CN104972216A - 一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工艺方法，属于搅拌摩擦焊技术领域。所述自持式焊具的尺寸根据上搭接板和下搭接板的厚度来确定；搅拌摩擦搭接焊接时，首先将上搭接板和下搭接板从上至下叠放组成搭接结构，并用夹具对其进行紧固定位；然后移动自持式焊具至焊接起始位置，并使其上轴肩低于上搭接板上表面0-0.3mm，随后焊机主轴旋转并沿既定焊接路径对搭接结构实施搅拌摩擦搭接焊接。本发明解决了背部无法放置支撑垫板的搭接结构的搅拌摩擦搭接焊接问题。

Description

一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工艺方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体地说涉及一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工艺方法。

背景技术

作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊有效避免了熔化焊中常见的气孔、裂纹等常见缺陷，因而能够实现多种低熔点金属材料的高质量焊接。在过去二十几年的时间里，搅拌摩擦焊主要被应用于金属板材的对接连接中，但实际上，在很多领域，诸如航空、航天和汽车制造业等，搭接接头也是常见的结构件连接形式，且搭接接头的连接质量往往直接影响着整个结构件运行的可靠性。鉴于搅拌摩擦焊在金属板材对接连接中所表现出的特殊优越性，近年来，这一技术逐渐被引入到金属板材搭接结构的连接制造中。大量研究结果表明，在搭接结构的连接制造中，与熔化焊方法相比，搅拌摩擦搭接焊接技术具有更为优异的接头性能、更小的接头焊接变形量、更低的成本以及更高的生产效率。目前，搅拌摩擦搭接焊接技术已被成功应用到轨道交通、汽车制造、航空航天等各个行业的搭接结构的制造业领域。

常规的搅拌摩擦搭接焊接工艺是一种单轴肩焊接工艺，也就是说，所用焊具仅包含一个轴肩，且在轴肩端面上加工有凸起的搅拌针。焊接时，焊具由上搭接板扎入，对搭接结构施加热机作用，为了保障焊缝的优质成形，此时需在搭接结构背部放置一块支撑垫板，以对下扎的焊具进行顶锻支撑。但实际上，在很多情况下，搭接结构的位置特殊，几何形态也可能比较复杂，不易于或根本不允许在其背部安置支撑垫板，导致无法采用搅拌摩擦搭接焊接技术对其实施搭接焊接，从而限制了搅拌摩擦搭接焊接技术在搭接结构件制造中的应用。

在中国专利申请（如：申请号为201010563148.8、201010296480.2和201210078214.1等）中公开的一些技术方案中，出现了自持式焊具的概念。自持式焊具的特点是它包含上、下两个轴肩，焊接时下轴肩不仅参与摩擦产热，还对被焊工件背部施加刚性支撑。这种焊具避免了常规搅拌摩擦焊中所必需的支撑垫板的使用，因而能够解决结构件背部无法放置支撑垫板时的焊接问题。但到目前为止，这种自持式焊具还仅被用于金属板材的搅拌摩擦对接焊接当中，有关其在金属板材的搅拌摩擦搭接焊接方面的应用研究还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工艺方法，用于解决背部无法放置支撑垫板的搭接结构的搅拌摩擦搭接焊接问题。

本发明的技术方案是：

一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具，该自持式焊具包括上轴肩、下轴肩和搅拌针；其中：所述上轴肩的直径Φ1为上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3的和的2-3.5倍，所述下轴肩的直径Φ3等于或小于上轴肩的直径Φ1，所述搅拌针的长度d1比上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3的和小0-0.6mm，所述搅拌针的直径Φ2为上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3的和的1-1.5倍。

利用上述自持式焊具进行搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，该方法包括如下步骤：

（1）被焊搭接结构组建及定位：将上搭接板和下搭接板组成被焊搭接结构后，用夹具对其进行紧固定位，保证上搭接板和下搭接板的待焊接表面紧密接触,且在焊接中不会发生相对滑动。

（2）焊接实施：将自持式焊具安装到焊机主轴上，启动焊机，移动自持式焊具至焊接起始位置，并使其上轴肩低于上搭接板上表面的距离δ为0-0.3mm，随后主轴以150r/min-3000r/min的旋转速度开始旋转，自持式焊具以10mm/min-1000mm/min的焊接速度沿着既定焊接路径行进，对由上搭接板和下搭接板所组成的搭接结构实施搅拌摩擦搭接焊接。

