CN103801819A - 一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法及其工具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具和方法，包括由内至外依次套装且相对滑动设置的搅拌针、轴肩、压紧套筒，在所述搅拌针的搅拌端部外壁上沿周向均匀布设有至少两个搅拌凸棱，在所述轴肩的端面开设有与所述搅拌凸棱相配合的容置槽口，所述搅拌凸棱能沿所述容置槽口伸缩，且所述搅拌针的搅拌端部端面能与所述轴肩和所述压紧套筒的端面处于同一个平面上。本发明能够有效消除回填式搅拌摩擦点焊接头组织分布复杂的缺陷，同时又能保留回填式搅拌摩擦点焊接头表面无匙孔的优点。

Description

一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法及其工具

技术领域

本发明涉及一种无匙孔摩擦点焊，尤其涉及一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法及其工具，属于点连接技术领域，适用于同种或异种可热塑化材料的点连接。

背景技术

搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一项极具市场应用前景的新型固相连接技术。与电阻点焊、铆接等连接技术相比较，搅拌摩擦点焊方法具有以下优点：1、电能消耗少，成本低，已有研究表明，搅拌摩擦点焊与电阻点焊相比电能消耗可减少99%；2、与电阻点焊相比，接头质量高、缺陷率低、变形小，焊接质量稳定；3、工作环境清洁，搅拌摩擦点焊没有灰尘和烟雾，不需要大电流，生产过程清洁，不会产生电磁和噪声污染，属于绿色无污染工艺。

目前，搅拌摩擦点焊技术已经发展出多种形式，如常规搅拌摩擦点焊、回填式搅拌摩擦点焊、无针搅拌摩擦点焊等。回填式搅拌摩擦点焊由于焊后无匙孔，焊点成形较好而成为最具吸引力的一种搅拌摩擦点焊技术。

然而，在现有的回填式搅拌摩擦点焊焊接过程中，由于扎入被焊材料的轴肩不能对整个焊点区域进行充分搅拌，导致焊接区内部组织分布较为复杂，并且容易出现疏松和弱连接等缺陷，这些问题导致回填式搅拌摩擦点焊接头疲劳性能尚不如带匙孔的常规搅拌摩擦点焊接头，而疲劳性能在航空结构件中显得尤为重要。因此有必要发明一种新的点焊方法，有效消除回填式搅拌摩擦点焊接头组织分布复杂的缺点，同时又能保留回填式搅拌摩擦点焊接头表面无匙孔的优点。

发明内容

本发明的目的是针对现有回填式搅拌摩擦点焊技术中存在的问题，提供一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，该摩擦点焊工具能够有效消除回填式搅拌摩擦点焊接头组织分布复杂的缺陷，同时又能保留表面无匙孔的摩擦点焊接头。

本发明的另一目的是提供一种摩擦点焊工具能够有效消除回填式搅拌摩擦点焊接头组织分布复杂的缺陷，同时又能保留回填式搅拌摩擦点焊接头表面无匙孔的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法。

为达到上述目的，本发明提出一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，包括由内至外依次套装且相对滑动设置的搅拌针、轴肩、压紧套筒，在所述搅拌针的搅拌端部外壁上沿周向均匀布设有至少两个搅拌凸棱，在所述轴肩的端面开设有与所述搅拌凸棱相配合的容置槽口，所述搅拌凸棱能沿所述容置槽口伸缩，且所述搅拌针的搅拌端部端面能与所述轴肩和所述压紧套筒的端面处于同一个平面上。

如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，其中，在所述搅拌针的搅拌端部外壁上沿周向均匀布设有2至4个搅拌凸棱。

如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，其中，在所述搅拌凸棱外侧壁上设有螺纹。

如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，其中，所述搅拌凸棱的外径与所述轴肩的外径和所述压紧套筒的内径相等。

本发明还提供了一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，采用如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，所述方法包括：

步骤A：将搅拌针的搅拌端部的端面与轴肩和压紧套筒的端面齐平，所述搅拌针、轴肩和压紧套筒的轴线与被焊工件表面相垂直并下压至所述被焊工件的待焊位置，此时所述搅拌针和所述轴肩的位置为初始位置，之后，驱动所述搅拌针和所述轴肩开始高速旋转，并与被焊工件表面相互摩擦，产生的摩擦热使被焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域；

