CN101722360A

CN101722360A - 一种搅拌摩擦点焊方法

Info

Publication number: CN101722360A
Application number: CN200910273444A
Authority: CN
Inventors: 董仕节
Original assignee: Hubei University of Technology
Current assignee: Hubei University of Technology
Priority date: 2009-12-29
Filing date: 2009-12-29
Publication date: 2010-06-09

Abstract

一种搅拌摩擦点焊方法，采用搅拌头，从两面同时搅拌摩擦点焊加工；并且本发明的施焊部分主要包括四个部分，即上、下搅拌头和上、下轴肩；双面搅拌摩擦点焊过程的摩擦热及塑性变形能是从上下两面产生的；双面搅拌摩擦点焊技术上、下的搅拌头周围有可以自由旋转的轴肩，轴肩的旋转可以补充在双面搅拌摩擦点焊过程中搅拌头产生热量的不足。正是由于这些区别，不仅可以使焊接表面的压入坑和挤出物都减少一半而且使焊接过程的产热提高一倍，因而双面搅拌摩擦焊不仅可以克服单面搅拌摩擦点焊的缺点还可以提高生产率。

Description

一种搅拌摩擦点焊方法

技术领域

本发明涉及一种新的金属材料连接方法，尤其是金属材料之间的拌摩擦点焊方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，各种有色金属材料逐渐在汽车制造业得到了应用，但是有色金属焊接性较差，使得有色金属在汽车制造领域的应用得到了限制。英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法——搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)，此方法原理简单、控制参数少、易于自动化、无辐射、可将焊接过程中的人为因素降到最低。该方法为一种低温固相连接方法，焊接过程中不产生金属的熔化，适用于难以用熔化焊焊接的低熔点合金，目前各国都在竞相研发，在航空、船舶、高速列车、装甲战车等领域有着广泛的应用。随着搅拌摩擦焊方法研究的进一步深入，在此方法基础之上，提出了搅拌摩擦焊点焊方法(Friction Stir SpotWelding，简称FSSW)。搅拌摩擦点焊方法与搅拌摩擦焊方法区别在于搅拌摩擦点焊没有沿焊缝纵向的移动，并且在点焊过程中搅拌头无(焊接方向)倾角。搅拌摩擦点焊方法综合了传统点焊过程及搅拌摩擦焊方法的热源产生方式，在摩擦热及塑性变形能的作用下，形成了牢固连接的点接头。过去，车身板材的连接采用电阻点焊方法，焊接过程需要大型专用设备来提供持续的大电流。而采用搅拌摩擦点焊只需要一个非消耗的搅拌头，旋转着插入待焊工件，通过搅拌头与工件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，通过搅拌头施加的锻压力形成可靠的连接。采用搅拌摩擦点焊唯一的能量消耗是驱动搅拌头旋转以及施加锻压力所消耗的电能，整个焊接过程不需要传统电阻点焊所必须的大电流以及压缩空气。采用搅拌摩擦点焊方法焊接铝合金节约了99％的能量消耗，并且由于不需要大型的供电设备以及专用的点焊设备，设备成本降低了40％。并且焊接过程中无飞溅、烟尘，使焊接过程更绿色环保、焊接环境更安全。搅拌摩擦点焊也存在一些缺点：其一，焊后压入坑深；其二，表面挤出物多；因此给后续处理工作带来了巨大的麻烦。

发明内容

本发明针对现有方法中存在焊后压入坑深、表面挤出物多的问题，提出一种搅拌摩擦点焊方法，以解决了搅拌摩擦点焊压入坑深、挤出物多的缺点，大大降低了后续处理的工作量。

本发明的技术方案为：一种搅拌摩擦点焊方法，是采用搅拌头，旋转着插入待焊工件，通过搅拌头与工件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，通过搅拌头施加的锻压力形成可靠的连接，其特征在于：从两面同时搅拌摩擦点焊加工；施焊部分包括上搅拌头、下搅拌头和上轴肩、下轴肩四个部分，上轴肩、下轴肩设置在搅拌头的周围，在施焊时对待焊件施加一定的压力和高速旋转；上轴肩及下轴肩的作用是：一是防止塑性金属外溢；二是与待焊件表面摩擦产生热量；焊接时，上轴肩、下轴肩按一定的方向旋转，上轴肩的旋转方向和下轴肩的旋转方向可以是同向也可以是逆向；而上搅拌头、下搅拌头加载压大于上轴肩及下轴肩对待焊件的压力，上搅拌头德旋转方向、下搅拌头的旋转方向与上轴肩及下轴肩的旋转方向相同或者相反，上搅拌头、下搅拌头分别插人待焊件，到一定的深度并维持一段时间，通过上轴肩、下轴肩和上搅拌头、下搅拌头与待焊的件表面摩擦，把产生的热量传入给待焊件，使待焊件接触面处在机械摩擦热的作用下形成高质量焊点，焊接完成后，上搅拌头、下搅拌头先卸载拔出，然后上轴肩、下轴肩卸载，并停止旋转。

