CN108608110A - 三明治式金属焊接件摩擦焊接工装及方法 - Google Patents

Abstract

三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，包括于用夹装上层金属件的上层夹具、用于夹装中层金属件的中层夹具和用于夹装下层金属件的下层夹具，其特征在于还包括的与外部驱动设置驱动连接的转动撞击组件和装在上层夹具上用于将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧的压力组件，所述的转动撞击组件装在中层夹具外周，转动撞击组件高速转动撞击中层夹具，推动中层夹具沿水平方向振动。本发明提高金属间摩擦焊接的强度，避免产生空隙，可精准的控制各金属层的厚度比例，焊接用时短，效率高，焊接的可靠性和质量更高。本发明还提供一种三明治式金属焊接件摩擦焊接方法。

Description

三明治式金属焊接件摩擦焊接工装及方法

技术领域

本发明涉及一种三明治式金属焊接件摩擦焊接工装及方法，用于金属件的振动摩擦焊接，属于摩擦焊接技术领域。

背景技术

Cpc产品是一种三明治复合材料，其构成是铜/钼铜/铜，因为这种材料有着很好的导热系数以及低的线膨胀系数，因此被作为热沉材料广泛的应用于半导体行业，比如雷达，基站，微波射频，激光射频的领域。

现有的cpc产品的生产技术有：

1、氩弧焊接：将铜板和钼铜板用在真空焊接设备中，用氩弧焊接的方式将铜板和钼铜板焊接在一起，然后通过热轧的方式来复合铜与钼铜。缺点是氩弧焊接的时间长，而且容易出现焊接不好的情况，在热轧复合的时候，因为氧化而造成复合界面强度不高，有空隙的现象。这种情况很难发现，最终使得产品的一致性不好，容易出现问题。2、熔化烧结：将铜板和钼铜板装在一个石墨容器中，然后加热将铜熔化，使得铜与钼铜粘接在一起，然后冷却下来，得到cpc的坯料，再通过热轧的方式进行复合。缺点是铜熔化以后再凝固，容易出现气孔，这种气孔在后续的复合中很难去除，使得产品的质量不佳。同时，因为铜熔化以后的厚度很难控制，因此造成cpc的比例很难控制。 3、铆钉固定：

将铜板和钼铜板采用铆接的方式固定，然后通过热轧的方式进行复合，将铜与钼铜连接在一起。缺点为铆钉固定的方式完全不能避免在热轧过程中的氧化，因此复合界面存在强度低，有空隙的现象，这种方式是最原始的方式，在最初的研发试验中会用到，批量生产是不会用的。

检测到的相关现有专利文献：

1、CN 102528269 A，线性摩擦焊接物理模拟试验装置；

2、CN 107813504 A，一种振动摩擦焊接头；

3、CN 108015408 A，一种无拉杆式旋转摩擦焊接机；、

4、CN 107962309 A，振动摩擦焊接机。

现有专利文献中均没有解决金属摩擦焊接中金属复合面强度不高、存在空隙等问题，金属间摩擦焊接的质量还有待提高。

发明内容

本发明提供的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装及方法，提高金属间摩擦焊接的强度，避免产生空隙，可精准的控制各金属层的厚度比例，焊接用时短，效率高，焊接的可靠性和质量更高。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，包括于用夹装上层金属件的上层夹具、用于夹装中层金属件的中层夹具和用于夹装下层金属件的下层夹具，其特征在于还包括的与外部驱动设置驱动连接的转动撞击组件和装在上层夹具上用于将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧的压力组件，所述的转动撞击组件装在中层夹具外周，转动撞击组件高速转动撞击中层夹具，推动中层夹具沿水平方向振动。

其中，所述的中层夹具左右两侧对称装有锻台，所述的转动撞击组件包括装在锻台外侧的齿圈，所述的齿圈与外部驱动设置中的驱动齿轮啮合连接，齿圈内侧面与锻台不接触，且齿圈的内侧面上固定有撞击件，撞击件随齿圈的转动撞击锻台，推动锻台水平往复运动，从而带动中层夹具沿水平方向振动。

