CN103170752A

CN103170752A - 搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法

Info

Publication number: CN103170752A
Application number: CN2013101216901A
Authority: CN
Inventors: 杨洪刚
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-06-26

Abstract

一种搅拌摩擦电阻点焊装置，包括：焊接垫块，内设T型通孔；导电杆，设置在T型通孔内，并与焊接垫块之承载面共水平面，导电杆与外部电源的第一电极电连接；以及搅拌头，进一步包括搅拌针、夹紧套，以及搅拌套，所述搅拌针、搅拌套，以及所述夹紧套共中心轴线设置，夹紧套与外部电源的第二电极电连接，搅拌针和搅拌套与待焊接板材之接触面具有电绝缘特性。本发明通过在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的焊接电流，使得所述搅拌套外圈的焊接材料逐渐软化并熔化，改善了点焊接头薄弱连接面的成形温度与环境，形成电阻点焊和摩擦焊的复合型接头，增加了点焊接头几何尺寸，从而提升了搅拌摩擦电阻点焊接头的焊接质量。

Description

搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法

技术领域

本发明涉及焊接技术设备，尤其涉及一种搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法。

背景技术

随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻，运载工具的轻量化设计成为汽车、航空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料，另一方面通过高效的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材料，其主要连接方式是焊接和铆接。

但是，现有的焊接技术存在许多局限性，主要表现在：a．焊接过程需要提供大电流，耗能大；b．铝合金表面氧化膜造成电极寿命明显缩短；C．由于焊接大电流的作用，工件将产生明显的热变形，且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定，接头质量差；d．焊接过程中有飞溅，点焊工作环境差。铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术，但是采用铆接技术一方面会增加铝合金构件的重量，另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音，生产环境恶劣，另外，铆接技术需要在铝合金构件上预开孔，增加了生产成本。

目前，已公开的资料中报道了两种不同的FSSW技术。第一种方法是日本Mazda汽车公司于1993年发明的搅拌摩擦点焊，这种搅拌摩擦点焊又称为“带有退出孔的搅拌摩擦点焊”技术，采用的焊接设备与普通搅拌摩擦焊接设备类似，具体的焊接过程可分为3个阶段：a、压入过程：搅拌头不断旋转，通过施加顶锻压力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件；b、连接过程：搅拌头完全镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间；c、回撤过程：完成连接后搅拌头从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。

第二种方法是德国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填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，采用该方法焊接的点焊缝平整，焊点中心没有凹孔。搅拌摩擦点焊的搅拌头主要由三部分组成，分别为最内部的探针、中间层的袖筒以及最外层的夹套。其中，夹套在焊接时固定，不发生旋转，而中间层的袖筒和最内层的探针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的相对运动。搅拌摩擦点焊过程中，搅拌区的材料受到搅拌头作用进行复杂的圆周运动和轴向运动，在热和力的综合作用下发生动态再结晶，形成等轴晶粒的再结晶组织。

但是，搅拌摩擦点焊过程中，往往在接头与母材交界处形成薄弱连接面、气孔等焊接缺陷，导致焊接质量稳定性差，接头动静态强度较低，使得搅拌摩擦点焊工艺只适用于对强度要求不高的零部件连接，限制了该工艺在车身制造中的应用推广。因此，研究开发铝合金新的点焊连接技术替代传统的搅拌摩擦点焊和铆接技术，对扩大铝合金在汽车工业的应用，推动汽车轻量化发展以及提高航空、航天运载能力具有十分重要的意义。

故针对现有技术存在的问题，本案设计人凭借从事此行业多年的经验，积极研究改良，于是有了本发明一种搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法。

发明内容

本发明是针对现有技术中，所述搅拌摩擦点焊过程中，往往在接头与母材交界处形成薄弱连接面、气孔等焊接缺陷，导致焊接质量稳定性差，接头动静态强度较低，使得搅拌摩擦点焊工艺只适用于对强度要求不高的零部件连接，限制了该工艺在车身制造中的应用推广等缺陷提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置。

本发明的又一目的是针对现有技术之缺陷，提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法。

为了解决上述问题，本发明提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置，所述搅拌摩擦电阻点焊装置包括：焊接垫块，所述焊接垫块用于承载所述待焊接板材，并在所述焊接垫块内设置T型通孔；导电杆，所述导电杆设置在所述T型通孔内，并与所述焊接垫块之承载面共水平面，所述导电杆与外部电源的第一电极电连接；以及搅拌头，所述搅拌头用于焊接所述待焊接板材，并进一步包括设置在所述搅拌头里层的搅拌针、设置在所述搅拌头外层的夹紧套，以及设置在所述搅拌针与所述夹紧套之间的搅拌套，所述搅拌针、搅拌套，以及所述夹紧套共中心轴线设置，所述夹紧套与所述外部电源的第二电极电连接，所述搅拌针和所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面具有电绝缘特性。

