CN102974945A - 电致塑性搅拌摩擦点焊装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电致塑性搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套，在搅拌套中的搅拌针，夹持在搅拌套外的夹紧套，以及焊接垫块，夹紧套底部和焊接垫块顶部分别设有两个径向的开口凹槽，并在凹槽中安装电刷，凹槽形状与电刷中的导电块形状相匹配。本发明还提供一种电致塑性搅拌摩擦点焊方法，包括使金属材料塑性软化，在夹紧套压紧焊接工件的同时，所有电刷分别独立连通直流电，在同一水平面上的两个电刷的电极性相反，在同一竖直平面上的两个电刷的电极性相同，使焊接回路导通，然后采用点焊工艺完成焊接。本发明利用金属材料的电致塑性效应，在金属变形方向上施加高密度电流，推动金属位错并克服运动障碍，提高金属材料塑性流动的能力，从而提升焊接质量。

Description

电致塑性搅拌摩擦点焊装置及其方法
技术领域
本发明涉及一种电致塑性搅拌摩擦点焊装置，以及使用该装置进行搅拌点焊的方法。
背景技术
搅拌摩擦点焊技术是一种新型的固相连接技术，由德国GKSS研究中心于1999年发明，详情见美国专利US6722556-B2。该技术采用由搅拌针、搅拌套和夹紧套组成的特殊的搅拌头，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填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，从而形成表面平整的点焊接头。
中国专利CN102091860A公开了一种双动环摩擦点焊方法。该方法将传统搅拌摩擦点焊中静止的夹紧套改为旋转动环并有下压动作，从而保证点焊接头连接面的成形温度和结合压力，实现点焊接头各处一致性的高质量连接。
搅拌摩擦点焊过程中，搅拌套压入时将在接头外圈侧壁剪切形成新的界面，而在搅拌针回填过程中，此界面将与挤压流动于此的热塑性材料形成新的连接面，但是由于界面温度相对较低，材料塑性流动能力不足，因此新连接面的成形条件恶劣，容易导致薄弱连接面，甚至虚连接和孔洞等缺陷的出现。
专利CN102091860A将夹紧套改为旋转动环并下压，虽然改善了连接面的成形条件，提高了点焊接头质量，但是该方法的实现需要采用六轴联动等关键技术，其焊接装置结构复杂，而且动环下压后将在点焊接头表面留下压痕，影响焊点外观质量。
发明内容
本发明提供一种电致塑性搅拌摩擦点焊装置，以及使用该装置进行电致塑性搅拌点焊的方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。
为了达到上述目的，本发明提供一种电致塑性搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套，在所述搅拌套中的搅拌针，夹持在搅拌套外的夹紧套，以及焊接垫块，所述夹紧套和焊接垫块之间为焊接工件，其特征在于，所述夹紧套底部和焊接垫块顶部分别设有两个径向的开口凹槽，并在所述凹槽中安装电刷，凹槽形状与所述电刷中的导电块形状相匹配。
夹紧套和焊接垫块由绝缘材料制成，或表面涂有绝缘涂料。
本发明还提供一种电致塑性搅拌摩擦点焊方法，包括如下步骤：
A）夹紧套和焊接垫块压紧焊接工件，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面同向挤压旋转，使金属材料塑性软化，在夹紧套压紧焊接工件的同时，所有电刷分别独立连通直流电，并且在同一水平面上的两个电刷的直流电极性相反，在同一竖直平面上的两个电刷的直流电极性相同，使焊接回路导通；
B）搅拌套向下旋转压入焊接工件内部，同时搅拌针旋转上升，塑性材料向搅拌针下部区域流动，当达到所需焊接深度后，搅拌套旋转上升，而搅拌针向下挤压回填材料；
C）当搅拌套和搅拌针分别运动到同一水平面后，保持锻压一段时间后回撤至初始工位，切断直流电。
所述直流电的电流强度最好在500A-3000A。
步骤C）中锻压时间最好为0.2秒-1秒。
当夹紧套压紧焊接工件时，焊接电流在上、下层板材内流通。随着压入和回填阶段的继续，焊接工件受电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更容易发生塑性变形，材料的塑性流动能力得到提升。而且，接头最外圈的界面温度提高，在回填阶段更容易与挤压流动与此的材料形成可靠连接，从而提高点焊接头的综合质量。
本发明利用材料的电致塑性效应，在搅拌摩擦点焊过程中对焊接材料施加一定的焊接电流，使得材料更容易发生塑性变形，提高了焊接过程中材料的塑性流动能力，改善了点焊接头外圈界面的成形温度与环境，加强了固有薄弱连接面，提升了搅拌摩擦点焊接头的焊接质量。
附图说明
图1是本发明装置的结构示意图。
图2为本发明点焊方法的实施流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明一种电致塑性搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套2，在所述搅拌套中的搅拌针1，夹持在搅拌套2外的夹紧套3，以及焊接垫块4，所述夹紧套3和焊接垫块4之间为焊接工件，其特征在于，所述夹紧套3底部和焊接垫块4顶部分别设有两个径向的开口凹槽，并在所述凹槽中安装电刷5，凹槽形状与所述电刷5中的导电块形状相匹配。
优选的，夹紧套3和焊接垫块4由绝缘材料制成，或表面涂有绝缘涂料。
如图2所示，本发明通过上述装置实现电致塑性搅拌摩擦点焊的方法，包括如下步骤：
A）夹紧套3和焊接垫块4压紧焊接工件，搅拌针1和搅拌套2贴紧工件表面同向挤压旋转，使金属材料塑性软化，在夹紧套3压紧焊接工件的同时，所有电刷5分别独立连通直流电，并且在同一水平面上的两个电刷的直流电极性相反，在同一竖直平面上的两个电刷的直流电极性相同，使焊接回路导通，如图2a)；
B）搅拌套2向下旋转压入焊接工件内部，同时搅拌针旋转上升，塑性材料向搅拌针下部区域流动，当达到所需焊接深度后，搅拌套和搅拌针的运动方向互换，既搅拌套旋转上升，而搅拌针向下挤压回填材料，如图2b)～d)；
C）当搅拌套2和搅拌针1分别运动到同一水平面后，保持锻压一段时间，搅拌头回撤至初始工位，切断直流电，焊接过程结束，如图2e)～f)。
所述直流电的电流强度在500A～3000A。
步骤C）中锻压时间为0.2秒～1秒。
当夹紧套压紧焊接工件时，焊接电流在上、下层板材内流通。随着压入和回填阶段的继续，焊接工件受电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更容易发生塑性变形，材料的塑性流动能力得到提升。而且，接头最外圈的界面温度提高，在回填阶段更容易与挤压流动与此的材料形成可靠连接，从而提高点焊接头的综合质量。