其中，所述的下层夹具置于平台上，且所述的平台上装有与锻台导向配合的导向支撑，锻台在导向支撑的导向下沿水平方向往复运动。

其中，所述的导向支撑包括垂直固定在平台上的支撑柱和装在支撑柱上端的导轨，锻台底部具有滑块，导轨上开有与滑块相配合的滑槽。

其中，所述的齿圈的内侧面均匀分布三个撞击件，撞击件为沿垂向设置的圆柱，撞击件和锻台均为硬质合金材质，锻台被撞击的侧面为圆柱面。

其中，所述的齿圈内侧面与锻台的径向间隙为1~2mm，撞击件突出齿圈内侧面的径向厚度为齿圈内侧面与锻台的径向间隙的1.5~2倍。

其中，所述的下层夹具底部中间固定垂向油缸，所述的垂向油缸穿过平台，且垂向油缸的伸出端装有位置传感器，所述的压力组件为气缸，气缸的伸出端上装有压力传感器。

三明治式金属焊接件摩擦焊接方法，其特征在于采用以上所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装进行焊接，焊接步骤为：

第一步，对待焊接的上层金属件、中层金属件和下层金属件进行厚度检测和表面去污后，分别装入上层夹具、中层夹具和下层夹具；

第二步，启动压力组件施加垂向压力将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧；

第三步，启动外部驱动设备驱动转动撞击组件高速转动，撞冲中层夹具，推动中层夹具沿水平方向振动，从而带动中层金属件摩擦上层金属件和下层金属件，直至上层金属件和下层金属件的被摩擦面熔化，关闭外部驱动设备；

第四步，在保压的情况下自然冷却，形成三明治式金属焊接件；

第五步，关闭压力组件，取出三明治式金属焊接件。

其中，第二步中压力组件施加的垂向压力值为5mpa~30mpa，第三步中转动撞击组件转速为800转/分钟~2000转/分钟，转动时间为60s ~120s，第四步中冷却时间至少为180s。

本发明的有益效果：

1、本发明用上中下三层夹具将待焊接的金属件夹紧，并用下压组件压紧，通过转动撞击组件的高速转动，推动中层夹具做高速的水平往复运动即振动，从而使中层金属件高速摩擦上层金属件和下层金属件，高频率的摩擦产生热量，将上层金属件和下层金属件的被摩擦面熔化，再在保压的情况下，进行冷却使上层金属件和下层金属件熔结在中层金属件上，形成三明治式金属焊接件，可有效提高金属间摩擦焊接的强度，提高焊接的可靠性。

2、运用摩擦生热，熔化摩擦面的原理，对上层金属件和下层金属件的摩擦面进行熔化，可通过调节振动的频率和振动的时间，有效控制摩擦面的熔化厚度，从而精准的控制各金属层的厚度比例。

3、由于中层金属件的振动在保压的情况下完成，在运动的过程中不仅可以迅速产生热量，而且可有效排出接触面间的残余空气，在保压的情况下进行冷却可有效防止空气进入熔结面中，避免金属结合面产生空隙，焊接的质量更高。

4、转动撞击组件中的齿圈与外部驱动设置的驱动轮啮合连接，调节外部驱动设置的驱动轮的转速，即可调节齿圈的转速，从而调节齿圈内的撞击件与锻台的撞击频率，实现中层金属件的高频振动，使下层金属件和上层金属件的摩擦面的快速熔化，焊接用时少，效率高。

5、用导向支撑对锻台的运动进行导向，保证中层金属件的振动为直线往复运动，中层金属件的振动方向一致且频率更高，对上层金属件和下层金属件的摩擦效率更高，产生的热量更大，使上层金属件和下层金属件的被摩擦面沿振动方向均匀熔化。

附图说明

图1为具体实施方式中三明治式金属焊接件摩擦焊接工装的分解结构示意图。

图 2为撞击件装在齿圈内侧面的结构示意图。

图3为锻台的结构示意图。

图4为导向支撑的结构示意图。

具体实施方式

下面将通过附图1~4和实施例对本发明做进一步的描述。

三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，包括于用夹装上层金属件的上层夹具1、用于夹装中层金属件的中层夹具2和用于夹装下层金属件的下层夹具3，其特征在于还包括的与外部驱动设置驱动连接的转动撞击组件4和装在上层夹具1上用于将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧的压力组件5，所述的转动撞击组件4装在中层夹具2外周，转动撞击组件4高速转动撞击中层夹具2，推动中层夹具2沿水平方向振动。

