CN105108361A - 无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置及方法 - Google Patents

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    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus

Abstract

本发明公开了一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，包括：垫块，设于待焊接板材下方，用于承载待焊接板材；搅拌头，设于所述待焊接板材上方，用于焊接所述待焊接板材，所述搅拌头还包括搅拌针、包裹所述搅拌针的搅拌套和包裹所述搅拌套的夹紧套；超声激振器，设于所述夹紧套外侧，用于焊接时发出超声波辅助焊接。本发明还公开了一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法。本发明提高了焊点接头强度。

Description

无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置及方法
技术领域
本发明涉及一种点焊装置，尤其涉及一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊方法是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化。同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。搅拌摩擦点焊(FSSW)是在搅拌摩擦焊基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术。可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。
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，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。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。
但是，搅拌摩擦点焊过程中，无退出孔(或者无匙孔)的搅拌摩擦点焊往往在接头与母材交界处形成薄弱连接面、孔洞等焊接缺陷，导致焊接质量稳定性差，接头强度较低。孔洞缺陷的形成主要是由于焊接过程中热输入量不足，及材料流动不充分造成的。孔洞缺陷常发生在接头与母材的交界处，接头焊缝上部和下部均有可能产生孔洞。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，提高焊点接头强度，提高搅拌针和搅拌套的使用寿命。
为了解决以上技术问题，本发明提供了一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，包括：
垫块，设于待焊接板材下方，用于承载待焊接板材；
搅拌头，设于所述待焊接板材上方，用于焊接所述待焊接板材，所述搅拌头还包括搅拌针、包裹所述搅拌针的搅拌套和包裹所述搅拌套的夹紧套；
超声激振器，设于所述夹紧套外侧，用于焊接时发出超声波辅助焊接。
进一步的，所述搅拌针、所述搅拌套以及所述夹紧套共中心轴线设置。
进一步的，所述搅拌针的材质为淬火热处理高速钢。
本发明还提供了一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法，所述方法基于上述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，则所述方法包括：
夹紧套和垫块压紧待焊接板材，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面同向挤压旋转，同时，打开超声激振器向待焊接板材发出超声波，使金属材料塑性软化；
搅拌套向下旋转压入待焊接板材内部，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；
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，关闭超声激振器。
其中，所述锻压的时间为0.2秒-1秒。
其中，所述超声激振器发出的超声波为纵波。
其中，所述超声激振器的变幅杆振动频率为30-80kHz，振幅为20-60微米。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明结合超声波焊接，弥补搅拌摩擦焊过程中分界面对于点焊接头强度的影响，同时，形成搅拌摩擦点焊和超声波的复合接头，能够增加焊点尺寸，从而提高焊点接头强度；
2、集成了超声激振器之后，可以利用超声提供能量软化金属，解决搅拌摩擦点焊过程输入量不足，及材料流动不充分问题，不易形成孔洞等缺陷；
3、被焊工件先得到超声能量的输入而软化，可以提高搅拌针和搅拌套的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置的一个实施例的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1是本发明提供的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置的一个实施例的结构图，如图1所示，包括：垫块20、搅拌头30和超声激振器40。其中，待焊接板材10包括上板材11和下板材12，垫块20设于待焊接板材10下方，用于承载待焊接板材10，上板材11、下板材12和垫块20依次叠放；搅拌头30设于待焊接板材10上方，用于焊接待焊接板材10，搅拌头30还包括搅拌针31、包裹搅拌针31的搅拌套32和包裹搅拌套32的夹紧套33；超声激振器40设于夹紧套33外侧，用于焊接时发出超声波辅助焊接。搅拌针31、搅拌套32以及夹紧套33共中心轴线设置。搅拌针31的材质可以为淬火热处理高速钢，用于焊接铝、镁、或者塑料等较软的材料，可以理解的，搅拌针31的材质也可以为其他材质，以用来焊接钢材或者其他硬质材料。
本发明还提供了一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法，此方法基于上述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，则该方法包括：
夹紧套和垫块压紧待焊接板材，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面同向挤压旋转，同时，打开超声激振器，通过夹紧套向待焊接板材发出超声波，使金属材料塑性软化；
搅拌套向下旋转压入待焊接板材内部，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；
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，关闭超声激振器。
其中，所述锻压的时间为0.2秒-1秒。
其中，所述超声激振器发出的超声波为纵波，以增加焊接尺寸。
其中，所述超声激振器的变幅杆振动频率为30-80kHz，振幅为20-60微米。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明结合超声波焊接，弥补搅拌摩擦焊过程中分界面对于点焊接头强度的影响，同时，形成搅拌摩擦点焊和超声波的复合接头，能够增加焊点尺寸，从而提高焊点接头强度；
2、集成了超声激振器之后，可以利用超声提供能量软化金属，解决搅拌摩擦点焊过程输入量不足，及材料流动不充分问题，不易形成孔洞等缺陷；
3、被焊工件先得到超声能量的输入而软化，可以提高搅拌针和搅拌套的使用寿命。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，其特征在于，包括：
垫块，设于待焊接板材下方，用于承载待焊接板材；
搅拌头，设于所述待焊接板材上方，用于焊接所述待焊接板材，所述搅拌头还包括搅拌针、包裹所述搅拌针的搅拌套和包裹所述搅拌套的夹紧套；
超声激振器，设于所述夹紧套外侧，用于焊接时发出超声波辅助焊接。
2.如权利要求1所述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，其特征在于，所述搅拌针、所述搅拌套以及所述夹紧套共中心轴线设置。
3.如权利要求1所述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，其特征在于，所述搅拌针的材质为淬火热处理高速钢。
4.一种无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1～3中任意一项所述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊装置，则所述方法包括：
夹紧套和垫块压紧待焊接板材，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面同向挤压旋转，同时，打开超声激振器向待焊接板材发出超声波，使金属材料塑性软化；
搅拌套向下旋转压入待焊接板材内部，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；
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，关闭超声激振器。
5.如权利要求4所述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法，其特征在于，所述锻压的时间为0.2秒-1秒。
6.如权利要求4所述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法，其特征在于，所述超声激振器发出的超声波为纵波。
7.如权利要求4所述的无匙孔搅拌摩擦焊点焊方法，其特征在于，所述超声激振器的变幅杆振动频率为30-80kHz，振幅为20-60微米。
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