Claims (5)

1.一种电致塑性搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套（2），在所述搅拌套中的搅拌针（1），夹持在搅拌套（2）外的夹紧套（3），以及焊接垫块（4），所述夹紧套（3）和焊接垫块（4）之间为焊接工件，其特征在于，所述夹紧套（3）底部和焊接垫块（4）顶部分别设有两个径向的开口凹槽，并在所述凹槽中安装电刷（5），凹槽形状与所述电刷（5）中的导电块形状相匹配。
2.如权利要求1所述的电致塑性搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述夹紧套（3）和焊接垫块（4）由绝缘材料制成，或表面涂有绝缘涂料。
3.一种采用如权利要求1所述的装置进行电致塑性搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，包括如下步骤：
A）夹紧套（3）和焊接垫块（4）压紧焊接工件，搅拌针（1）和搅拌套（2）贴紧工件表面同向挤压旋转，使金属材料塑性软化，在夹紧套（3）压紧焊接工件的同时，所有电刷（5）分别独立连通直流电，并且在同一水平面上的两个电刷的直流电极性相反，在同一竖直平面上的两个电刷的直流电极性相同，使焊接回路导通；
B）搅拌套（2）向下旋转压入焊接工件内部，同时搅拌针旋转上升，塑性材料向搅拌针下部区域流动，当达到所需焊接深度后，搅拌套旋转上升，而搅拌针向下挤压回填材料；
C）当搅拌套（2）和搅拌针（1）分别运动到同一水平面后，保持锻压一段时间后回撤至初始工位，切断直流电。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述直流电的电流强度为500-3000A。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤C）中所述锻压时间为0.2-1秒。
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