CN106870522A - 一种通过摩擦液柱成形实现组件连接的结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构及其方法，包括至少两个待连接组件，待连接组件依次搭接形成具有交界面的组合件，其特征是：组合件上预设有塞棒孔，塞棒孔为经过所有的交界面的盲孔，塞棒孔直径略大于焊接塞棒的直径，焊接塞棒的前端能插入塞棒孔中，与塞棒孔的孔底接触并与孔壁间隙配合，焊接塞棒通过旋转与塞棒孔的孔底摩擦产热发生塑性变形，使得塑性物填充焊接塞棒与塞棒孔孔壁间的间隙，塑性物冷却后使得各待连接组件经塑性物连接为一体。本发明具有连接强度高、节约成本、能够连接各种复杂形状的结构部件的优点。

Description

一种通过摩擦液柱成形实现组件连接的结构及方法

技术领域

本发明属于连接件的技术领域，具体涉及一种通过摩擦液柱成形实现组件连接的结构及方法。

背景技术

随着我国近年来在汽车、船舰、飞机等制造领域的快速发展，以及铝、铝合金、钛合金等轻质金属在汽车、船舰、航天器的广泛应用，而汽车、船舰、航天器的在减重、抗疲劳性、可靠性和提升性能的需要日益迫切，而在这些产品的生产、装配过程中的各类组件的连接则直接影响了它们在抗疲劳性、减重性、可靠性和整体性能的提升。然而传统的金属板连接方法，如普通焊接、铆钉、螺钉和螺栓等紧固件连接方式都存在一定的缺陷。对于轻质金属，普通焊接即熔焊因输入的热量较大会产生较大范围的热影响区，同时熔焊很难避免缺陷的产生，最终导致连接部位各方面性能都会有不同程度的下降。为了避免对原有部件的组织与性能产生破坏，而采用的铆钉、螺钉和螺栓等紧固件类连接结构件的疲劳寿命则直接决定了船舰、航天器的性能和寿命，并且这种紧固件连接方式在连接具有较复杂形状结构的部件时难以实现精确定位且为此常需要构造定位固定结构，且三种连接方式都需要做其它大量前期准备工作，影响装配效率,同时紧固件连接的疲劳性能则直接决定了产品的性能。

疲劳寿命低、密封性能差、结构重量增加等都是传统连接方式所面临的不可避免的问题，而这些对于船舰、航天器等要实现在减重性、可靠性、抗疲劳性等性能的提升都是必须要解决的问题。因此掌握先进的连接技术对于推动我国航海、航天等重工业的进一步发展起着越来越重要的作用，而该连接方法应能够连接各种复杂形状的结构部件且能够使汽车、船舰、航天器在减重、抗疲劳等方面得到一定的改善。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种连接强度高、节约成本、能够连接各种复杂形状的结构部件的通过摩擦液柱成形实现组件连接的结构及方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，包括至少两个待连接组件，待连接组件依次搭接形成具有交界面的组合件，其特征是：组合件上预设有塞棒孔，塞棒孔为经过所有的交界面的盲孔，塞棒孔直径大于焊接塞棒的直径，焊接塞棒的前端能插入塞棒孔中，与塞棒孔的孔底接触并与孔壁间隙配合，焊接塞棒通过旋转与塞棒孔的孔底摩擦产热发生塑性变形，使得塑性物填充焊接塞棒与塞棒孔孔壁间的间隙，塑性物冷却后使得各待连接组件经塑性物连接为一体。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的待连接组件上下叠设，位于最下的一个待连接组件上预置盲孔，其余待连接组件上预置与盲孔同轴等直径的上下贯穿的通孔，该盲孔与通孔组合而成塞棒孔。

上述的待连接组件的数量为两个，待连接组件上下叠设，塞棒孔开设于组合件的侧面，且部分位于上部的待连接组件上，部分位于下部的待连接组件上。

上述的焊接塞棒前端的摩擦部为铝、钛、铝合金、钛合金或钢制作。

上述的焊接塞棒的直径较塞棒孔的直径小5mm至10mm。

上述的组合件上的塞棒孔数量为多个，相邻塞棒孔之间部分重叠。

一种通过摩擦液柱成形实现组件连接的方法，包括以下步骤：

步骤一、将焊接塞棒前端伸入组合件的塞棒孔中，使焊接塞棒与塞棒孔同轴配合且焊接塞棒与塞棒孔四周孔壁存在间隙；

步骤二、给予焊接塞棒一定大小的旋转速度，同时在塞棒上施加轴向力并保持一定的向下进给速度，当旋转的焊接塞棒与塞棒孔底部接触时，开始发生剪切摩擦发热；

步骤三、所产生的摩擦热使塞棒自身在底部接触面上发生塑性变形，而塑性金属在轴向力的挤压下向四周扩散、填充塞棒与孔壁间的间隙，并达到紧密结合，随着摩擦液柱液面的不断上升，塑性金属液不断填充塞棒孔，直至漫出塞棒孔，在这过程中，摩擦液柱液面将焊接塞棒表面和塞棒孔内的氧化物、杂质的不断排出；