可选地，所述第一电极为所述外部电源的正极，所述第二电极为所述外部电源的负极。

可选地，所述第一电极为所述外部电源的负极，所述第二电极为所述外部电源的正极。

可选地，所述外部电源为直流电源。

可选地，所述搅拌针和所述搅拌套为绝缘材料制备。

可选地，所述搅拌针和所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面涂布绝缘材料。

为实现本发明之又一目的，本发明提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法，所述焊接方法包括：

执行步骤S1：开始焊接阶段，提供所述待焊接板材，并承载在所述焊接垫块上，所述导电杆与所述第一电极电连接，所述搅拌套与所述第二电极电连接，所述搅拌头之夹紧套压紧所述待焊接板材，所述搅拌头之搅拌针和搅拌套与所述待焊接板材接触，且所述搅拌针和所述搅拌套均向所述待焊接板材方向挤压旋转，使所述待焊接板材之金属材料塑性软化；

执行步骤S2：压入阶段，所述搅拌套向所述待焊接板材方向旋转运动，并压入所述待焊接板材内部，所述搅拌针向异于所述待焊接板材的方向旋转运动，所述搅拌套和所述搅拌针相对运动，并为所述呈塑性状态之材料的运动提供空间；

执行步骤S3：回填阶段，当所述搅拌头之搅拌针和所述搅拌套运动至预定深度时，所述搅拌针向所述待焊接板材的方向旋转运动，所述搅拌套向异于所述待焊接板材的方向旋转运动；

执行步骤S4：焊接结束阶段，当所述搅拌套和所述搅拌针运动至同一水平面后，所述搅拌头之搅拌套和搅拌针停止旋转，所述搅拌头在所述待焊接板材保持锻压，并在所述锻压过程之后所述搅拌头回撤至初始工位，所述外部电源关闭，完成焊接作业。

可选地，在所述压入阶段，所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为3000～10000A。

可选地，在所述回填阶段，所述外部电源对所述第一电极和第二电极输入的焊接电流为3000～10000A。

可选地，在所述压入阶段，所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为3000～5000A；在所述回填阶段，所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为5000～10000A。

可选地，所述搅拌套在所述待焊接板材上的锻压时间为0.2～1秒。

综上所述，本发明搅拌摩擦电阻点焊装置通过将所述焊接垫块内的导电杆与所述外部电源的第一电极电连接，将所述搅拌头之搅拌套与所述外部电源的第二电极电连接，并在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的焊接电流，使得所述搅拌套外圈的焊接材料逐渐软化并熔化，改善了点焊接头薄弱连接面的成形温度与环境，形成电阻点焊和摩擦焊的复合型接头，增加了点焊接头几何尺寸，从而提升了搅拌摩擦电阻点焊接头的焊接质量。

附图说明

图1所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的结构示意图；

图2所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法流程图；

图3（a）～3（f）所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接原理图；

图4所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置焊接过程中的t-I图。

具体实施方式

为详细说明本发明创造的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，图1所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的结构示意图。所述搅拌摩擦电阻点焊装置1包括焊接垫块11，所述焊接垫块11用于承载所述待焊接板材2，并在所述焊接垫块11内设置T型通孔111；导电杆12，所述导电杆12设置在所述T型通孔111内，并与所述焊接垫块11之承载面112共水平面，所述导电杆12与外部电源（未图示）的第一电极31电连接；以及搅拌头13，所述搅拌头13用于焊接所述待焊接板材2，并进一步包括设置在所述搅拌头13里层的搅拌针131、设置在所述搅拌头13外层的夹紧套132，以及设置在所述搅拌针131与所述夹紧套132之间的搅拌套133，所述搅拌针131、搅拌套133，以及所述夹紧套132共中心轴线设置，所述夹紧套132与所述外部电源的第二电极32电连接，所述搅拌针131和所述搅拌套133与所述待焊接板材2之接触面具有电绝缘特性。

其中，所述第一电极31为所述外部电源的正极，所述第二电极32为所述外部电源的负极。或者，所述第一电极31为所述外部电源的负极，所述第二电极32为所述外部电源的正极。所述外部电源为直流电源。优选地，所述搅拌针131和所述搅拌套133可以为绝缘材料制备，或者在所述搅拌针131和所述搅拌套133与所述待焊接板材之接触面涂布绝缘材料。

请参阅图2、图3（a）～3（f）、图4，并结合参阅图1，图2所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法流程图。图3（a）～3（f）所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接原理图。图4所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置焊接过程中的t-I图。所述搅拌摩擦电阻点焊装置1的焊接方法，包括：

执行步骤S1：开始焊接阶段，提供所述待焊接板材2，并承载在所述焊接垫块11上，所述导电杆12与所述第一电极31电连接，所述搅拌套133与所述第二电极32电连接，所述搅拌头13之夹紧套132压紧所述待焊接板材2，所述搅拌头13之搅拌针131和搅拌套133与所述待焊接板材2接触，且所述搅拌针131和所述搅拌套133均向所述待焊接板材2方向挤压旋转，使所述待焊接板材2之金属材料塑性软化；

执行步骤S2：压入阶段，所述搅拌套133向所述待焊接板材2方向旋转运动，并压入所述待焊接板材2内部，所述搅拌针131向异于所述待焊接板材2的方向旋转运动，所述搅拌套133和所述搅拌针131相对运动，并为所述呈塑性状态之材料的运动提供空间，所述呈塑性状态的材料便向所述空间流动，在所述压入阶段，所述外部电源为所述第一电极31和所述第二电极32输入的焊接电流为3000～10000A；

