CN108327293B - 一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置及点焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置及点焊方法，包括搅拌摩擦点焊设备本体、搅拌头夹持部、搅拌头、固定于焊件表面的开口容器及开口容器中的液体介质，所述搅拌头通过搅拌头夹持部装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上；所述开口容器的上下表面均为开口，所述开口容器的底部与焊件表面密封固定；搅拌头包括轴肩、外凸圆台、两根针端为半球形的搅拌针，轴肩与搅拌头夹持部连接，外凸圆台位于轴肩底面中心位置；两根搅拌针固定于外凸圆台下表面并关于中心旋转轴对称分布。本发明有效地避免了搅拌摩擦点焊过程中局部过热现象；改善了热塑性塑料的受热状态和流动模式，优化了接头的成形性能；提高了点焊接头的承载能力。
Description
技术领域
本发明属于塑料焊接领域，尤其涉及一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊的工具及辅助装置。
背景技术
搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊基础上研究开发的一种新型固相点焊技术。该技术能耗低、工艺过程简单、焊点强度高且质量稳定、焊件变形小、工具寿命长、无飞溅且适用于异种金属的连接。目前，搅拌摩擦点焊技术在铝、镁等轻质合金的连接方面优势明显，在钢、铜、钛合金等同种或异种材料的连接方面也取得了一定进展。随着该技术研究的深入和进一步改进，其在航空航天、汽车、船舶等制造领域具有广泛的应用前景，具有非常高的市场价值。
热塑性塑料由于质轻、比强度高等优点在汽车制造等工程领域中运用越来越广泛。采用搅拌摩擦点焊技术连接热塑性塑料的研究始于近几年并受到越来越多研究者的关注。由于热塑性塑料导热性较差且熔点较低，采用传统单搅拌针搅拌头，即搅拌针位于轴肩底面中心，在空气氛围中搅拌摩擦点焊热塑性塑料易造成与旋转工具直接接触材料的过热，使得焊核材料的性能减弱；同时，该方法所得的点焊接头匙孔体积大，造成接头连接面积的减小和承载能力的减弱，因此，进一步优化焊接工艺以提高接头性能势在必行。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在的问题，增大焊核尺寸、优化接头成形，提高接头的承载能力，本发明提供一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置。
本发明的另一目的是提供一种点焊方法。
技术方案：一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置，包括搅拌摩擦点焊设备本体、搅拌头夹持部、搅拌头、固定于焊件表面的开口容器及开口容器中的液体介质，所述搅拌头通过搅拌头夹持部装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上；所述开口容器的上下表面均为开口，所述开口容器的底部与焊件表面密封固定；搅拌头包括轴肩、外凸圆台、两根搅拌针，轴肩与搅拌头夹持部连接，外凸圆台位于轴肩底面中心位置；两根搅拌针固定于外凸圆台下表面并关于中心旋转轴对称分布。
优选的，所述搅拌针的针尖为半球形。
优选的，所述轴肩为圆柱状，轴肩的底面直径大于外凸圆台底面直径。
优选的，搅拌针的直径及两根搅拌针的间距可调节。
优选的，所述开口容器为上下贯通的长方体塑料框架，且没有上表面和下表面。
优选的，所述液体介质为水。
一种利用热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置的点焊方法，包括以下步骤：
（1）将热塑性塑料焊件进行表面去污处理，采用夹具将焊件以塔接的形式固定于工作台上；
（2）利用密封胶将开口容器的底部密封固定于焊件表面上并在开口容器中注入液体介质；
（3）搅拌头夹持部将搅拌头装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上，并将搅拌头调节到待点焊位置的上方；
