CN105522273A - 二次回填充式摩擦点焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开二次回填充式摩擦点焊方法，该方法在传统填充式摩擦点焊方法的焊接过程结束之后，继续使得搅拌针下压而搅拌套上升，然后搅拌套下压而搅拌针上升，最后形成平整的焊点。该方法是在传统填充式摩擦点焊方法的基础上增加一个焊接循环，增加的焊接循环消除了焊点竖直环面的弱连接、不用增加超声辅助设备、也不会降低焊接工具寿命以及不会使得塑性金属留在搅拌工具内而失去作用，提高焊点的力学性能，特别是十字拉伸性能和疲劳性能，解决了传统填充式摩擦点焊竖直环面弱连接的问题。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术，尤其涉及填充式摩擦点焊方法，该方法在填充式摩擦点焊方法的基础上，在常规焊接过程结束之后，增加一个二次回填的焊接循环，搅拌针下压而搅拌套上升，然后搅拌套下压而搅拌针上升，最后形成平整的焊点。该方法能够提高焊点竖直环面的连接质量，进而提高焊点的力学性能，特别是十字拉伸性能和疲劳性能，解决了传统填充式摩擦点焊竖直环面弱连接的问题。
背景技术
在固相点焊领域，填充式摩擦点焊技术是由德国HZG（前GKSS）研究中心开发的，其特征为采用搅拌针，搅拌套和压紧套三个部件组成的焊接工具进行焊接，即搅拌针旋转下压材料，同时搅拌套旋转上升容纳挤出的塑性金属；随后搅拌针上升，搅拌套下压形成平整的焊点，详见美国专利US006722556B2。
传统的填充式摩擦点焊方法焊接时，由于搅拌套下压使得焊点处材料与母材分离，在回填阶段，竖直环面处冶金反应不充分而容易产生弱连接，即连接质量不高，严重影响点焊接头的力学性能，特别是十字拉伸性能和疲劳性能。因此，必须解决填充式摩擦点焊竖直环面的弱连接问题。
目前，对于填充式摩擦点焊竖直环面弱连接的处理手段大体有四种：
第一种方法是让压紧套也参与旋转，使得竖直环面处材料产生热量和塑性流动，促进界面处冶金反应的进行，来提高焊点连接质量。这种方法的缺点是压紧套下方的材料软化后，在轴向压力下，压紧套向下移动，使得该处产生凹陷，而不能得到平整焊点。
第二种方法是在压紧套下方增加超声辅助，利用超声给竖直环面处增加能量，来促进冶金反应。该方法的缺点是大大增加了设备的复杂性，提高了设备成本，而且超声辅助后增加了工艺的复杂性，降低了焊接过程的可控性和质量稳定性。
第三种方法是在直接采用搅拌针先下压、搅拌套上升，然后搅拌套下压、搅拌针上升使得材料回填而形成焊点。该方法的缺点在于，离搅拌针中心越近的地方，其旋转线速度越小，搅拌针中心处为0，使得搅拌针与材料的摩擦作用较弱，产热量不够进而导致材料软化程度不够，搅拌针下压过程中受到的抗力较大，易造成搅拌针变形，或者降低搅拌工具的使用寿命。
第四种方法是采用一种三套环固相点焊方法，搅拌针先下压，在搅拌针中心增加一个可伸缩的圆柱滑块，以减小搅拌针下压的阻力。该方法的缺点在于，增加了搅拌工具的复杂性，且在焊接过程中，实现圆柱滑块伸缩的弹性元件受热后弹性发生变化而无法回弹，使塑性金属留在搅拌工具内而失去作用。
在实际生产过程中，由于填充式摩擦点焊竖直环面弱连接的存在，限制了该方法的应用，特别是在轨道交通、汽车、航空等领域，对焊点的疲劳寿命要求较高的场合下，弱连接的存在对于焊点的性能影响较大。因此，亟需开发能够解决传统填充式摩擦点焊竖直环面弱连接的摩擦点焊新方法。
发明内容
本发明解决的问题是传统填充式摩擦点焊竖直环面弱连接的问题。
为解决上述问题，本发明提供一种二次回填式摩擦点焊方法，该方法包括如下步骤：S1、压紧套以不小于10kN的压力固定在工件表面，搅拌套旋转着下压，搅拌针旋转着上升，在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同，接着，将塑性金属挤入搅拌针上升形成的空腔；S2、当搅拌套向下运动到设定的深度时，开始向上运动，同时，搅拌针下压，将塑性金属向下回填，在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同；S3、当搅拌针和搅拌套运动到端面与工件表面平齐时，搅拌针继续向下运动，搅拌套继续向上运动，将塑性金属挤入搅拌套与工件表面形成的空腔，在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同；S4、当搅拌套向上运动到设定的高度时，开始下压，同时，搅拌针向上运动，将塑性金属二次回填，当搅拌针和搅拌套运动到端面与工件表面平齐时，焊接过程结束，形成平整的焊点。
在进一步方案中，在上述两个焊接循环中，搅拌套的旋转速度范围为900~4000rpm，搅拌针的旋转速度范围为900~4000rpm。
在进一步方案中，所述步骤S2中，所述设定距离不大于待焊工件厚度与0.5mm之和。