其中，所述搅拌针131向异于所述待焊接板材2的方向旋转运动，以为所述呈塑性状态之材料的运动提供空间。所述搅拌套133向所述待焊接板材2的方向旋转运动，以推动所述呈塑性状态之材料发生相互搅拌与运动。

执行步骤S3：回填阶段，当所述搅拌头13之搅拌针131和所述搅拌套133运动至预定深度时，所述搅拌针131向所述待焊接板材的方向旋转运动，所述搅拌套133向异于所述待焊接板材2的方向旋转运动，在所述回填阶段，所述外部电源对所述第一电极31和第二电极32输入的焊接电流为3000～10000A，所述呈塑性状态之材料进一步融合、搅拌；

作为本发明的优选实施方式，在所述压入阶段，所述外部电源为所述第一电极31和所述第二电极32输入的焊接电流I1为3000～10000A；在所述回填阶段，所述外部电源为所述第一电极31和所述第二电极32输入的焊接电流I2为5000～10000A。

执行步骤S4：焊接结束阶段，当所述搅拌套133和所述搅拌针131运动至同一水平面后，所述搅拌头13之搅拌套133和搅拌针131停止旋转，所述搅拌头13在所述待焊接板材2保持锻压，并在所述锻压过程之后所述搅拌头13回撤至初始工位，所述外部电源关闭，完成焊接作业。其中，所述搅拌套13在所述待焊接板材上的锻压时间优选的为0.2～1秒。

显然地，本发明搅拌摩擦电阻点焊装置1通过将所述焊接垫块11内的导电杆12与所述外部电源的第一电极31电连接，将所述搅拌头13之搅拌套133与所述外部电源的第二电极32电连接，并在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的焊接电流，使得所述搅拌套133外圈的焊接材料逐渐软化并熔化，改善了点焊接头薄弱连接面的成形温度与环境，形成电阻点焊和摩擦焊的复合型接头，增加了点焊接头几何尺寸，从而提升了搅拌摩擦电阻点焊接头的焊接质量。

作为本领域的技术人员不难理解地，本发明不仅适用于铝、镁等轻合金的连接，也可以应用于各种轻合金与高强钢以及高强钢之间的连接。

综上所述，本发明所述搅拌摩擦电阻点焊装置显然地，本发明搅拌摩擦电阻点焊装置1通过将所述焊接垫块11内的导电杆12与所述外部电源的第一电极21电连接，将所述搅拌头13之搅拌套133与所述外部电源的第二电极22电连接，并在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的焊接电流，使得所述搅拌套133外圈的焊接材料逐渐软化并熔化，改善了点焊接头薄弱连接面的成形温度与环境，形成电阻点焊和摩擦焊的复合型接头，增加了点焊接头几何尺寸，从而提升了搅拌摩擦电阻点焊接头的焊接质量。

本领域技术人员均应了解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。因而，如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范围内时，认为本发明涵盖这些修改和变型。

Claims

1.一种搅拌摩擦电阻点焊装置，其特征在于，所述搅拌摩擦电阻点焊装置包括：

焊接垫块，所述焊接垫块用于承载所述待焊接板材，并在所述焊接垫块内设置T型通孔；

导电杆，所述导电杆设置在所述T型通孔内，并与所述焊接垫块之承载面共水平面，所述导电杆与外部电源的第一电极电连接；以及，

搅拌头，所述搅拌头用于焊接所述待焊接板材，并进一步包括设置在所述搅拌头里层的搅拌针、设置在所述搅拌头外层的夹紧套，以及设置在所述搅拌针与所述夹紧套之间的搅拌套，所述搅拌针、搅拌套，以及所述夹紧套共中心轴线设置，所述夹紧套与所述外部电源的第二电极电连接，所述搅拌针和所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面具有电绝缘特性。

2.如权利要求1所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法，其特征在于，所述第一电极为所述外部电源的正极，所述第二电极为所述外部电源的负极。

3.如权利要求1所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法，其特征在于，所述第一电极为所述外部电源的负极，所述第二电极为所述外部电源的正极。

4.如权利要求1所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法，其特征在于，所述外部电源为直流电源。

5.如权利要求1所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法，其特征在于，所述搅拌针和所述搅拌套为绝缘材料制备。

6.如权利要求1所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法，其特征在于，所述搅拌针和所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面涂布绝缘材料。

7.一种如权利要求1所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法，其特征在于，所述方法包括：

8.如权利要求7所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法，其特征在于，在所述压入阶段，所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为3000～10000A。

9.如权利要求8所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法，其特征在于，在所述回填阶段，所述外部电源对所述第一电极和第二电极输入的焊接电流为3000～10000A。

10.如权利要求7所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法，其特征在于，在所述压入阶段，所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为3000～5000A；在所述回填阶段，所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为5000～10000A。

11.如权利要求7所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法，其特征在于，所述搅拌套在所述待焊接板材上的锻压时间为0.2～1秒。