（4）设置搅拌摩擦点焊设备的焊接参数，焊接参数包括搅拌头的旋转速度、下压速度、下压量、搅拌时间及等待时间，使搅拌头边旋转边垂直向下移动，使搅拌针及外凸圆台扎入热塑性塑料焊件中，待外凸圆台外围的轴肩底面与焊件表面接触后，垂直运动停止；搅拌头保持旋转运动到达搅拌时间后停止旋转，经等待时间过后，将搅拌头垂直向上撤回至与焊件完全分离；
（5）待液体介质冷却后，除去液体介质并取下开口容器，从工作台上取下焊件，完成焊接。
优选的，所述开口容器为上下贯通的长方体塑料框架，且没有上表面和下表面，步骤（2）中，利用密封胶将开口容器的框架底部与焊件表面密封固定。
有益效果：本发明提供的一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置，搅拌头结构简单、易于制造；开口容器结构小巧、安装方便；液体介质易于获得、成本低；有效地避免了搅拌摩擦点焊过程中搅拌头与焊件直接接触区材料的局部过热现象；有效地改善了搅拌摩擦点焊过程中热塑性塑料的受热状态和流动模式，优化了接头的成形性能；相比较传统的搅拌摩擦点焊，该装置能获得匙孔体积小、焊核尺寸大、成形完好的焊点，提高了点焊接头的承载能力。
附图说明
图1为热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置的结构示意图。
其中：1为搅拌头夹持部，2为轴肩，3为外凸圆台，4为焊接区域，5为搅拌针，6为开口容器，7为焊件，方向A为搅拌头的旋转方向，方向B为搅拌头的垂直运动方向。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置，包括搅拌摩擦点焊设备本体（图中未画出）、搅拌头夹持部1、搅拌头、固定于焊件7表面的开口容器6及开口容器6中的液体介质，所述搅拌头通过搅拌头夹持部1装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上；所述开口容器6为上下贯通的长方体塑料框架，且没有上表面和下表面，所述开口容器6的底部与焊件7表面密封固定；搅拌头包括轴肩2、外凸圆台3、两根搅拌针5，轴肩2与搅拌头夹持部1连接，外凸圆台3位于轴肩2底面中心位置；两根搅拌针5固定于外凸圆台3下表面并关于中心旋转轴对称分布。
本实施例中的焊件7的材料采用改性单体浇铸尼龙MC901。
外凸圆台3的设计可对焊接区域4材料施加一定强度的挤压力，增大接头组织的致密性。所述轴肩2为圆柱状，轴肩2的底面直径大于外凸圆台3底面直径。这样在外凸圆台3完全进入焊件7中后，外凸圆台3外围轴肩2底面通过与焊件7表面紧密接触可有效地防止旋转搅拌过程中焊核区材料的挤出。
所述搅拌针5的针尖为半球形，半球形针尖改善了旋转的搅拌针扎入热塑性塑料过程中的针尖周围材料的受力状态和流动模式，主要表现为半球形针尖周围塑化的热塑性塑料在针尖挤压力作用下上流并凝结在旋转的双针之间及四周，减少材料在离心力作用下的甩出损失。双搅拌针搅拌头的设计目的在于减小匙孔体积、增大焊核尺寸。搅拌针5的直径及两根搅拌针5的间距可根据需要进行调节，通过调节搅拌针5直径和间距可获得匙孔体积小、焊核尺寸大的点焊接头。本实施例中的搅拌头夹持部1的长度和直径分别为20mm和16mm，轴肩2的长度和直径分别为20mm和24mm，外凸圆台3的高度和直径分别为0.5mm和14mm，两根半球形针尖搅拌针5的长度和直径分别为7.6mm和3mm，因此针尖半球的半径为1.5mm，两根搅拌针5的间距为4mm并且关于旋转轴对称分布；所用MC901板件尺寸为200mm×200mm×6mm；开口容器尺寸为160mm×160mm×15mm。
开口容器6为上下贯通的长方体塑料框架，且没有上表面和下表面，液体介质可以直接倒入开口容器6中。使用时需要先将开口容器6与焊件7密封固定起来，以防止液体渗出。两根半球形针尖搅拌针5及外凸圆台3垂直扎入热塑性塑料焊件至最后从焊接区域完全撤回的整个搅拌摩擦点焊过程中，搅拌针5、外凸圆台3及搅拌摩擦点焊区域始终处于液体介质之中，液体介质改善了焊接区域的温度场，优化了焊核组织，提高了接头性能。为减少成本，本实施例中的液体介质为水。
利用该热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置的点焊方法，包括以下步骤：
（1）将热塑性塑料焊件7进行表面去污处理，采用夹具将焊件7以塔接的形式固定于工作台上；
（2）利用密封胶将开口容器6的底部密封固定于焊件7表面上，并在开口容器6中注入10mm水；