步骤（1）中，所述被焊搭接结构是由上搭接板和下搭接板从上至下依次叠放组成。

所述上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3为1-15mm，d2和d3可以相等，也可以不等。

所述上搭接板和下搭接板的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

所述上搭接板和下搭接板可以为同种材料，也可以为异种材料。

本发明的有益效果是：

第一，本发明的一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工艺方法，在无需放置背部支撑垫板的情况下即可实现搭接结构的搅拌摩擦搭接焊接，从而解决了无法放置背部支撑垫板的搭接结构的搅拌摩擦搭接焊接问题，拓宽了搅拌摩擦焊技术在结构制造业领域的应用范围。

第二，本发明中，自持式焊具的上、下轴肩在焊接中同时对被焊搭接结构施加热机作用，二者所引起的沿工件厚度方向的热应力方向相反，导致热应力在很大程度上能够相互抵消，因而与常规搅拌摩擦搭接焊接中单轴肩的单侧热机作用相比，这种双侧热机作用能够显著控制由焊接热应力所引起的焊接变形。这一点对于薄板搭接结构的焊接意义尤为重大。

第三，搅拌摩擦搭接焊接过程中，采用常规焊具时，搭接界面将在焊具轴向力作用下沿工件厚度方向发生迁移，造成焊缝有效厚度的减薄，并会降低接头性能。当采用本发明自持式焊具实施搅拌摩擦搭接焊接时，焊具的上、下轴肩同时分别对上、下搭接板施加方向相反的轴向力作用，二者在很大程度上可以相互抵消，使得搭接结构所受轴向力显著减小，从而抑制了搭接界面的迁移，并有助于提高搭接接头的力学性能。

附图说明

图1为本发明自持式焊具的结构主视图。

图2为本发明搅拌摩擦搭接焊接过程中自持式焊具1与上搭接板2和下搭接板3的相对位置示意图。

其中：1为自持式焊具,11为上轴肩，12为搅拌针，13为下轴肩，Φ1为上轴肩11的直径，Φ2为搅拌针12的直径，d1为搅拌针12的长度，Φ3为下轴肩13的直径，2为上搭接板，3为下搭接板，d2为上搭接板2的厚度，d3为下搭接板3的厚度，δ为上轴肩11低于上搭接板2上表面的距离。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1-2所示，本发明自持式焊具1包括上轴肩11、下轴肩13和搅拌针12；自持式焊具1的尺寸根据上搭接板2的厚度d2和下搭接板3的厚度d3来确定。自持式焊具1中，上轴肩11的直径Φ1为上搭接板2的厚度d2和下搭接板3的厚度d3的和的2-3.5倍，下轴肩13的直径Φ3等于或小于上轴肩11的直径Φ1，搅拌针12的长度d1比上搭接板2的厚度d2和下搭接板3的厚度d3的和小0-0.6mm，搅拌针12的直径Φ2为上搭接板2的厚度d2和下搭接板3的厚度d3的和的1-1.5倍。

采用上述自持式焊具进行搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，是通过以下步骤实现的：

步骤一：被焊结构组建及定位。将上搭接板2和下搭接板3从上至下叠放组成搭接结构，并用夹具对其进行紧固定位，保证上搭接板2和下搭接板3的待焊接表面紧密接触,且在焊接中不会发生相对滑动。

步骤二：焊接实施。将自持式焊具1安装到焊机主轴上，启动焊机，移动自持式焊具1至焊接起始位置，并使其上轴肩11低于上搭接板2上表面的距离δ为0-0.3mm，随后主轴以150r/min-3000r/min的旋转速度开始旋转，自持式焊具1以10mm/min-1000mm/min的焊接速度沿着既定焊接路径行进，对由上搭接板2和下搭接板3所组成的搭接结构实施搅拌摩擦搭接焊接。

上搭接板2的厚度d2和下搭接板3的厚度d3为1-15mm，d2和d3可以相等，也可以不等。

上搭接板2和下搭接板3的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜、铜合金。上搭接板2和下搭接板3可以为同种材料，也可以为异种材料。