步骤四、摩擦剪切产热结束，焊接塞棒停止旋转，在焊接塞棒上施加一定大小的顶锻力保证焊接塞棒与塞棒孔孔底紧密结合，待塑性金属液凝固成型形成摩擦塞；

步骤五、沿塞棒孔孔口平面去除多余的焊接塞棒和漫出塞棒孔的塑性金属，使摩擦塞与组合件表面平齐。

当组合件具有多个塞棒孔需填充摩擦塞时，相邻摩擦塞相互搭接。

本发明提供了一种由两个或两个以上工件构成的组件的连接方法，通过该方法实现包含两个或两个以上工件的组件的可靠连接并且有效克服了传统连接方式在减重性、抗疲劳性能、连接质量强度等方面的不足。焊接塞棒接头可以根据塞棒孔底部形状预置成锥头圆底面或锥头平底面或其他相应形状，只要能使焊接塞棒接头与塞棒孔底部紧贴即可，该方法具有较高的成本效益，且能够满足在船舰、航天器等领域对减重性、抗疲劳性等方面性能的要求，同时该方法可以很容易的实现各种复杂结构组件的可靠连接。除此之外，这种方法相比于其它的塞焊方式具有较少的缺陷相应的也具有更高的强度，并且还能够与近年来广泛用于汽车、船舰、航天器的搅拌摩擦焊接等先进焊接技术相容。

附图说明

图1是本发明第一实施例中一个已经被加工成预置尺寸的焊接塞棒的正视图；

图2是发明第一实施例中一个准备好连接成一个组合件的两个工件的正视图；

图3是图2中两个工件在图1的焊接塞棒插入之前位于垫板上的透视图；

图4是利用旋转机械将图1中的焊接塞棒完全插入图3中的两个工件的结构组件中时的正视图；

图5是图4中焊接塞棒发生剪切摩擦产生塑性金属即摩擦液柱状态时的正视图；

图6是图5中剪切摩擦产生塑性金属完全填充间隙的状态时的正视图；

图7是图6中焊接塞棒被加工至与工件上表面平齐时的正视图；

图8是图7的俯视图；

图9是图1中焊接塞棒形式的几种其他形式及其相应配合的正视图；

图10是本发明第二实施例中三个工件通过摩擦液柱成形形成的多个基本单元实现三个工件组成的组件的可靠连接的正视图；

图11是图10的俯视图，表示了图10中摩擦液柱成形形成的多个基本单元间的重叠；

图12是本发明第三实施例中两个工件邻接而成的组件在交界面通过摩擦液柱成形产生的多个基本单元重叠形成细长焊缝的透视图。

其中的附图标记为：组合件1、交界面1a、塞棒孔2、焊接塞棒3。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

第一实施例：

利用图1中所示的预置到一定尺寸大小的焊接塞棒3将图2中由一第一工件A与一第二工件B构成的组件形成可靠的连接。根据不同的实施例，焊接塞棒3的材料可以是铝、钛、铝合金、钛合金或钢等，当然组件中个工件的形状和尺寸也不仅限与图2中的板，也可以是管形工件或曲线形工件等。而焊接塞棒3的材料、尺寸和形状可以根据所要连接的组件的材料、尺寸和形状的不同有所变化，图1中所示焊接塞棒3的接头为柱形平底，除此之外，参考图9，焊接塞棒3的接头还可以制成柱形圆头、锥形平头或锥形圆头等，而相应配合的工件上的塞棒孔2也应做相应的改变。当然根据不同的实施例焊接塞棒3的形式不仅限于本发明中所提到的。但在此之前需先在第一工件A上预置一个直径比焊接塞棒3直径大10mm左右的通孔，同时在第二工件B上预置一个一定深度与焊接塞棒3相配合的盲孔，并将该组件置于垫板4上，如图3所示。此外，利用本发明的连接方法连接的组件所包含的工件数目也不仅限于两个，也可以是三个或更多。

参考图4—8，本实施例中的垫板4起到支撑第一和第二工件的作用，而在其他实施例中，如果组件具有足够的强度能够实现自我支撑时则可以不使用垫板。

当搅拌摩擦设备给焊接塞棒3一定的旋转速度并以一定的进给速度使其通过第一工件A的外表面1c、交界面1a并且与第二工件B的盲孔底部接触时开始发生剪切摩擦过程，如图4所示。焊接塞棒3底面与第二工件的盲孔底面剪切摩擦产生的热量使附近的部分金属塑化，在轴向力的作用下使塑性金属流向四周的塞棒与孔壁的间隙中，产生金属液柱。随着剪切摩擦过程的不断发生，塑性金属液柱面也随之逐渐升高，发生剪切摩擦的焊接塞棒3底面也将不断的随之上移进而消耗了部分塞棒，如图5所示。当产生的塑性金属3a完全填充塞棒与孔壁间的间隙即液柱溢出间隙时，搅拌摩擦设备停止运转，则塞棒也将停止旋转即摩擦液柱成形过程结束形成一个基本单元—摩擦塞5，如图6所示。将多余的塞棒及溢出的塑性金属除去，从而使摩擦塞5与第一工件A的外表面平齐，如图7所示。而图8则为图7的俯视图。

