CN116140789A - 一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法，所述回填式搅拌摩擦点焊设备包括搅拌针、压紧套、回填套筒，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动。该设备能够用于制备无匙孔、力学性能更佳的搭接接头。

Description

一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法

技术领域

本发明属于加工制造领域，具体涉及一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法。

背景技术

随着社会对节能环保的日益重视，轻量化设计成为了航空航天、汽车、动车等工业领域的研究热点和发展方向。采用轻金属合金（如铝合金、镁合金）代替传统的钢材料是实现轻量化的有效措施。传统的点连接方法（如电阻点焊、铆接）存在焊接质量不佳、消耗能源多以及构件增重等缺点，制约了轻合金在工业领域的应用。因此，现有技术中采用搅拌摩擦点焊用于轻合金点焊。

搅拌摩擦点焊技术是在搅拌摩擦焊技术的基础上衍生而来的一种适用于轻金属合金连接的新型的固相点焊技术。采用搅拌摩擦点焊技术可以形成类似电阻点焊和铆接的搭接接头，并且具有接头质量高，焊接质量稳定，变形小以及高效节能等优点。但是，对于现有技术中采用的搅拌摩擦点焊而言，由于搅拌针外圆部分线速度较大，但搅拌针中心区域的线速速度小，甚至为零。这将造成工件与搅拌针边缘区域接触的部分所受摩擦力大，温度高；搅拌针中心区域接触的部分所受摩擦力小，温度低。因此容易在焊点中心残留一个匙孔，这会影响焊点的力学性能和外观。同时，受搅拌针的特殊结构和运动方式的限制，焊点中心的材料流动速度往往较低，从而导致晶粒较粗大、连接韧带与母材混合不充分等现象。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法，该设备能够用于制备无匙孔、力学性能更佳的搭接接头。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种回填式搅拌摩擦点焊设备，包括由搅拌针、压紧套组成的搅拌头，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动；

所述回填式搅拌摩擦点焊设备还包括与所述搅拌针配合使用的回填套筒，所述回填套筒套设于所述搅拌针外周，并与所述容纳槽配合使用；其中，所述回填套筒包括依次设置的回填指、连接段和驱动段；所述驱动段与所述驱动装置连接，以带动所述回填套筒相对于所述搅拌针轴向移动；所述回填指滑动配合在所述容纳槽中，并且所述回填指的横截面形状与所述容纳槽的横截面形状相适配；当所述搅拌针回撤的同时，所述回填套筒沿轴向移动，以将所述容纳槽中的材料挤压至焊接表面。

优选地，所述工作段底部具备工作表面，在所述工作表面上设置有若干引导凹槽，所述引导凹槽与所述容纳槽之间一一对应设置，并且所述引导凹槽与所述容纳槽之间设置有引导面。

优选地，所述容纳槽的宽度W与所述工作段的外周面宽度L之比为0.25~0.3；所述容纳槽的深度D与所述容纳槽的宽度W之比为0.4~0.5，且所述容纳槽的底部距离所述工作段中心的距离S与所述容纳槽的深度D之比大于等于2；所述引导凹槽的宽度H与所述容纳槽的宽度W之比小于等于0.25。

一种采用上述回填式搅拌摩擦点焊设备的焊接方法，包括如下步骤：

步骤1：将待焊接的工件上板和工件下板搭接好，并放置于所述回填式搅拌摩擦点焊设备下方后，所述驱动装置控制所述压紧套抵靠在所述工件上板表面且保持固定不动；

步骤2：所述驱动装置控制所述搅拌针轴向移动至与所述工件上板表面抵接后，控制所述搅拌针沿所述压紧套的所述方孔内周先做低速的偏心旋转运动，使所述搅拌针预热，所述搅拌针的转速控制为80rpm ~120rpm，预热时间控制为50秒~80秒；

步骤3、所述搅拌针预热完成后，控制所述搅拌针做高速的偏心旋转运动，使得焊接区域的材料达到塑性变形，所述搅拌针的转速控制为1400rpm~1600rpm，旋转时间控制为180秒~200秒；