如图所示，用上中下三层夹具将待焊接的金属件夹紧，并用下压组件5压紧，通过转动撞击组件4的高速转动，推动中层夹具2做高速的水平往复运动即振动，从而使中层金属件B高速摩擦上层金属件A和下层金属件C，高频率的摩擦产生热量，将上层金属件A和下层金属件C的被摩擦面熔化，再在保压的情况下，进行冷却使上层金属件和下层金属件熔结在中层金属件上，形成三明治式金属焊接件。需要说明的下压组件5的压力不能过大，要保证在转动撞击组件4高速转动的过程中，中层夹具2所承受的撞击力要大于中层金属件所受的摩擦力，使中层金属件能克服与上层金属件和下层金属件间的摩擦力产生振动。

所述的中层夹具2左右两侧对称装有锻台21，所述的转动撞击组件4包括装在锻台21外侧的齿圈42，所述的齿圈42与外部驱动设置中的驱动齿轮啮合连接，齿圈42内侧面与锻台21不接触，且齿圈42的内侧面上固定有撞击件41，撞击件41随齿圈42的转动撞击锻台21，推动锻台21水平往复运动，从而带动中层夹具2沿水平方向振动。

当齿圈42高速转动时，撞击件41随之高速转动，在转动过程中撞击一个锻台21，使中层夹具2发生移动，而当撞击件41撞击另一个锻台21时，中层夹具2又会回移，随着撞击件41的高速转动，高频率且高速度的对两个锻台21进行交替撞击，从而形成中层夹具2的高速往复移动，即振动。而且齿圈42与外部驱动设置的驱动轮啮合连接，调节外部驱动设置的驱动轮的转速，即可调节齿圈42的转速，从而调节齿圈42内的撞击件41与锻台21的撞击频率，实现中层金属件的高频振动，使下层金属件和上层金属件的摩擦面的快速熔化，焊接用时少，效率高。

其中，所述的下层夹具3置于平台6上，且所述的平台6上装有与锻台21导向配合的导向支撑7，锻台21在导向支撑7的导向下沿水平方向往复运动。

所述的导向支撑7包括垂直固定在平台6上的支撑柱71和装在支撑柱71上端的导轨72，锻台21底部具有滑块21.1，导轨72上开有与滑块21.1相配合的滑槽72.1。

用导向支撑7对锻台21的运动进行导向，保证中层金属件的振动为直线往复运动，根据两点之间直线最短的原理，中层金属件的振动位移最小，相同时间内中层金属件的振动频率最高，对上层金属件和下层金属件的摩擦效率更高，产生的热量更大，使上层金属件和下层金属件的被摩擦面沿振动方向均匀熔化。

其中，所述的齿圈42的内侧面均匀分布三个撞击件41，用三个撞击件41对两个锻台21进行交替撞击，提高撞击频率，从而提高中层金属件的振动频率，撞击件41为沿垂向设置的圆柱，撞击件41和锻台21均为硬质合金材质，锻台21被撞击的侧面为圆柱面。通过圆柱面与圆柱面的撞击接触，提高锻台21与撞击件41的瞬间接触撞击力，从而为锻台21的运动提供足够大的动能，而硬质合金材料保证撞击件41和锻台21在不断的撞击过程中不会发生变形或磨损，提高使用寿命。

其中，所述的齿圈42内侧面与锻台21的径向间隙为1~2mm，撞击件41突出齿圈42内侧面的径向厚度为齿圈42内侧面与锻台21的径向间隙的1.5~2倍，确保撞击件41 对锻台21进行有效的接触撞击。

其中，所述的下层夹具3底部中间固定垂向油缸8，所述的垂向油缸8穿过平台6，且垂向油缸8的伸出端装有位置传感器，通过垂向油缸8来调整下层夹具3的高度，从而方便根据各层金属件的厚度来调整上层夹具1与下层夹具3之间的间距，通过位置传感器掌握调节实时数据，提高调节的便利性。所述的压力组件5为气缸，气缸的伸出端上装有压力传感器，同样通过压力传感器的感应数据，方便调节气缸的伸出压力。

本发明还保护一种三明治式金属焊接件摩擦焊接方法，其特征在于采用以上所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装进行焊接，焊接步骤为：