步骤B：保持所述搅拌针和所述轴肩高速旋转状态，使所述搅拌针沿轴线向下移动，压入所述塑性流动材料区域，同时驱动所述轴肩沿轴线向上移动；随着所述搅拌针的搅拌端部压入，所述塑性流动材料区域深度逐渐扩大，并将塑性流动材料区域内的塑化物挤压到所述轴肩上移后由所述搅拌针与所述压紧套筒之间形成的容置空腔中；

步骤C：继续保持所述搅拌针和所述轴肩高速旋转状态，所述搅拌针继续向下移动，所述轴肩继续向上移动，使得所述塑化物容置于所述容置空腔中；

步骤D：当所述搅拌针的搅拌端部到达预定焊接深度后，驱动所述搅拌针向上移动，同时驱动所述轴肩向下移动，使得所述容置空腔中的塑化物受挤压并逐渐回填至所述被焊工件表面形成的塑性流动材料区域内，同时所述搅拌针的搅拌端部保证回填至所述塑性流动材料区域内的塑化物的整体锻压成形；

步骤E：所述搅拌针向上移动且所述轴肩向下移动回复至所述初始位置，在所述搅拌针的搅拌凸棱的搅拌作用下及向下压力的作用下，置于所述容置空腔内的所述塑化物回填至塑性流动材料区域内，并与被焊工件表面齐平，所述搅拌针和所述轴肩停止旋转运动，塑化物冷却后，在回填后的区域形成一个完整的焊点；

步骤F：将所述搅拌针、轴肩和压紧套筒整体向上移动，并与被焊工件分离，点焊过程完成。

如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，其中，所述被焊工件为两块焊接件对接而成，所述预定焊接深度为所述搅拌针的搅拌端部端面下移至接近所述焊接件下表面0.1mm～0.3mm位置。

如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，其中，所述被焊工件为至少两块焊接件搭接而成，所述预定焊接深度为所述搅拌针的搅拌端部端面向下移动至最下层焊接件的上表面以下。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

本发明焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具及其点焊方法，采用带有2-4个搅拌凸棱的搅拌针、相应开有2-4个容置槽口的轴肩，以及压紧套筒，驱动搅拌针和轴肩高速旋转，与被焊工件摩擦，为焊接过程提供热量。搅拌针连同搅拌凸棱整体向下移动，对塑化材料进行完全充分的搅拌，轴肩向上移动，为挤出的塑化材料提供储存空间。搅拌凸棱保证了塑化材料的充分搅拌，而搅拌针与轴肩的相互咬合又保证了焊点表面光滑平整，从而改善了点焊接头组织，提高接头性能。

本发明作为全新的固相点连接技术，在壁板结构件，如飞机带筋壁板、汽车壳体等的点连接，以及长焊缝对接前的定位焊、缺陷修补等工程应用领域拥有巨大潜力。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具的结构示意图；

