所述搅拌针固定座15的两
侧壁端面之间设有导电铜套14；所述导电碳刷6、所述螺栓和所述搅拌针旋转座8外部均设
有绝缘套。
电阻辅热系统，所述固定底板1内装有开关与电源的一极相连，所述碳刷导线12与
所述电源的另一极相连，闭合开关通过电刷系统为电阻辅热系统提供电流。
一种应用上述的无匙孔搅拌摩擦焊厚板的方法，包括如下步骤：
S1、将焊接工件3放置在所述固定底板1设置有导电铜板2的位置上；
S2、回抽式搅拌针16插入工件，并且所述轴肩导电体7与所述焊接工件3接触，通过
施加外部电源，闭合开关，所述轴肩导电体7、所述焊接工件3和所述导电铜板2与所述电刷
系统及施加外部电源构成回路，依靠电焦耳效应产生足够的热量，提高所述焊接工件3温
度；温度增量与材料密度、比热、电阻率，电流强度，通电时间，铬铜直径及散失热量的质量
有关。
S3、随着所述焊接工件3温度的提高，材料软化，增大材料粘塑性，让材料充分流动
实现所述回抽式搅拌针16对所述焊接工件3(铝、镁合金等厚板材料)的搅拌摩擦焊，显著的
热机作用，扩大材料再结晶区域，形成好的焊后组织；
S4、随着焊接即将结束，所述搅拌针回抽传动系统开始回抽上升，开始回抽位置到
完全回抽位置的距离为搅拌针回抽量的5-10倍，当轴肩端面离开工件后，辅热系统断开，最
终焊缝表面平齐，无匙孔。
实施例
对20mm厚AA2024-T3铝合金冷轧板进行对接。行进速度200mm/min,旋转速度
1100r/min，轴肩压下量0.2mm，进行未通入电流和通入电流强度60A两组搅拌摩擦焊接。通
入电流试样在焊接过程中的根部温度比未通入电流样品的根部温度增加了62℃。
对20mm厚AA6082-T6铝合金冷轧板进行对接。行进速度200mm/min，旋转速度
1200r/min，轴肩压下量0.2mm，进行未通入电流和通入电流强度90A两组搅拌摩擦焊接。通
入电流试样在焊接过程中的根部温度比未通入电流样品的根部温度增加了53℃。
对20mm厚AA7075-T6铝合金冷轧板进行对接。行进速度200mm/min，旋转速度
1200r/min，轴肩压下量0.2mm，进行未通入电流和通入电流强度80A两组搅拌摩擦焊接。通
入电流试样在焊接过程中的根部温度比未通入电流样品的根部温度增加了50℃。
由此可以看出，本发明明显增加了焊接热输入。对于回抽系统，抽针主轴通过电机
转动而旋转，抽针上端留有螺纹，安装滚珠丝杆螺母副，焊接快要结束时，通过电机可使抽
针在旋转的同时回抽向上直线运动，回抽进给量可精确到0.01mm。至焊接结束，不会出现匙
孔。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽
管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依
然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进
行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术
方案的范围。