步骤4：在工件的焊接区域塑性变形后，使所述压紧套以不小于20kN的下压力压紧所述工件上板和所述工件下板，以防止材料溢出；

步骤5：控制所述搅拌针保持步骤3中的转速旋转的同时，使所述搅拌针以1mm/min～5mm/min的轴向进给速度下移，当所述搅拌针穿透所述工件上板并***所述工件下板达到指定加工深度后，所述搅拌针沿反方向回撤，回撤速度与下移时的轴向进给速度相同；与此同时，控制所述回填套筒沿轴向进给，以将所述容纳槽中的材料挤压至焊接表面；所述回填套筒的进给速度控制为：当所述搅拌针回撤至与所述工件上板的表面持平时，所述回填套筒与所述搅拌针的所述工作表面持平；

步骤6：当所述回填套筒与所述搅拌针的所述工作表面持平后，控制所述搅拌针继续保持步骤3中的旋转速度，旋转时间控制为1min～2min；

步骤7：将所述搅拌针的转速逐渐降低至10rpm~50rpm后，控制旋转的所述搅拌针和所述回填套筒一起下压，使工件焊接部位表面成型平整。

与现有技术相比，本发明提供的一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法具备如下有益的技术效果：

1、本发明提供的回填式搅拌摩擦点焊设备，搅拌针工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，因此当驱动搅拌针在方孔内转动时，搅拌针的中心做偏心旋转运动，避免了中心处旋转速度小，甚至为零的情况，使得焊接区域的工件温度更为均匀，显著提高了焊接处材料的力学性能。同时，在工作段上设置有若干容纳槽，为焊接过程中的焊接材料提供容纳空间。当搅拌针在压紧套内做偏心旋转运动时，容纳槽能够容纳因搅拌针偏心旋转运动而被挤出的焊接材料，保证了焊接过程安全。

2、同时，通过在搅拌针外侧套接回填套筒，使回填指的横截面形状与容纳槽的横截面形状相适配，并且回填套筒上的回填指与容纳槽滑动配合。在焊接过程中，当搅拌针回撤的同时，控制回填套筒沿轴向移动，以将容纳槽中的材料挤压至焊接表面，由此避免了搅拌针上残留焊接材料，使所有焊接材料均能回填至接头，保证焊接表面完整性。

3、本发明还在搅拌针的工作表面设置了与容纳槽连通的引导凹槽，使得焊接过程中焊接材料能够稳定地被引导至容纳槽，进一步提高了设备的安全性能。而特别设置的容纳槽和引导凹槽的尺寸，一方面能够保证工作表面具备足够的工作面积参与摩擦焊接，另一方面能有效引导焊接材料进入容纳槽。

4、本发明提供的回填式搅拌摩擦点焊设备结构简单有效，仅需要简单的驱动装置即可实现搅拌摩擦焊接，并使焊接区域的工件温度更均匀。

附图说明

图1为回填式搅拌摩擦点焊设备的结构示意图；

图2为回填式搅拌摩擦点焊设备的俯视图；

图3为搅拌针的结构示意图；

图4为搅拌针的侧视图；

图5为回填套筒的结构示意图。

其中，图中标注符号的含义如下：

1、搅拌针；2、压紧套；3、回填套筒；4、工件上板；5、工件下板；11、工作段；12、传动段；13、容纳槽；14、工作表面；15、引导面；16、引导凹槽；21、方孔；31、回填指；32、连接段；33、驱动段；34、通孔。

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，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

因此，以下对本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语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装置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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

如附图1-附图5所示，本发明首先提供了一种回填式搅拌摩擦点焊设备，该设备包括由搅拌针1、压紧套2组成的搅拌头，搅拌针1转动安装在压紧套2内；其中，该搅拌针1包括用于摩擦焊接的工作段11和用于传递旋转动力的传动段12，传动段12与驱动装置（图中未示出）传动连接，工作段11与待焊接工件抵接；工作段11的外周面截面形状为勒洛三角形，沿工作段11的外周面轴向设置有若干容纳槽13；压紧套2与待焊接工件抵接，其内设置有与工作段11的外周面适配的方孔21，搅拌针1在方孔21内做偏心旋转运动。

工作时，压紧套2抵靠在工件上板4表面且保持固定不动，驱动装置带动搅拌针1在工件上板4表面旋转，利用搅拌针1与工件上板4摩擦产生的热量使材料达到热塑性状态，然后通过控制搅拌针1在旋转运动的同时进行轴向运动，使热塑性材料在机械力作用下发生塑性变形，将工件上板4和工件下板5之间原始的搭接界面充分混合，并在搅拌针1回撤的同时填充至焊接过程中形成的退让空间，从而形成无匙孔的焊点。