图2A为本发明的搅拌针的局部结构示意图；

图2B为本发明的轴肩的局部结构示意图；

图2C为本发明的压紧套筒的局部结构示意图；

图3A为本发明的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具实施例一的端面结构示意图；

图3B为本发明的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具实施例二的端面结构示意图；

图3C为本发明的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具实施例三的端面结构示意图；

图4为本发明焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具在点焊搭接工件时的使用状态示意图；

图5为本发明焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具在点焊对接工件时的使用状态示意图。

附图标记说明：

1-搅拌针；11-搅拌端部；12-搅拌凸棱；2-轴肩；21-容置槽口；3-压紧套筒；

4-被焊工件；41、42-搭接焊接件；43、44-对接焊接件；5-塑性流动材料区域；

6-容置空腔。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。

请参考图1、图2A、图2B、图2C，分别为本发明焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具的结构示意图；本发明的搅拌针、轴肩及压紧套筒的局部结构示意图。本发明提供了一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，包括由内至外依次套装且能相对滑动设置的搅拌针1、轴肩2、压紧套筒3，在搅拌针1的搅拌端部11外壁上沿周向均匀布设有至少两个搅拌凸棱12，在轴肩2的端部开设有与搅拌凸棱12相配合的容置槽口21，搅拌凸棱12恰好容置于容置槽口21内并且能够沿容置槽口21伸缩，且搅拌针1的搅拌端部11端面能与轴肩2和压紧套筒3的端面处于同一个平面上，同时，搅拌针1与轴肩2又可以产生沿轴向的相对运动，使得在点焊过程中，搅拌针1的搅拌凸棱1能够与轴肩2沿轴向相对移动，搅拌凸棱12可扎入被焊工件，对整个焊点区域进行充分搅拌，有效消除回填式搅拌摩擦点焊接头组织分布复杂的缺点，搅拌凸棱12也可收缩至容置槽口21内，使得塑化材料物回填至焊点区域，以保留回填式搅拌摩擦点焊接头表面无匙孔的优点。

如图3A所示，在本发明一种可选的实施例中，在搅拌针1的搅拌端部11外壁上沿周向对称设置有2个搅拌凸棱12。如图3B所示，在本发明另一种可选的实施例中，在搅拌针1的搅拌端部11外壁上沿周向均匀布设有3个搅拌凸棱12。如图3C所示，在本发明再一种可选的实施例中，在搅拌针1的搅拌端部11外壁上沿周向均匀布设有4个搅拌凸棱12。在本发明中，搅拌凸棱12设置的数量可以根据实际需要进行选择，对此本发明不作限制。

进一步的，为了加强搅拌效果，在搅拌凸棱12外侧壁上设有螺纹。

在本发明中，搅拌凸棱12的外径与轴肩2的外径和压紧套筒3的内径相等，从而保证搅拌针1的搅拌凸棱12与轴肩2相结合，并能相对滑动的套装于压紧套筒3内。

如图4、图5所示，本发明还提供了一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，采用如上所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，焊接前，将被焊工件4置于焊接平台上，搅拌针1置于轴肩2内，轴肩2置于压紧套筒3内，搅拌针1的搅拌凸棱12与轴肩2的容置槽口21相互咬合，搅拌针1、轴肩2和压紧套筒3前端面处于同一个平面上，通过轴向运动，使搅拌针1、轴肩2和压紧套筒3压置于被焊工件4表面待焊位置，并施加一定的压力。

所述方法包括：

步骤A：将搅拌针1的搅拌端部11的端面与轴肩2和压紧套筒3的端面齐平，搅拌针1、轴肩2和压紧套筒3的轴线与被焊工件4表面相垂直并下压至被焊工件4的待焊位置，此时搅拌针1和轴肩2的位置为初始位置；之后，驱动搅拌针1和轴肩2开始高速旋转，高速旋转速度为100～3000转/分钟，并与被焊工件表面相互摩擦，产生的摩擦热使被焊工件4表面塑化，形成塑性流动材料区域；其中，外部驱动机构驱动搅拌针1和轴肩2高速旋转为已有技术，在此不再详细描述。

步骤B：保持搅拌针1和轴肩2高速旋转状态，使搅拌针1沿轴线向下移动，压入塑性流动材料区域5，同时驱动轴肩2沿轴线向上移动；随着搅拌针1的搅拌端部11压入塑性流动材料区域5，塑性流动材料区域5深度逐渐扩大，并将塑性流动材料区域5内因摩擦热产生的塑化物挤压到轴肩2上移后由搅拌针1与压紧套筒3之间形成的容置空腔6中；

步骤C：继续保持搅拌针1和轴肩2高速旋转状态，搅拌针1继续向下移动，轴肩2继续向上移动，使得塑化物容置于容置空腔6中；

步骤D：当搅拌针1的搅拌端部11到达预定焊接深度后，驱动搅拌针1向上移动，同时驱动轴肩2向下移动，向下挤压容置空腔6中的塑化物并使其逐渐回填至被焊工件4表面形成的塑性流动材料区域5内，同时搅拌针1的搅拌端部11保证回填至塑性流动材料区域5内的塑化物的整体锻压成形；