实施例1

将上搭接板2和下搭接板3均选定为尺寸规格是300mm×75mm×3mm的6061铝合金板材，采用自持式焊具对由上搭接板2和下搭接板3所组成的搭接结构进行搅拌摩擦搭接焊接。焊接前，确定所用自持式焊具尺寸：上轴肩11的直径Φ1和下轴肩13的直径Φ3均为16mm，搅拌针12的长度d1为5.8mm，搅拌针12的直径Φ2为8mm。

采用已确定尺寸的自持式焊具实施搅拌摩擦搭接焊接：首先将上搭接板2和下搭接板3从上至下叠放组成搭接结构，并用夹具对其进行紧固定位，保证上搭接板和下搭接板的待焊接表面紧密接触,且在焊接中不会发生相对滑动；然后将自持式焊具1安装到焊机主轴上，启动焊机，移动自持式焊具1至焊接起始位置，并使其上轴肩11低于上搭接板2上表面的距离δ为0.1mm，随后主轴以600r/min的旋转速度开始旋转，自持式焊具1以100mm/min的焊接速度沿直线行进，对由上搭接板2和下搭接板3所组成的搭接结构实施搅拌摩擦搭接焊接。

对焊接结果进行分析发现，所得搭接接头的搭接界面沿板材厚度方向的迁移量为0.38mm，根据国家标准GB/T2651-2008设计标准拉伸试样，力学性能测试表明，接头拉断力达到了414N/mm。在相同的主轴转速、焊接速度和轴肩压入量下，采用常规搅拌摩擦搭接焊接方法进行比较例试验，结果表明，所获得的搭接接头的搭接界面迁移量为0.88mm，接头拉断力为305N/mm。由此可见，采用本发明的自持式焊具及工艺方法进行搅拌摩擦搭接焊接，不仅解决了背部无法放置支撑垫板的搭接结构的搅拌摩擦搭接焊接问题，还能够抑制焊接中搭接界面的迁移量，并由此提高了搭接接头的力学性能。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦搭接焊接的自持式焊具，其特征在于：该自持式焊具（1）包括上轴肩（11）、下轴肩（13）和搅拌针（12）；其中：所述上轴肩（11）的直径Φ1为上搭接板（2）的厚度d2和下搭接板（3）的厚度d3的和的2-3.5倍，所述下轴肩（13）的直径Φ3等于或小于上轴肩（11）的直径Φ1，所述搅拌针（12）的长度d1比上搭接板（2）的厚度d2和下搭接板（3）的厚度d3的和小0-0.6mm，所述搅拌针（12）的直径Φ2为上搭接板（2）的厚度d2和下搭接板（3）的厚度d3的和的1-1.5倍。

2.一种利用权利要求1所述自持式焊具进行搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）被焊搭接结构组建及定位：将上搭接板（2）和下搭接板（3）组成被焊搭接结构后，用夹具对其进行紧固定位，保证上搭接板（2）和下搭接板（3）的待焊接表面紧密接触,且在焊接中不会发生相对滑动；

（2）焊接实施：将自持式焊具1安装到焊机主轴上，启动焊机，移动自持式焊具（1）至焊接起始位置，并使其上轴肩（11）低于上搭接板（2）上表面的距离δ为0-0.3mm，随后主轴以150r/min-3000r/min的旋转速度开始旋转，自持式焊具（1）以10mm/min-1000mm/min的焊接速度沿着既定焊接路径行进，对由上搭接板（2）和下搭接板（3）所组成的搭接结构实施搅拌摩擦搭接焊接。

3.根据权利要求2所述搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，其特征在于：步骤（1）中，所述被焊搭接结构是由上搭接板（2）和下搭接板（3）从上至下依次叠放组成。

4.根据权利要求2所述搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，其特征在于：所述上搭接板（2）的厚度d2和下搭接板（3）的厚度d3为1-15mm.

5.根据权利要求4所述搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，其特征在于：上搭接板（2）的厚度d2和下搭接板（3）的厚度d3可以相等，也可以不等。

6.根据权利要求2所述搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，其特征在于：所述上搭接板（2）和下搭接板（3）的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

7.根据权利要求2所述搅拌摩擦搭接焊接的工艺方法，其特征在于：所述上搭接板（2）和下搭接板（3）可以为同种材料，也可以为异种材料。