CN102319952A - 一种轻质合金-钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接方法及装置 - Google Patents

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王希靖
赵钢
刘晓
王培中
张忠科
陈剑虹
李博强
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Abstract

一种轻质合金—钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接方法及装置，其方法的步骤为：搅拌针插入到被焊材料中，搅拌头在钢板上旋转摩擦，时间持续1～3秒，使钢板软化；接着搅拌头下压并挤压钢板，当摩擦头下表面下压到钢板上表面0.1～0.3mm时，在该深度上停留5～15秒，使被轻质合金、钢接触表面产生塑性流动；接头处钢板形成搅拌区域，轻质合金无明显的搅拌区域，然后搅拌头上升，焊接完成，得到无匙孔的点焊接头；其装置中电机(6)和减速器(7)连接，减速器(7)与丝杠(4)连接，丝杠(4)和固定的丝杠螺母(5)连接，丝杠(4)和搅拌针夹头(3)连接，搅拌针(1)的一端装入搅拌针夹头(3)，搅拌针(1)的另一端穿过在搅拌头-轴肩(2)上开设的导向孔。

Description

一种轻质合金-钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及压力焊中的搅拌摩擦焊，国际专利分类为B23K20/12。 
背景技术
搅拌摩擦焊技术拥有诸多独特的优点，对于轻合金材料(如铝、铜、镁、锌等)的连接在焊接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊接方法不可比拟的优越性。搅拌摩擦焊是一种固相连接方法，焊缝接头具有优良的力学性能和小的焊接变形，焊接过程中不需要添加保护气和焊丝，没有熔化、烟尘、飞溅及弧光，是一种环保型的新型连接技术。轻质合金—钢搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的基础上新近研究开发的一种新的固相焊接技术，具有接头质量高、缺陷少、变形小等优点。但是，传统的搅拌摩擦点焊在焊接完成时，均在焊点接头处留下不可消除的匙孔，对接头力学性能有一定影响。 
目前在公开的资料报道中，目前在工业上采用的无匙孔搅拌摩擦点焊主要是德国GKSS研究中心于1999年发明的搅拌摩擦点焊，采用特殊的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回撤的同时挤压焊点金属以填充搅拌头在焊接过程中形成的匙孔，采用该方法焊接的点焊缝平整，焊点中心没有匙孔。搅拌摩擦点焊的搅拌头主要由三部分组成，分别为最内部的搅拌针、中间层的套筒以及最外层的夹套。其中，夹套在焊接时固定，不发生旋转，而中间层的套筒和最内层的搅拌针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的相对运动。此种方法对于塑性好、强度低的轻质金属可以实现挤压焊点金属回填匙孔，但对于塑性差、强度高的钢难以实现金属回填，而未见由此方法实现钢—轻质合金的无匙孔搅拌摩擦点焊。 
发明内容
本发明的目的是提供一种轻质合金—钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接方法及装 置。 
本发明是一种轻质合金—钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接方法及装置，其方法的步骤为： 
(1)按钢板在上、轻质合金板在下的方式搭接； 
(2)驱动搅拌针插入到被焊材料中，驱动搅拌头在钢板上旋转摩擦，时间持续1～3秒，产生热量，使钢板软化； 
(3)接着搅拌头下压并挤压钢板，当摩擦头下表面下压到钢板上表面0.1～0.3mm时，在该深度上停留5～15秒，利用搅拌头的顶锻力以及摩擦头旋转与钢板摩擦产生摩擦热，使被轻质合金、钢接触表面产生塑性流动，有效地清除材料表面的氧化物，使钢-轻质合金界面清洁； 
(4)利用搅拌头的顶锻、旋转摩擦使轻质合金、钢接触表面产生塑性变形，使接头处钢板形成搅拌区域，轻质合金无明显的搅拌区域，然后搅拌头上升，焊接完成，得到无匙孔的点焊接头。 
用于实现以上所述方法的焊接装置，电机6与机头固定在机架上，电机6能够在机头套筒中的导槽内上下滑动，电机6和减速器7连接，减速器7与丝杠4连接，丝杠4和固定的丝杠螺母5连接，丝杠4和搅拌针夹头3连接，搅拌针1的一端装入搅拌针夹头3，搅拌针1的另一端穿过在搅拌头-轴肩2上开设的导向孔。 
本发明的有益之处在于：(1)实现轻质合金—钢无匙孔异种金属的搅拌摩擦点焊；(2)提高其接头力学性能，同时获得力学性能较高及无匙孔的点焊接头；(3)设备成本低，回抽机构简单易行，消除匙孔时间短。 
附图说明
图1为本发明方法第二步的示意图，图2为第三步的示意图，图3是第四步的示意图，图4本发明装置的整体结构示意图，图5是图4中A处的局部结构放大图。 
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，本发明的轻质合金—钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接 方法的步骤为： 
(1)按钢板在上、轻质合金板在下的方式搭接； 
(2)驱动搅拌针插入到被焊材料中，驱动搅拌头在钢板上旋转摩擦，时间持续1～3秒，产生热量，使钢板软化； 
(3)接着搅拌头下压并挤压钢板，当摩擦头下表面下压到钢板上表面0.1～0.3mm时，在该深度上停留5～15秒，利用搅拌头的顶锻力以及摩擦头旋转与钢板摩擦产生摩擦热，使被轻质合金、钢接触表面产生塑性流动，有效地清除材料表面的氧化物，使钢-轻质合金界面清洁； 
(4)利用搅拌头的顶锻、旋转摩擦使轻质合金、钢接触表面产生塑性变形，使接头处钢板形成搅拌区域，轻质合金无明显的搅拌区域，然后搅拌头上升，焊接完成，得到无匙孔的点焊接头。 
如图4、图5所述，本发明的装置电机6与机头固定在机架上，电机6能够在机头套筒中的导槽内上下滑动，电机6和减速器7连接，减速器7与丝杠4连接，丝杠4和固定的丝杠螺母5连接，丝杠4和搅拌针夹头3连接，搅拌针1的一端装入搅拌针夹头3，搅拌针1的另一端穿过在搅拌头-轴肩2上开设的导向孔。 
如图1、图2、图3、图5所示，钢板在上，轻质合金在下，焊接开始前，根据焊件材料的厚度通过电机6和减速器7来调整搅拌针1的伸出长度。焊接开始时，搅拌针1在钢板上旋转摩擦产生热量，使钢板软化，接着轴肩2下降，搅拌针1插入到被焊材料中。当轴肩2下表面下压到钢板上表面时，通过轴肩2旋转与钢板摩擦产生高温，使被焊材料塑性进一步提高。当被焊材料塑性提高到一定值时，通过搅拌头周围高温摩擦热和材料塑性流动相互作用，形成焊点接头，并且在搅拌头周围形成的一种圆环状轻质合金—钢搅拌区域与材料发生重结晶的区域中产生一定冶金连接。此时，工作台前进，同时搅拌针1回抽。在工作台前进过程中，进一步形成接头。搅拌针1在回抽过程中留下的匙孔通过轴肩2作用产生塑性流动的材料所填充。当工作台前进距离等于轴肩2直径的一半时，工作台前进停止，搅拌针1也回抽完毕，搅拌头整体上升，焊接完 成，即可得到无匙孔的点焊接头。 
例如，在焊接1mm厚的钢板与3mm厚的镁合金板时，搅拌针1伸出2mm，轴肩直径20mm。当轴肩2下表面与钢板上表面摩擦20秒时，工作台开始前进，与此同时，搅拌针1也开始回抽。当工作台前进距离为10mm时停止，此时搅拌针1完成回抽动作，焊接完成。 