步骤E：搅拌针1向上移动且轴肩2向下移动回复至初始位置，在搅拌针1的搅拌凸棱12的搅拌作用下及向下压力的作用下，置于容置空腔6内的塑化物回填至塑性流动材料区域5内，并与被焊工件4表面齐平，搅拌针1和轴肩2停止旋转运动，塑化物冷却后，在回填后的区域形成一个完整的焊点；

步骤F：将搅拌针1、轴肩2和压紧套筒3整体向上移动，并与被焊工件4分离，点焊过程完成。

如图4所示，作为本发明一种可选的实施方式，被焊工件4为两块焊接件41、42搭接而成，焊接件41、42按照搭接要求装夹固定，搅拌针1、轴肩2、压紧套筒3同步移动，下压至被焊工件4上表面并施加一定的压力，搅拌针1、轴肩2以相同的旋转方向和旋转速度高速旋转，并与被焊工件4表面相互摩擦；搅拌针1在高速旋转状态下沿轴线向下移动，插入被焊工件4，同时轴肩2在高速旋转状态下向上移动，搅拌针1、轴肩2沿轴向的移动速度满足如下先后顺序关系：搅拌针1挤出的塑化材料体积与轴肩2上移形成的空间体积相同；搅拌针1向下移动至下端面越过焊接件41、42之间的界面0.1mm～0.2mm时停止向下移动，但保持高速旋转，停留1秒左右时间后，搅拌针1、轴肩2开始沿轴线反方向移动；搅拌针1、轴肩2下端面移动至与被焊工件4上表面齐平时停止轴向移动和旋转运动；搅拌针1、轴肩2、压紧套筒3同步上移，完成焊接件41、42之间的搭接点焊。即预定焊接深度为所述搅拌针的搅拌端部端面向下移动至最下层焊接件的上表面以下，以保证两块焊接件焊接在一起。被焊工件4也可以由三块、四块或更多块焊接件搭接而成，本发明对此不作限制。

如图5所示，作为本发明另一种可选的实施方式，被焊工件4为两块焊接件43、44对接而成，预定焊接深度为搅拌针1的搅拌端部11端面下移至接近焊接件43、44下表面0.1mm～0.3mm位置，以保证两块焊接件焊接在一起。具体过程为：焊接件43、44按照对接要求装夹固定，搅拌针1、轴肩2、压紧套筒3轴线对准焊接件43、44对接缝，下压至焊接件43、44上表面并施加一定的压力，搅拌针1、轴肩2以相同的旋转方向和旋转速度高速旋转，并与被焊工件表面相互摩擦；搅拌针1在高速旋转状态下沿轴线向下移动，插入被焊工件4，同时轴肩2在高速旋转状态下向上移动，搅拌针1、轴肩2移动速度满足如下先后顺序关系：搅拌针1挤出的塑化材料体积与轴肩2上移形成的空间体积相同；搅拌针1向下移动至距离焊接件43、44下表面0.1mm时停止向下移动，但保持高速旋转，停留1秒左右时间后，搅拌针1、轴肩2开始沿轴线反方向移动；搅拌针1、轴肩2下端面移动至与焊接件43、44上表面齐平时停止轴向移动和旋转运动；搅拌针1、轴肩2、压紧套筒3同步上移，完成焊接件43、44之间的对接点焊。

另外，本发明还可以在搅拌摩擦焊匙孔位置塞入同质材料，使塞入材料体积大于或等于匙孔体积，按照图5所示的方式对匙孔位置进行点焊，从而实现对搅拌摩擦焊匙孔的消除。

本发明焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具及其点焊方法，采用带有2-4个搅拌凸棱12的搅拌针1、相应开有2-4个容置槽口21的轴肩2，以及压紧套筒3，驱动搅拌针1和轴肩2高速旋转，与被焊工件4摩擦，为焊接过程提供热量。搅拌针1连同搅拌凸棱12整体向下移动，对塑化材料进行完全充分的搅拌，轴肩2向上移动，为挤出的塑化材料提供储存空间。搅拌凸棱12保证了塑化材料的充分搅拌，而搅拌针1与轴肩2的相互咬合又保证了焊点表面光滑平整，从而改善了点焊接头组织，提高接头性能。本发明作为全新的固相点连接技术，在壁板结构件，如飞机带筋壁板、汽车壳体等的点连接，以及长焊缝对接前的定位焊、缺陷修补等工程应用领域拥有巨大潜力。