（3）搅拌头夹持部1将搅拌头装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上，并将搅拌头调节到待点焊位置的上方；
（4）设置搅拌摩擦点焊设备的焊接参数，包括搅拌头的旋转速度600r/min、下压速度15mm/min、下压量0.5mm（即外凸圆台压入焊件表面，轴肩底面与焊件表面接触）、搅拌时间30s及等待时间15s等，使搅拌头边旋转边垂直向下移动，旋转方向为A方向，垂直运动方向为B方向，使搅拌针5及外凸圆台3扎入热塑性塑料焊件7中，待外凸圆台3外围的轴肩2底面与焊件7表面接触后，垂直运动停止；搅拌头保持旋转运动30s后停止旋转，以使得被焊区材料充分受热和搅拌混合，随后搅拌头停止旋转并留在点焊区15s，使焊核材料在压力下固化，最后搅拌头撤回至被焊件完全分离；
（5）待开口容器中的水冷却后，除去水，并取下开口容器6，从工作台上取下焊件7，完成焊接。
整个焊接过程在水下进行，过程稳定可靠：1）空气中搅拌摩擦点焊时出现的热塑性塑料局部过烧的现象得以消除，表明焊区域材料的受热状态得到了改善；2）空气氛围中搅拌针扎入MC901焊件过程中出现的焊接区材料甩出现象大大减弱，因此焊核填充充分，接头无缺陷产生；3）采用平底针尖的双搅拌针搅拌头水下搅拌摩擦点焊MC901出现的焊核未填满缺陷得以消除，保证了接头完整性；4）对点焊工件进行拉伸试验发现，采用上述工具及辅助装置在上述工艺参数下获得的点焊接头的拉伸载荷为2825 N，而采用直径为10 mm的圆柱形搅拌针搅拌头在相同工艺参数下获得的点焊接头的拉伸载荷只有593N，接头承载能力大大提高。
Claims (5)
1.一种热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置，其特征在于，包括搅拌摩擦点焊设备本体、搅拌头夹持部、搅拌头、固定于焊件表面的开口容器及开口容器中的液体介质，所述搅拌头通过搅拌头夹持部装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上；所述开口容器的上下表面均为开口，所述开口容器的底部与焊件表面密封固定；搅拌头包括轴肩、外凸圆台、两根搅拌针，轴肩与搅拌头夹持部连接，外凸圆台位于轴肩底面中心位置；两根搅拌针固定于外凸圆台下表面并关于中心旋转轴对称分布；所述搅拌针的针尖为半球形；所述轴肩为圆柱状，轴肩的底面直径大于外凸圆台底面直径；搅拌针的直径及两根搅拌针的间距可调节。
2.根据权利要求1所述的热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置，其特征在于，所述开口容器为上下贯通的长方体塑料框架，且没有上表面和下表面。
3.根据权利要求1或2所述的热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置，其特征在于，所述液体介质为水。
4.一种利用如权利要求1所述的热塑性塑料搅拌摩擦点焊工具及辅助装置的点焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将热塑性塑料焊件进行表面去污处理，采用夹具将焊件以塔接的形式固定于工作台上；
（2）利用密封胶将开口容器的底部密封固定于焊件表面上，并在开口容器中注入液体介质；
（3）搅拌头夹持部将搅拌头装夹在搅拌摩擦点焊设备本体上，并将搅拌头调节到待点焊位置的上方；
（4）设置搅拌摩擦点焊设备的焊接参数，焊接参数包括搅拌头的旋转速度、下压速度、下压量、搅拌时间及等待时间，使搅拌头边旋转边垂直向下移动，使搅拌针及外凸圆台扎入热塑性塑料焊件中，待外凸圆台外围的轴肩底面与焊件表面接触后，垂直运动停止；搅拌头保持旋转运动达到搅拌时间后停止旋转，经等待时间过后，将搅拌头垂直向上撤回至与焊件完全分离；
（5）待液体介质冷却后，除去液体介质并取下开口容器，从工作台上取下焊件，完成焊接。
5.根据权利要求4所述的点焊方法，其特征在于，所述开口容器为上下贯通的长方体塑料框架，且没有上表面和下表面，步骤（2）中，利用密封胶将开口容器的框架底部与焊件表面密封固定。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20190702 Termination date: 20210119 |