在进一步方案中，所述步骤S3中，搅拌针压入的深度不小于0.1mm，不大于待焊工件上板的厚度。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、由于本发明第一个焊接循环是传统的填充式摩擦点焊过程，第二个焊接循环是在第一个焊接循环的基础之上增加的焊接过程，这样，第二个焊接循环增加了焊点处的塑性金属与母材金属的摩擦作用，使得界面两侧的金属在挤压和高温条件下发生了充分的扩散、再结晶及晶粒长大等冶金反应，最终形成牢固的结合；而且由于焊接过程增加了搅拌针下压的循环，最终材料由上向下填充，属于锻压过程，提高了焊点内部及其竖直界面处材料的致密性，从而消除了焊点竖直环面的弱连接，提高了焊点性能；另外，本发明中塑性材料没有流失，根据固体材料不可压缩原理，得到的焊点平整；其次，由于是第二个焊接循环是在第一个焊接循环的基础之上增加的焊接过程，不用增加超声辅助，所以，不会增加设备成本，也不会产生由增加超声辅助导致的焊接过程可控性和质量稳定性的问题；最后，本发明由于第一个循环相当于对材料进行预热和塑性化，不会导致材料软化程度不够的问题，也不会降低搅拌工具的使用寿命。
2、由于在上述两个焊接循环中，搅拌套的旋转速度范围为900~4000rpm，搅拌针的旋转速度范围为900~4000rpm，所以，本发明的方法焊接工艺窗口较宽，可以在较大的旋转速度范围内得到可靠焊点。
3、由于所述设定距离不大于待焊工件厚度与0.5mm之和，所以能够让适量的金属进入塑性状态，使得塑性金属顺利回填，同时不会因为过度磨损而降低搅拌工具寿命。
4、由于搅拌针压入的深度不小于0.1mm，不大于待焊工件上板的厚度，所以，可以使得在第二个循环中塑性材料在竖直环面处进行充分的扩散、再结晶等冶金反应，最终形成牢固的接头。
附图说明
图1~图6是本发明填充式摩擦点焊方法的焊接过程示意图。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、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至图6，本发明二次回填充式摩擦点焊方法包括如下步骤：
S1、压紧套4以不小于10kN的压力固定在待焊工件表面（所述待焊工件包括位于焊点背部支撑1上的待焊工件下板2和待焊工件上板3），搅拌套5旋转着下压，搅拌针6旋转着上升，将塑性金属7挤入搅拌针6上升形成的空腔，如图1所示；在该过程中，搅拌针6和搅拌套5的旋转方向和速度均相同。
S2）、当搅拌套5向下运动到设定的深度时，开始向上运动，同时搅拌针6下压，将塑性金属7向下回填，如图2所示；在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同。
S3）、当搅拌针6和搅拌套5运动到端面与工件表面平齐时，传统填充式摩擦点焊方法的焊接过程结束，此过程为本发明的第一个焊接循环，如图3所示。第一个焊接循环结束之后，搅拌针6继续向下运动，搅拌套5继续向上运动，将塑性金属7挤入搅拌套5与工件表面形成的空腔，如图4所示；该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同。压紧套4的旋转速度和搅拌针6以及搅拌套5相同，但是，旋转方向；
S4）、当搅拌套5向上运动到设定的高度时，开始下压，同时搅拌针6向上运动，将塑性金属7二次回填，如图5所示。当搅拌针6和搅拌套5运动到端面与工件表面平齐时，焊接过程结束，形成平整的焊点，如图6所示。
本发明中，搅拌针6、搅拌套5的旋转速度范围为900~4000rpm，第一个焊接循环中搅拌套下压的最大深度与待焊工件上板的厚度相匹配，应不小于待焊工件上板的厚度，也就是说，所述步骤S12中，所述设定距离不大于待焊工件厚度与0.5mm之和；第二个焊接循环中，搅拌针压入的深度与待焊工件上板的厚度相匹配，应不小于0.1mm，不大于待焊工件上板的厚度，也就是说，所述步骤S13中，搅拌针压入的深度不小于0.1mm，不大于待焊工件上板的厚度。焊点表面搅拌针下方的区域允许存在局部下凹量，典型地，下凹量不大于0.3mm。
Claims (4)
1.二次回填充式摩擦点焊方法，其特征是：该方法包括如下步骤：
S1、压紧套以不小于10kN的压力固定在工件表面，搅拌套旋转着下压，搅拌针旋转着上升，在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同，接着，将塑性金属挤入搅拌针上升形成的空腔；
S2、当搅拌套向下运动到设定的深度时，开始向上运动，同时，搅拌针下压，将塑性金属向下回填，在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同；
S3、当搅拌针和搅拌套运动到端面与工件表面平齐时，搅拌针继续向下运动，搅拌套继续向上运动，将塑性金属挤入搅拌套与工件表面形成的空腔，在该过程中，搅拌针和搅拌套的旋转方向和速度均相同；
S4、当搅拌套向上运动到设定的高度时，开始下压，同时，搅拌针向上运动，将塑性金属二次回填，当搅拌针和搅拌套运动到端面与工件表面平齐时，焊接过程结束，形成平整的焊点。
2.根据权利要求1所述二次回填充式摩擦点焊方法，其特征是：在上述两个焊接循环中，搅拌套的旋转速度范围为900~4000rpm，搅拌针的旋转速度范围为900~4000rpm。
3.根据权利要求1或2所述二次回填充式摩擦点焊方法，其特征是：所述步骤S2中，所述设定距离不大于待焊工件厚度与0.5mm之和。
4.根据权利要求1或2所述二次回填充式摩擦点焊方法，其特征是：所述步骤S3中，搅拌针压入的深度不小于0.1mm，不大于待焊工件上板的厚度。
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