CN106862749A - 一种回填式搅拌摩擦点焊方法 - Google Patents

Abstract

一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其特点是，在工件上板焊点处设置圆形凸块；焊接时使搅拌头的压紧环与上板接触并包围凸块，搅拌针和套筒与凸块接触；伴随对压紧环外侧上板施加超声振动，通过套筒和搅拌针旋转使焊接区域材料塑化，然后套筒下扎穿透上板并扎入下板一定深度，搅拌针伴随套筒下扎回抽，套筒达到设计下扎深度后套筒和搅拌针移回初始位置，在初始位置继续旋转并下压，使焊接部位表面平整，搅拌头停止旋转后超声振动继续施加一定时间。该方法利用凸块补偿可消除焊后焊接部位出现的凹陷；通过超声振动可增强材料流动和上下板之间的材料交换，提高接头质量；焊后继续施加超声振动可减小焊接部位的残余应力。

Description

一种回填式搅拌摩擦点焊方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接，特别是一种回填式搅拌摩擦点焊方法。

背景技术

回填式搅拌摩擦点焊(Refill friction stir spot welding,RFSSW)是德国GKSS中心于2002年提出的一种新的点焊技术。RFSSW因焊后无匙孔而受到国内外学者的广泛关注，并于近年来逐渐发展成为一种可代替铆接和电阻点焊等传统点焊方法的新技术，被广泛用于航空航天、汽车、造船等领域铝合金、镁合金等常用轻质金属的焊接。

目前RFSSW还存在以下尚未解决的技术问题：

1、受RFSSW搅拌头的特殊结构和运动方式的限制，焊点中心的材料流动速度往往较低，从而导致晶粒较粗大、连接韧带与母材混合不充分等现象。

2、焊接过程中较快的套筒回抽速度可导致接头近表面区域焊核区与热机影响区的材料接触时间较短，原子扩散程度较弱，易导致焊后产生撕裂型缺陷。

3、由于RFSSW搅拌头的搅拌针外壁和套筒外壁均带有螺纹槽且搅拌头各组件之间采用间隙配合，焊接过程中一部分塑性材料会被“困”在搅拌头的间隙中，在焊后难以被回填至接头，导致焊后表面出现凹陷。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种可提高焊点中心材料流动速度、消除焊核区和热机影响区界面的撕裂型缺陷和焊后表面凹陷的回填式搅拌摩擦点焊方法。

本发明提供的回填式搅拌摩擦点焊方法，包括以下步骤：

步骤1、在待焊工件的上板的焊点位置设置圆形凸块，该圆形凸块可在上板加工时预留或在焊接时外置；圆形凸块的高度可根据不同工件的上板和下板的厚度及焊接过程中不同下压量所导致的材料损失量在0.1mm-2mm范围内选取；准备搅拌摩擦点焊所用搅拌头：搅拌头包括搅拌针，套在搅拌针上的套筒和套在套筒外的压紧环；所述圆形凸块的直径与套筒的外径相同；

步骤2、将待焊工件的上板和下板的焊接区域用砂纸打磨干净，然后将上板和下板的焊接区域上下搭接固定在工作台上；

步骤3、将搅拌头移到上板和下板的待焊区域，使搅拌头的压紧环的下端面与上板的上表面接触(压紧环自始至终不转动)，并包围所述圆形凸块，套筒和搅拌针的下端面与圆形凸块的上表面相接触；

步骤4、将四个超声振动装置的超声振幅杆与压紧环外侧的上板表面相接触，使超声波直接作用在上板表面的该区域，超声波的频率为20～80KHz、振幅为20～60μm(工件越厚、硬度越大频率越高，振幅越大)，调整超声振幅杆与上板表面间的夹角，使其在横向和竖向的振动效果达到最大；

步骤5、使搅拌头的套筒和搅拌针以100～7000rpm的转速(工件越厚、硬度越高该转速越高)旋转1～500s(该时间决定于工件的材质和焊接区域的尺寸大小)，使工件的焊接区域塑化(以保证套筒能够顺利扎入)；

步骤6、工件的焊接区域塑化后，在保持搅拌针和套筒继续旋转的同时，使套筒以0.1～10mm/min的速度下扎，穿透上板并扎入下板一定深度(该深度根据下板的厚度确定)，搅拌针则伴随套筒的下扎回抽，回抽速度与套筒内被套筒下扎挤入的塑化材料的上升速度相同；与此同时，压紧环以5～30kN的下压力压紧上板和下板，以防止塑化材料溢出；

