CN102528270B - 三套环固相点焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供三套环固相点焊方法，使用包括内套环、中间套环、以及外套环的焊接工具，通过其内套环和中间套环的旋转与轴向运动实现焊接，包括步骤：压紧预热；挤压锻造；界面摩擦连接；材料回填锻造；焊点成形与修磨。本发明的关键创新在于在内套环中心设置了圆柱滑块，使其具有在弹簧弹力作用下保持下方被焊金属不发生轴向移动的功能。该创新设计将使得内套环向下挤压时具有较强的钻削材料的能力，在较小的向下顶锻力下即可实现把材料挤向外侧；随后材料回填过程中，因内套环外侧材料要向内挤压回填，此界面发生了传质作用，不会再存在传统填充式摩擦点焊的竖直界面弱连接问题。

Description

三套环固相点焊方法

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种三套环固相点焊方法。

背景技术

在固相点焊领域，目前有两种焊接方法：一种为直插式搅拌摩擦点焊方法，即在搅拌摩擦焊技术的基础上，利用焊接工具的轴肩、搅拌针对材料进行原位摩擦搅拌，形成点焊接头。该点焊方法焊点表面存在搅拌针的退出孔，即匙孔，表面不平整。如中国专利CN101053923A于2007年10月17日公开的一种搅拌摩擦点焊技术采用的搅拌头专利即属于该技术领域。

另一种摩擦点焊方法为原位填充式摩擦点焊，为德国GKSS研究中心于1999年开发，其技术特征为采用中心轴，内套环和外套环三个部件组成的焊接工具进行焊接，即中心轴旋转下压材料，搅拌摩擦需要连接的界面，同时内套环旋转上升容纳挤出的塑性金属；随后中心轴上升，内套环下压形成平整的焊点，详见美国专利US006722556B2。

上述原位填充式摩擦点焊技术存在下列弊端：焊接热源主要由旋转的中心轴与母材摩擦产热提供，但越靠近焊点中心，焊接工具的旋转线速度越小(中心点线速度为零)，与母材的摩擦产热量也越小，这样会造成在靠近焊点中心处的材料温度低，材料的塑性流动性能差。并且中心轴下压时，要将其下方的材料整体挤压至内套环上升的空间，需要转移的材料量大。这样会出现两种不利情况：一种是被迫增加焊接时间，以获得较大的产热量，使焊点中心材料的温度达到易于塑性流动的高温状态，但此时焊点周围的材料也达到了高温，甚至造成外套环压入母材，形成成形缺陷，同时也使得焊点热影响区过大，损害母材和焊点力学性能，并且这种焊接过程需要的时间很长，焊接效率低下。另一种情况是将温度较低的材料进行强迫挤压锻造，这需要极大的中心轴顶锻力，往往造成中心轴被压弯失效，降低了焊接工具的使用寿命，该点焊方法难以实现应用。

另一种原位填充摩擦点焊方法是通过内套环下压，摩擦需要连接的界面，而中心轴回抽容纳塑性金属。该方法同样存在弊端，即内套环下压时，在外圈竖直界面上与母材有一个剪切作用，当材料回填其留下的空间时，填充的材料与该界面无法进行充分反应，形成了弱连接。该弱连接特征使得焊点容易被撕裂失效。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种三套环固相点焊方法，该方法解决了传统填充式摩擦点焊焊点竖直界面弱连接问题、焊接工具负载过大问题与焊接效率过低问题。本发明提供的方法使用包括内套环、中间套环、以及外套环的焊接工具，通过其内套环和中间套环的旋转与轴向运动实现焊接。由中间套环向下挤压塑性金属，将实现内套环外侧竖直界面上的材料流动，通过界面传质强化连接质量，完全避免传统填充式摩擦点焊的焊点与周围母材的竖直界面弱连接问题。