现有技术中，搅拌针外圆部分线速度较大，但搅拌针中心区域线速度小，甚至为零。这将造成工件与搅拌针边缘区域接触的部分所受摩擦力大，温度高；搅拌针中心区域接触的部分所受摩擦力小，温度低。工件不同部位温度差异较大将明显降低焊点处的力学性能。为此，本发明提供了上述回填式搅拌摩擦点焊设备，搅拌针工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，因此当驱动搅拌针在方孔内转动时，搅拌针的中心做偏心旋转运动，避免了中心处旋转速度小，甚至为零的情况，使得焊接区域的工件温度更为均匀，显著提高了焊接处材料的力学性能。同时，在工作段上设置有若干容纳槽，为焊接过程中的焊接材料提供容纳空间。当搅拌针在压紧套内做偏心旋转运动时，容纳槽能够容纳因搅拌针偏心旋转运动而被挤出的焊接材料，保证了焊接过程安全。

优选地，该设备还包括与搅拌针1配合使用的回填套筒3，回填套筒3套设于搅拌针1外周，并与容纳槽13配合使用。其中，回填套筒3包括依次设置的回填指31、连接段32和驱动段33，在连接段32和驱动段33中设置有通孔34，连接段32和驱动段33套接在传动段12外周。驱动段33与驱动装置（图中未示出）连接，以带动回填套筒3相对于搅拌针1轴向移动；回填指31滑动配合在容纳槽13中，并且回填指31的横截面形状与容纳槽13的横截面形状相适配。当搅拌针1回撤的同时，回填套筒3沿轴向移动，以将容纳槽13中的材料挤压至焊接表面。

根据上述实施方式，通过在搅拌针外侧套接回填套筒，使回填指的横截面形状与容纳槽的横截面形状相适配，并且回填套筒上的回填指与容纳槽滑动配合。在焊接过程中，当搅拌针回撤的同时，控制回填套筒沿轴向移动，以将容纳槽中的材料挤压至焊接表面，由此避免了搅拌针上残留焊接材料，使所有焊接材料均能回填至接头，保证焊接表面完整性。

优选地，工作段11底部具备工作表面14，在工作表面14上设置有若干引导凹槽16，引导凹槽16与容纳槽13之间一一对应设置，并且引导凹槽16与容纳槽13之间设置有引导面15。

为了保证在摩擦焊接的过程中，焊接位置的材料能够有效流动至工作段的容纳槽处，在搅拌针的工作表面设置了与容纳槽连通的引导凹槽，使得焊接过程中的焊接材料能够稳定地被引导至容纳槽，进一步提高了装置的安全性能。

优选地，容纳槽13的宽度W与工作段11的外周面宽度L之比为0.25~0.3；容纳槽13的深度D与容纳槽13的宽度W之比为0.4~0.5，且容纳槽13的底部距离工作段11中心的距离S与容纳槽13的深度D之比大于等于2；引导凹槽16的宽度H与容纳槽13的宽度W之比小于等于0.25。

根据上述优选实施方式，在保证了工作表面具备足够的工作面积参与摩擦焊接的同时，还能使得焊接材料能够有效流动至容纳槽，保证焊接过程安全可靠。

实施例二

本发明还针对回填式搅拌摩擦点焊设备提供了一种焊接方法，包括如下步骤：

步骤1：将待焊接的工件上板4和工件下板5搭接好，并放置于回填式搅拌摩擦点焊设备下方后，驱动装置控制压紧套2抵靠在工件上板4表面且保持固定不动；

步骤2：驱动装置控制搅拌针1轴向移动至与工件上板4表面抵接后，控制搅拌针1沿压紧套2的方孔21内周先做低速的偏心旋转运动，使搅拌针1预热，搅拌针1的转速控制为80rpm ~120rpm，预热时间控制为50秒~80秒；

步骤3、搅拌针1预热完成后，控制搅拌针1做高速的偏心旋转运动，使得焊接区域的材料达到塑性变形，搅拌针1的转速控制为1400rpm~1600rpm，旋转时间控制为180秒~200秒；

步骤4：在工件的焊接区域塑性变形后，使压紧套2以不小于20kN的下压力压紧工件上板4和工件下板5，以防止材料溢出；

步骤5：控制搅拌针1保持步骤3中的转速旋转的同时，使搅拌针1以1mm/min～5mm/min的轴向进给速度下移，当搅拌针1穿透工件上板4并***工件下板5达到指定加工深度后，搅拌针1沿反方向回撤，回撤速度与下移时的轴向进给速度相同；与此同时，控制回填套筒3沿轴向进给，以将容纳槽13中的材料挤压至焊接表面；回填套筒3的进给速度控制为：当搅拌针1回撤至与工件上板4的表面持平时，回填套筒3与搅拌针1的工作表面14持平；