第二实施例：

参考图10—11，通过摩擦液柱成形形成的两个或更多的基本单元—摩擦塞5沿交界面1a、1b插入组件的第一、第二和第三工件A、B、C中，以使组件的连接更加可靠。要满足其中每一基本单元必须至少与另一基本单元部分重叠，且与组件外表面保持平齐，其正视图如图10所示，其俯视图如图11所示。该方法可根据连接强度等需要用于交界面1a、1b的整个长度或部分长度。

第三实施例：

参考图12，组合件具有多个塞棒孔需填充摩擦塞，相邻摩擦塞相互搭接。构成组件的第一、第二工件A、B也可以以邻接的方式形成交界面1a，并沿交界面1a插入多个基本单元—摩擦塞5同时保证每个摩擦塞与另一个摩擦塞搭接形成一条细长的焊缝。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，包括至少两个待连接组件，待连接组件依次搭接形成具有交界面(1a)的组合件(1)，其特征是：所述的组合件(1)上预设有塞棒孔(2)，所述的塞棒孔(2)为经过所有的交界面(1a)的盲孔，所述的塞棒孔(2)直径略大于焊接塞棒(3)的直径，所述的焊接塞棒(3)的前端能插入塞棒孔(2)中，与塞棒孔(2)的孔底接触并与孔壁间隙配合，所述的焊接塞棒(3)通过旋转与塞棒孔(2)的孔底摩擦产热发生塑性变形，使得塑性物填充焊接塞棒(3)与塞棒孔(2)孔壁间的间隙，塑性物冷却后使得各待连接组件经塑性物连接为一体。

2.根据权利要求1所述的一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，其特征是：所述的待连接组件上下叠设，位于最下的一个待连接组件上预置盲孔，其余待连接组件上预置与盲孔同轴等直径的上下贯穿的通孔，该盲孔与通孔组合而成塞棒孔(2)。

3.根据权利要求1所述的一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，其特征是：所述的待连接组件的数量为两个，所述的待连接组件上下叠设，塞棒孔(2)开设于组合件(1)的侧面，且部分位于上部的待连接组件上，部分位于下部的待连接组件上。

4.根据权利要求1所述的一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，其特征是：所述的焊接塞棒(3)前端的摩擦部为铝、钛、铝合金、钛合金或钢制作。

5.根据权利要求1所述的一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，其特征是：所述的焊接塞棒(3)的直径较塞棒孔(2)的直径小5mm至10mm。

6.根据权利要求2或3任一所述的一种通过摩擦液柱成形实现组件连接结构，其特征是：所述的组合件(1)上的塞棒孔(2)数量为多个，相邻塞棒孔(2)之间部分重叠。

7.一种通过摩擦液柱成形实现组件连接的方法：其特征是：包括以下步骤：

步骤一、将焊接塞棒(3)前端伸入组合件(1)的塞棒孔(2)中，使焊接塞棒(3)与塞棒孔(2)同轴配合且焊接塞棒(3)与塞棒孔(2)四周孔壁存在间隙；

步骤二、给予焊接塞棒(3)一定大小的旋转速度，同时在塞棒上施加轴向力并保持一定的向下进给速度，当旋转的焊接塞棒(3)与塞棒孔(2)底部接触时，开始发生剪切摩擦发热；

步骤三、所产生的摩擦热使塞棒自身在底部接触面上发生塑性变形，而塑性金属在轴向力的挤压下向四周扩散、填充塞棒与孔壁间的间隙，并达到紧密结合，随着摩擦液柱液面的不断上升，塑性金属液不断填充塞棒孔(2)，直至漫出塞棒孔(2)，在这过程中，摩擦液柱液面将焊接塞棒(3)表面和塞棒孔(2)内的氧化物、杂质的不断排出；

步骤四、摩擦剪切产热结束，焊接塞棒(3)停止旋转，在焊接塞棒(3)上施加一定大小的顶锻力保证焊接塞棒(3)与塞棒孔(2)孔底紧密结合，待塑性金属液凝固成型形成摩擦塞；

步骤五、沿塞棒孔(2)孔口平面去除多余的焊接塞棒(3)和漫出塞棒孔(2)的塑性金属，使摩擦塞与组合件(1)表面平齐。

8.根据权利要求7所述的通过摩擦液柱成形实现组件连接的方法：其特征是：当组合件(1)具有多个塞棒孔(2)需填充摩擦塞时，相邻摩擦塞相互搭接。