本发明既保留了回填式搅拌摩擦点焊焊点表面平整无匙孔的优点，同时，由于在搅拌针前端增加了搅拌凸棱，又保证了整个焊点区域的有效搅拌。与现有技术相比，有效消除了回填式搅拌摩擦点焊由于轴肩搅拌区与搅拌针回填区相互分离无重叠而导致的接头组织不连续甚至产生空洞的缺点。此外，本发明的点焊方法与现有技术相比不产生匙孔，焊接深度更大，具有显著的进步。

针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (7)

1.一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，包括由内至外依次套装且相对滑动设置的搅拌针、轴肩、压紧套筒，其特征在于，在所述搅拌针的搅拌端部外壁上沿周向均匀布设有至少两个搅拌凸棱，在所述轴肩的端面开设有与所述搅拌凸棱相配合的容置槽口，所述搅拌凸棱能沿所述容置槽口伸缩，且所述搅拌针的搅拌端部端面能与所述轴肩和所述压紧套筒的端面处于同一个平面上。

2.如权利要求1所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，其特征在于，在所述搅拌针的搅拌端部外壁上沿周向均匀布设有2至4个搅拌凸棱。

3.如权利要求1所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，其特征在于，在所述搅拌凸棱外侧壁上设有螺纹。

4.如权利要求1至3中任一项所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌凸棱的外径与所述轴肩的外径和所述压紧套筒的内径相等。

5.一种焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，其特征在于，采用如权利要求1至4中任一项所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊工具，所述方法包括：

步骤A：将搅拌针的搅拌端部的端面与轴肩和压紧套筒的端面齐平，所述搅拌针、轴肩和压紧套筒的轴线与被焊工件表面相垂直并下压至所述被焊工件的待焊位置，此时所述搅拌针和所述轴肩的位置为初始位置，之后，驱动所述搅拌针和所述轴肩开始高速旋转，并与被焊工件表面相互摩擦，产生的摩擦热使被焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域；

步骤B：保持所述搅拌针和所述轴肩高速旋转状态，使所述搅拌针沿轴线向下移动，压入所述塑性流动材料区域，同时驱动所述轴肩沿轴线向上移动；随着所述搅拌针的搅拌端部压入，所述塑性流动材料区域深度逐渐扩大，并将塑性流动材料区域内的塑化物挤压到所述轴肩上移后由所述搅拌针与所述压紧套筒之间形成的容置空腔中；

步骤C：继续保持所述搅拌针和所述轴肩高速旋转状态，所述搅拌针继续向下移动，所述轴肩继续向上移动，使得所述塑化物容置于所述容置空腔中；

步骤D：当所述搅拌针的搅拌端部到达预定焊接深度后，驱动所述搅拌针向上移动，同时驱动所述轴肩向下移动，使得所述容置空腔中的塑化物受挤压并逐渐回填至所述被焊工件表面形成的塑性流动材料区域内，同时所述搅拌针的搅拌端部保证回填至所述塑性流动材料区域内的塑化物的整体锻压成形；

步骤E：所述搅拌针向上移动且所述轴肩向下移动回复至所述初始位置，在所述搅拌针的搅拌凸棱的搅拌作用下及向下压力的作用下，置于所述容置空腔内的所述塑化物回填至塑性流动材料区域内，并与被焊工件表面齐平，所述搅拌针和所述轴肩停止旋转运动，塑化物冷却后，在回填后的区域形成一个完整的焊点；

步骤F：将所述搅拌针、轴肩和压紧套筒整体向上移动，并与被焊工件分离，点焊过程完成。

6.如权利要求5所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，其特征在于，所述被焊工件为两块焊接件对接而成，所述预定焊接深度为所述搅拌针的搅拌端部端面下移至接近所述焊接件下表面0.1mm～0.3mm位置。

7.如权利要求5所述的焊点区全搅拌无匙孔摩擦点焊方法，其特征在于，所述被焊工件为至少两块焊接件搭接而成，所述预定焊接深度为所述搅拌针的搅拌端部端面向下移动至最下层焊接件的上表面以下。

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