另一方面，内套环中心由可伸缩移动的圆柱滑块来保持该处母材不会在焊接过程中被迫挤压和流动，因此也无需进行额外的焊接热源提供，降低了焊接所需能量。此外，在内套环向下挤压和摩擦时，中心部分的材料将不需要被挤压和加热，大大降低了内套环下压时所需要的顶锻力，增加了焊接工具使用寿命。在内套环回抽时，中间套环下压塑性金属实现材料回填，此时在内套环内侧与中心圆柱滑块下方母材的竖直界面上不存在传质，仅通过扩散和再结晶实现连接，有可能出现类似于传统填充式摩擦点焊焊点外侧与母材竖直界面的弱连接问题。而在本发明中，由于在该界面位于焊点中心部位，一方面，此处的材料温度因焊接热积累的作用会比传统摩擦点焊外侧竖直界面要高很多，促进了界面之间的扩散与再结晶作用，大大降低弱连接倾向；另一方面，即便此处若出现弱连接，其界面因位于焊点内部，界面外侧的焊点材料与上板和下板均形成了良好的连接，此界面不会降低焊点的撕裂力和抗剪切力。

综上，本发明为解决传统填充式摩擦点焊的竖直界面弱连接问题、焊接效率与焊接工具使用寿命问题而采取的技术方案为：一种三套环填充式摩擦点焊方法，包括如下步骤：

1)外套环(3)压紧被焊工件表面，并使中间套环(2)、内套环(1)、中间圆柱滑块(8)同时处于工件表面，内套环与中间套环紧贴工件表面，摩擦待焊工件使金属材料塑性软化；

2)内套环旋转的同时，向下运动挤压被焊金属，将塑性金属(9)排挤至中间套环上升留下的空间，此时中间圆柱滑块不发生轴向运动，下方材料保持相对静止；

3)内套环摩擦挤压一段时间后，开始向上回抽，此时中间套环向下挤压，将塑性金属回填至内套环上升留下的空间，此时中心圆柱滑块在弹簧力的作用下，使下方母材不会随着内套环的上升而向上移动，当内套环、中间套环回到同一平面时，形成了表面平整的焊点。

本发明的关键创新在于在内套环中心设置了圆柱滑块，使其具有在弹簧弹力作用下保持下方被焊金属不发生轴向移动的功能。该创新设计将使得内套环向下挤压时具有较强的钻削材料的能力，在较小的向下顶锻力下即可实现把材料挤向外侧；随后材料回填过程中，因内套环外侧材料要向内挤压回填，此界面发生了传质作用，不会再存在传统填充式摩擦点焊的竖直界面弱连接问题。

本发明从界面传质方面为焊点与母材的良好结合提供了有利条件，与直插式搅拌摩擦点焊方法相比，解决了表面留下的匙孔问题；与传统的填充式摩擦点焊方法相比，解决了焊点竖直界面弱连接问题；与中心轴下压的填充式摩擦点焊方法相比，解决了顶锻力过大、焊接工具寿命短、效率低等问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明提供的三套环固相点焊方法的过程的第一个子过程的示意图；

图2为根据本发明提供的三套环固相点焊方法的过程的第二个子过程的示意图；

图3为根据本发明提供的三套环固相点焊方法的过程的第三个子过程的示意图；

图4为根据本发明提供的三套环固相点焊方法的过程的第四个子过程的示意图；

图5为根据本发明提供的三套环固相点焊方法的过程的第五个子过程的示意图。

图中，1为内套环，2为中间套环，3为外套环，4为被焊母材上板，5为被焊母材下板，6为夹持垫板，7为弹簧，8为圆柱滑块，9为塑性金属，10为焊点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图5所示，本发明优选实施例提供的三套环固相点焊方法，包括如下步骤：

1)压紧预热阶段：外套环3压紧工件表面，为焊接工具提供了轴向位移基准，并起拘束材料的作用，中间套环2与内套环1贴紧工件表面以相同的速度进行进行旋转，与母材表面产生的摩擦热将使周围金属达到塑性软化状态。

2)挤压锻造阶段：内套环1高速旋转的同时，向下挤压母材，将塑性金属9往外排，中间套环2保持高速旋转的同时向上移动，为挤压出来的塑性金属9留下容纳的空间；与此同时，内套环圆柱滑块8上方弹簧7收缩，圆柱滑块8内移但下端面仍与母材表面保持在同一水平位置。

3)界面摩擦连接阶段：当内套环1的端面下压深度超过需要搭接的连接面时，可停止下压，在此界面保持一段时间进行旋转摩擦，破坏界面氧化膜，以实现搭接面的有效连接。

4)材料回填锻造阶段：当搭接界面氧化膜被完全破坏之后，内套环1开始向上移动，同时中间套环2开始向下挤压锻造，使塑性金属9回填内套环上升留下的空腔；与此同时，中心圆柱滑块8在弹簧7的作用下将下方金属向内套环内腔往外排，但圆柱滑块8的下端面始终与母材表面保持在同一水平面上。