步骤6：当回填套筒3与搅拌针1的工作表面14持平后，控制搅拌针1继续保持步骤3中的旋转速度，旋转时间控制为1min～2min；

步骤7：将搅拌针1的转速逐渐降低至10rpm~50rpm后，控制旋转的搅拌针1和回填套筒3一起下压，使工件焊接部位表面成型平整。

根据上述实施例二，采用本发明提供的回填式搅拌摩擦点焊设备进行工件焊接，不会存在中心旋转速度过低，甚至为零的情况，有效避免了现有技术中存在的缺陷，显著提高了焊接点的力学性能。同时，保证了焊接部位材料的充分流动，提高了焊接部位的整体质量。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：包括由搅拌针、压紧套组成的搅拌头，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动；

所述回填式搅拌摩擦点焊设备还包括与所述搅拌针配合使用的回填套筒，所述回填套筒套设于所述搅拌针外周，并与所述容纳槽配合使用；其中，所述回填套筒包括依次设置的回填指、连接段和驱动段；所述驱动段与所述驱动装置连接，以带动所述回填套筒相对于所述搅拌针轴向移动；所述回填指滑动配合在所述容纳槽中，并且所述回填指的横截面形状与所述容纳槽的横截面形状相适配；当所述搅拌针回撤的同时，所述回填套筒沿轴向移动，以将所述容纳槽中的材料挤压至焊接表面。

2.如权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述工作段底部具备工作表面，在所述工作表面上设置有若干引导凹槽，所述引导凹槽与所述容纳槽之间一一对应设置。

3.如权利要求2所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述引导凹槽与所述容纳槽之间设置有引导面。

4.如权利要求3所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述容纳槽的宽度W与所述工作段的外周面宽度L之比为0.25~0.3。

5.如权利要求4所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述容纳槽的深度D与所述容纳槽的宽度W之比为0.4~0.5，且所述容纳槽的底部距离所述工作段中心的距离S与所述容纳槽的深度D之比大于等于2。

6.如权利要求5所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述引导凹槽的宽度H与所述容纳槽的宽度W之比小于等于0.25。

7.一种采用如权利要求6所述的回填式搅拌摩擦点焊设备的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：将待焊接的工件上板和工件下板搭接好，并放置于所述回填式搅拌摩擦点焊设备下方后，所述驱动装置控制所述压紧套抵靠在所述工件上板表面且保持固定不动；

步骤2：所述驱动装置控制所述搅拌针轴向移动至与所述工件上板表面抵接后，控制所述搅拌针沿所述压紧套的所述方孔内周先做低速的偏心旋转运动，使所述搅拌针预热，所述搅拌针的转速控制为80rpm ~120rpm，预热时间控制为50秒~80秒；

步骤3、所述搅拌针预热完成后，控制所述搅拌针做高速的偏心旋转运动，使得焊接区域的材料达到塑性变形，所述搅拌针的转速控制为1400rpm~1600rpm，旋转时间控制为180秒~200秒；

步骤4：在工件的焊接区域塑性变形后，使所述压紧套以不小于20kN的下压力压紧所述工件上板和所述工件下板，以防止材料溢出；

步骤5：控制所述搅拌针保持步骤3中的转速旋转的同时，使所述搅拌针以1mm/min～5mm/min的轴向进给速度下移，当所述搅拌针穿透所述工件上板并***所述工件下板达到指定加工深度后，所述搅拌针沿反方向回撤，回撤速度与下移时的轴向进给速度相同；与此同时，控制所述回填套筒沿轴向进给，以将所述容纳槽中的材料挤压至焊接表面；所述回填套筒的进给速度控制为：当所述搅拌针回撤至与所述工件上板的表面持平时，所述回填套筒与所述搅拌针的所述工作表面持平；

步骤6：当所述回填套筒与所述搅拌针的所述工作表面持平后，控制所述搅拌针继续保持步骤3中的旋转速度，旋转时间控制为1min～2min；

步骤7：将所述搅拌针的转速逐渐降低至10rpm~50rpm后，控制旋转的所述搅拌针和所述回填套筒一起下压，使工件焊接部位表面成型平整。

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