步骤7、当套筒达到设定下扎深度时停止下扎，搅拌针同时停止回抽；套筒和搅拌针以100～3000rpm的转速(工件导热率越低该转速越低)继续旋转0～5min(工件材料导热率越高该时间越长，导热率极低时该时间为0)，使工件的整个焊接区域得到充分加热，呈良好塑化状态；

步骤8、然后使套筒和搅拌针以100～7000rpm的转速(工件材质粘度越高该转速越低)同时向其初始位置移动(即套筒向上移动，搅拌针向下移动)，此时套筒内被套筒向上挤入的塑性材料被搅拌针向下压入上板和下板接头部位；

步骤9、套筒和搅拌针回到初始位置后原地继续旋转0～5min，然后使旋转的套筒和搅拌针一起下压，下压量与圆形凸块的高度相同，使套筒和搅拌针的下端面与上板的上表面一平；套筒和搅拌针继续旋转0～5min，使工件焊接部位表面成型平整；

步骤10、搅拌头停止旋转并移走；超声振动装置继续施加1～1000s(工件材质塑性越低时间越长)超声振动后亦移走，整个焊接过程到此结束。

本发明的有益效果：

1、利用圆形凸块可补偿焊后因搅拌头本身间隙所造成的材料损失，消除焊后焊接部位表面出现的凹陷。

2、本发明将超声振动施加在压紧环外侧的上板表面上，可起到增强焊接过程中材料流动速度、增强上下板间材料交换、增强焊核区与热机影响区界面原子扩散和增大焊点面积的作用，使焊接接头组织一致，提高剪切断裂模式下的接头性能。

3、通过焊后继续施加一定时间超声振动，可减小接头的残余应力，减小接头变形，同时减小近表面区域热机影响区与焊核区界面缺陷的产生，进一步提高接头质量。

4、焊接最后，使搅拌针和套筒一起下压，直至二者的下端面与上板上表面一平，可给焊核区增加一较大的锻造力，增强上下板之间材料的结合牢度，进一步提高接头质量。

5、本发明适用于镁合金、钢、钛等同一种材料及其与异种材料复合的RFSSW过程，适用范围广。

附图说明

图1是本发明中待焊工件的示意图；

图2是本发明搅拌头和超声振动装置的安装示意图；

图3是图2的俯视图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)、图4(e)、图4(f)为本发明的实施步骤参考图(只显示一个超声振动装置)。

图中:1.圆形凸块，2-上板，3-下板，4-搅拌针，5-套筒，6-压紧环，7-超声振幅杆，8-超声换能器，9-超声波发生器，10-垫板。

具体实施例

以下结合附图和实施例对本发明做进一步描述。

本实施例是采用本发明方法焊接图1所示工件，该工件为2024-T4铝合金板，其上板2和下板3的厚度分别为2mm，上板的焊接部位有加工时预留的圆形凸块1，圆形凸块的直径为9mm，高度为0.2mm。

焊接操作步骤如下：

步骤1、选用搅拌头，搅拌头如图2和图3所示，其搅拌针4的直径为5mm，外壁带有右旋螺纹(未图示)；搅拌针的套筒5的内外径尺寸分别为5.2mm和9mm，套筒的外壁带有右旋螺纹(未图示)，套筒外的压紧环6的内径和外径分别为9.2mm和14.5mm，套筒与搅拌针外壁和压紧环内壁的间隙分别为0.2mm，压紧环的外径为14.5mm，压紧环的内外壁无螺纹；

步骤2、将待焊工件的上板和下板的焊接区域用砂纸打磨干净，然后将上板和下板的待焊接区域上下搭接后通过垫板10放在工作台(未图示)上，并用压块(未图示)固定好；

步骤3、如图2和图3所示，将搅拌头移到上板和下板的待焊区域，使搅拌头的压紧环的下端面与上板的上表面接触(压紧环自始至终不转动)，并包围所述圆形凸块，搅拌针和套筒的下端面与圆形凸块的上表面相接触；

步骤4、如图2和图3所示，将四个分别由超声波发生器9、超声换能器8和超声振幅杆7构成的超声振动装置的超声振幅杆与压紧环外侧的上板表面相接触，使超声波直接作用在上板表面的该区域，超声波的频率为30KHz、振幅为50μm，调整超声振幅杆与上板表面间的夹角为45°，使其在横向和竖向的振动效果达到最大；