Claims (2)

1.一种轻质合金—钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接方法，其步骤为：
(1)按钢板在上、轻质合金板在下的方式搭接；
(2)驱动搅拌针插入到被焊材料中，驱动搅拌头在钢板上旋转摩擦，时间持续1～3秒，产生热量，使钢板软化；
(3)接着搅拌头下压并挤压钢板，当摩擦头下表面下压到钢板上表面0.1～0.3mm时，在该深度上停留5～15秒，利用搅拌头的顶锻力以及摩擦头旋转与钢板摩擦产生摩擦热，使被轻质合金、钢接触表面产生塑性流动，有效地清除材料表面的氧化物，使钢-轻质合金界面清洁；
(4)利用搅拌头的顶锻、旋转摩擦使轻质合金、钢接触表面产生塑性变形，使接头处钢板形成搅拌区域，轻质合金无明显的搅拌区域，然后搅拌头上升，焊接完成，得到无匙孔的点焊接头。
2.用于实现权利要求1所述方法的焊接装置，电机(6)与机头固定在机架上，其特征在于电机(6)能够在机头套筒中的导槽内上下滑动，电机(6)和减速器(7)连接，减速器(7)与丝杠(4)连接，丝杠(4)和固定的丝杠螺母(5)连接，丝杠(4)和搅拌针夹头(3)连接，搅拌针(1)的一端装入搅拌针夹头(3)，搅拌针(1)的另一端穿过在搅拌头-轴肩(2)上开设的导向孔。
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