有益效果：双面搅拌摩擦点焊与现有的搅拌摩擦点焊方法的主要区别在于：1、双面搅拌摩擦点焊过程的摩擦热及塑性变形能是从上下两面产生的；2、双面搅拌摩擦点焊方法上、下的搅拌头周围有可以自由旋转的轴肩，轴肩的旋转可以补充在双面搅拌摩擦点焊过程中搅拌头产热的不足；正是由于这些区别，不仅可以使焊接表面的压入坑和挤出物都减少一半而且使焊接过程的产热提高一倍。因而双面搅拌摩擦焊不仅可以克服单面搅拌摩擦点焊的缺点还可以提高生产率。

附图说明

图1是双面搅拌摩擦点焊前搅拌头及轴肩与工件相对位置示意图。

图2是双面搅拌摩擦点焊时搅拌头及轴肩与工件相对位置及搅拌头与轴肩旋转方向和加载压力示意图。

具体实施方式

本发明是通过上、下两个轴肩和上、下两个搅拌头，通过上、下轴肩与搅拌头同时旋转与加压，使被焊件在机械摩擦热的作用下形成高质量焊点。

如图1所示，1和2为待焊件，3为上轴肩，4为上搅拌头，5为下轴肩，6为下搅拌头。由图1所示的双面搅拌摩擦点焊焊接过程原理图的设备参数包括：压力F₁、F₂；轴肩3、5旋转速度ω1；搅拌头4、6旋转速度ω2，及水平移动速度V；搅拌头4、6及轴肩3、5上下移动行程S；搅拌头4、6的插入深度h、插入速度v1、插入停留时间t、搅拌头的回抽速度v2；以及上下搅拌头同轴度等参数。压力F₁(用于焊接)取值范围为：1470-5880N；压力F₂(用于产热和防止塑性金属外溢)取值可略小，范围可定为1000-5000N；搅拌头旋转速度ω2范围：0-4500RPM；轴肩的旋转速度ω1(旋转方向和ω2相反)范围：0-4500RPM；搅拌头及轴肩上下移动行程S和搅拌摩擦点焊试样的厚度有直接的关系，在试验时一般用到的板材的厚度范围为1mm-10mm，因此在焊前轴肩之间的间距要大于20mm，焊接时间距能夹紧达到2mm左右，故要求轴肩的间距在0-30mm之间可变化，即上、下轴肩上下移动的行程均选为0-15mm；上搅拌头的插入深度h＝上搅拌头下移距离与上轴肩下移距离的差值；与板厚相关，板厚度越大插入的深度可选择越大。插入的时间可在0.1-1.0s变化；插入停留时间t指搅拌头到位后停留的时间，对接头的质量有直接的影响，可选择插入停留时间可在0.1-1.0s变化；由于双面搅拌摩擦点焊时是上下点焊同时进行，并且加载的力较大，因此在焊接时要求上下搅拌头的同轴度好。如图1所示施焊前，将待焊件1和2搭接，通过上、下轴肩施加一定的压力F₂于待焊件上；如图2所示，施焊时，上、下轴肩按一定的方向旋转，而上、下搅拌头加载压力F₁，F₁大于F₂，且上、下搅拌头旋转方向与轴肩旋转方向相反，使上、下搅拌头插人待焊件1、2到一定的深度并维持一段时间，通过上、下轴肩和上、下搅拌头与1、2待焊件表面摩擦，把产生的热量传入给待焊件1、2，使待焊件1、2接触面处在热——机作用下形成高质量焊点；焊接完成后，上、下搅拌头先卸载拔出，然后上、下轴肩卸载，并停止旋转。

Claims

1.一种搅拌摩擦点焊方法，是采用搅拌头，旋转着插入待焊工件，通过搅拌头与工件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，通过搅拌头施加的锻压力形成可靠的连接，其特征在于：从两面同时搅拌摩擦点焊加工；施焊部分包括上搅拌头、下搅拌头和上轴肩、下轴肩四个部分，上轴肩、下轴肩设置在搅拌头的周围，在施焊时对待焊件施加一定的压力和高速旋转；上轴肩及下轴肩的作用是：一是防止塑性金属外溢；二是与待焊件表面摩擦产生热量；焊接时，上轴肩、下轴肩按一定的方向旋转，上轴肩的旋转方向和下轴肩的旋转方向可以是同向也可以是逆向；而上搅拌头、下搅拌头加载压大于上轴肩及下轴肩对待焊件的压力，上搅拌头德旋转方向、下搅拌头的旋转方向与上轴肩及下轴肩的旋转方向相同或者相反，上搅拌头、下搅拌头分别插人待焊件，到一定的深度并维持一段时间，通过上轴肩、下轴肩和上搅拌头、下搅拌头与待焊的件表面摩擦，把产生的热量传入给待焊件，使待焊件接触而处在机械摩擦热的作用下形成高质量焊点，焊接完成后，上搅拌头、下搅拌头先卸载拔出，然后上轴肩、下轴肩卸载，并停止旋转。