5)焊点成形与修磨阶段：在内套环、中心圆柱滑块、中间套环三个移动组件回到同一平面时，在外套环仍保持压紧状态下保持一定实现的旋转进行焊点表面修磨，完毕后即可将焊接工具提离工件表面得到表面平整的焊点，焊接过程即告结束。

更为具体地，外套环3为压紧装置和材料拘束装置，使整个焊接工具相对于被焊工件有一个轴向位移基准；中间套环2与内套环1以相同速度旋转并相互配合进行轴向运动，即内套环下压时，中间套环相应上升，容纳被焊工件的塑性金属9，当内套环上升时，中间套环下压，将塑性金属回填至内套环上升留下的空间。

圆柱滑块8与外套环3保持相对轴向方向静止，即圆柱滑块8下方材料不发生轴向移动，圆柱滑块可与内套环随动旋转也可为不旋转状态。

圆柱滑块8通过弹簧7与内套环1连接，在非焊接状态下有向外将滑块8顶出的弹力，在内套环下压时，由中间套环控制塑性金属9的挤出量，使滑块保持轴向相对工件表面静止，内套环上升时，弹簧通过滑块传递给下方母材的顶出力使得此处材料不会随内套环上升而发生轴向移动。

内套环1上升时，若弹簧7的弹力无法使圆柱滑块8保持相对工件表面轴向静止(即圆柱滑块会随内套环上升)，此时可在内套环1环壁上开槽，用螺栓穿过内套环1将中间套环2和圆柱滑块8联系在一起，当中间套环2下压时，可带动圆柱滑块8同时下压。

在本发明中，典型的内套环1、中间套环2的旋转速度范围为1000～5000rpm，内套环下压过程可以为匀速下降亦可有一定的加速度，内套环与中间套环的上升和下压距离基于材料不可压缩原理进行匹配，即下压造成的材料移出体积应等同于工具上升获得空间体积。焊点表面允许存在局部下压，典型地，下压量不大于0.2mm。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种三套环固相点焊方法，其特征在于，使用包括内套环、中间套环、以及外套环的焊接工具，通过其内套环和中间套环的旋转与轴向运动实现焊接；

包括如下步骤：

步骤1)压紧预热；

步骤2)挤压锻造；

步骤3)界面摩擦连接；

步骤4)材料回填锻造；

步骤5)焊点成形与修磨；

在所述步骤2)中，内套环高速旋转的同时，向下挤压母材，将塑性金属往外排，中间套环保持高速旋转的同时向上移动，为挤压出来的塑性金属留下容纳的空间；与此同时，内套环圆柱滑块上方弹簧收缩，圆柱滑块内移但下端面仍与母材表面保持在同一水平位置；

在所述步骤1)中，外套环压紧工件表面，为焊接工具提供了轴向位移基准，并起拘束材料的作用，中间套环与内套环贴紧工件表面以相同的速度进行旋转，与母材表面产生的摩擦热将使周围金属达到塑性软化状态。

2.根据权利要求1所述的三套环固相点焊方法，其特征在于，在所述步骤3)中，当内套环的端面下压深度超过需要搭接的连接面时，可停止下压，在此界面保持一段时间进行旋转摩擦，破坏界面氧化膜，以实现搭接面的有效连接。

3.根据权利要求2所述的三套环固相点焊方法，其特征在于，在所述步骤4)中，当搭接界面氧化膜被完全破坏之后，内套环开始向上移动，同时中间套环开始向下挤压锻造，使塑性金属回填内套环上升留下的空腔；与此同时，中心圆柱滑块在弹簧的作用下将下方金属向内套环内腔往外排，但圆柱滑块的下端面始终与母材表面保持在同一水平面上。

4.根据权利要求1所述的三套环固相点焊方法，其特征在于，在所述步骤5)中，在内套环、中心圆柱滑块、中间套环三个移动组件回到同一平面时，在外套环仍保持压紧状态下保持一定实现的旋转进行焊点表面修磨，完毕后即可将焊接工具提离工件表面得到表面平整的焊点，焊接过程即告结束。