步骤5、如图4(a)所示，使搅拌头的套筒和搅拌针以2000rpm的转速旋转10s，使工件的焊接区域塑化(以保证套筒能够顺利扎入)。

步骤6、、如图4(a)和图4(b)所示，工件的焊接区域塑化后，在保持搅拌针和套筒继续旋转的同时，使套筒以0.6mm/min的速度下扎，套筒的下扎量为2.4mm，搅拌针伴随套筒的下扎回抽，回抽速度与套筒内被套筒下扎挤入的塑化材料的上升速度相同；压紧环则以15kN的下压力压紧上板和下板，以防止塑化材料溢出；

步骤7、如图4(c)所示，当套筒下扎量达到2.4mm时停止下扎，搅拌针同时停止回抽；套筒和搅拌针以800rpm的转速继续旋转20min，使工件的整个焊接区域得到充分加热，呈良好塑化状态；

步骤8、如图4(c)和图4(d)所示，然后使套筒和搅拌针以2000rpm的转速同时向其初始位置移动(即套筒向上移动，搅拌针向下移动)，此时套筒内被套筒向上挤入的塑性材料被搅拌针向下压入上板和下板接头部位；

步骤9、如图4(e)所示，套筒和搅拌针回到初始位置后原地继续旋转10s，然后使旋转的套筒和搅拌针一起下压，下压量为0.2mm，使套筒和搅拌针的下端面与上板的上表面一平，工件焊接部位表面成型平整；

步骤10、如图4(f)所示，搅拌头停止旋转并移走；超声振动装置继续施加20s超声振动后亦移走，整个焊接过程到此结束。

Claims (1)

1.一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待焊工件的上板(2)的焊点位置设置圆形凸块(1)，该圆形凸块可在上板加工时预留或在焊接时外置；圆形凸块的高度可根据不同工件的上板和下板(3)的厚度及焊接过程中不同下压量所导致的材料损失量在0.1mm-2mm范围内选取；准备搅拌摩擦点焊所用搅拌头：搅拌头包括搅拌针(4)，套在搅拌针上的套筒(5)和套在套筒外的压紧环(6)；所述圆形凸块的直径与套筒的外径相同；

步骤2、将待焊工件的上板和下板的焊接区域用砂纸打磨干净，然后将上板和下板的焊接区域上下搭接固定在工作台上；

步骤3、将搅拌头移到上板和下板的待焊区域，使搅拌头的压紧环的下端面与上板的上表面接触，并包围所述圆形凸块，套筒和搅拌针的下端面与圆形凸块的上表面相接触；

步骤4、将四个超声振动装置的超声振幅杆(7)与压紧环外侧的上板表面相接触，使超声波直接作用在上板表面的该区域，超声波的频率为20～80KHz、振幅为20～60μm，调整超声振幅杆与上板表面间的夹角，使其在横向和竖向的振动效果达到最大；

步骤5、使搅拌头的套筒和搅拌针以100～7000rpm的转速旋转1～500s，使工件的焊接区域塑化；

步骤6、工件的焊接区域塑化后，在保持搅拌针和套筒继续旋转的同时，使套筒以0.1～10mm/min的速度下扎，穿透上板并扎入下板一定深度，搅拌针则伴随套筒的下扎回抽，回抽速度与套筒内被套筒下扎挤入的塑化材料的上升速度相同；与此同时，压紧环以5～30kN的下压力压紧上板和下板，以防止塑化材料溢出；

步骤7、当套筒达到设定下扎深度时停止下扎，搅拌针同时停止回抽；套筒和搅拌针以100～3000rpm的转速继续旋转0～5min，使工件的整个焊接区域得到充分加热，呈良好塑化状态；

步骤8、然后使套筒和搅拌针以100～7000rpm的转速同时向其初始位置移动，此时套筒内被套筒向上挤入的塑性材料被搅拌针向下压入上板和下板接头部位；

步骤9、套筒和搅拌针回到初始位置后原地继续旋转0～5min，然后使旋转的套筒和搅拌针一起下压，下压量与圆形凸块的高度相同，使套筒和搅拌针的下端面与上板的上表面一平；套筒和搅拌针继续旋转0～5min，使工件焊接部位表面成型平整；

步骤10、搅拌头停止旋转并移走；超声振动装置继续施加1～1000s超声振动后亦移走，整个焊接过程到此结束。