第一步，对待焊接的上层金属件、中层金属件和下层金属件进行厚度检测和表面去污后，分别装入上层夹具1、中层夹具2和下层夹具3；

第二步，启动压力组件5施加垂向压力将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧；

第三步，启动外部驱动设备驱动转动撞击组件4高速转动，撞冲中层夹具2，推动中层夹具2沿水平方向振动，从而带动中层金属件摩擦上层金属件和下层金属件，直至上层金属件和下层金属件的被摩擦面熔化，关闭外部驱动设备；

第四步，在保压的情况下自然冷却，形成三明治式金属焊接件；

第五步，关闭压力组件5，取出三明治式金属焊接件。

其中，第二步中压力组件5施加的垂向压力值为5mpa~30mpa，第三步中转动撞击组件4转速为800转/分钟~2000转/分钟，通过对金属焊接件进行多次反复试验得到当压力组件5施加的垂向压力值在5mpa~30mpa之间里，齿圈42的转速必须在800转/分钟~2000转/分钟之间，中层金属件B才能克报摩擦力产生高频振动。转动时间为60s ~120s，保证上层金属件和下层金属件的被摩擦面均匀的产生熔化层，第四步中冷却时间至少为180 s，保证在保压的情况下熔化层被充分熔结。

下面根据以上所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接方法对CPC复合板的焊接过程进行详细说明：

第一步，准备2.1×80×160 mm的铜板两块，8.0×80×160mm的70钼铜板1块，进行厚度检测和表面去污后，铜板分别装入上层夹具1和下层夹具3，钼铜板装入中层夹具2；

第二步，启动压力组件5施加10mpa的垂向压力将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧；

第三步，启动外部驱动设备驱动转动撞击组件4高速转动，转速为1500转/分钟，转动时间为90秒；

第四步，自然冷却至少180s，形成CPC复合板；

第五步，关闭压力组件5，取出CPC复合板。

对取出的CPC复合板进行超声波扫描，内部无缺陷。用线切割取样，sem测量铜层厚度为2.02mm，钼铜层厚度为8.0mm，复合界面平直无扭曲，且各金属层的厚度比例控制精准。

以上所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装及方法的优点在于：

1、可有效提高金属间摩擦焊接的强度，提高焊接的可靠性。

2、有效控制摩擦面的熔化厚度，从而精准的控制各金属层的厚度比例。

3、避免金属结合面产生空隙，焊接的质量更高。

4、焊接用时少，效率高。

5、使上层金属件和下层金属件的被摩擦面沿振动方向均匀熔化。

6、便于控制，方便调节，实用性高。

以上结合附图对本发明实施例的技术方案进行完整描述，需要说明的是所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的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。

Claims (9)

1.三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，包括于用夹装上层金属件的上层夹具（1）、用于夹装中层金属件的中层夹具（2）和用于夹装下层金属件的下层夹具（3），其特征在于还包括的与外部驱动设置驱动连接的转动撞击组件（4）和装在上层夹具（1）上用于将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧的压力组件（5），所述的转动撞击组件（4）装在中层夹具（2）外周，转动撞击组件（4）高速转动撞击中层夹具（2），推动中层夹具（2）沿水平方向振动。

2.根据权利要求1所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，其特征在于所述的中层夹具（2）左右两侧对称装有锻台（21），所述的转动撞击组件（4）包括装在锻台（21）外侧的齿圈（42），所述的齿圈（42）与外部驱动设置中的驱动齿轮啮合连接，齿圈（42）内侧面与锻台（21）不接触，且齿圈（42）的内侧面上固定有撞击件（41），撞击件（41）随齿圈（42）的转动撞击锻台（21），推动锻台（21）水平往复运动，从而带动中层夹具（2）沿水平方向振动。

3.根据权利要求2所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，其特征在于所述的下层夹具（3）置于平台（6）上，且所述的平台（6）上装有与锻台（21）导向配合的导向支撑（7），锻台（21）在导向支撑（7）的导向下沿水平方向往复运动。

4.根据权利要求3所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，其特征在于所述的导向支撑（7）包括垂直固定在平台（6）上的支撑柱（71）和装在支撑柱（71）上端的导轨（72），锻台（21）底部具有滑块（21.1），导轨（72）上开有与滑块（21.1）相配合的滑槽（72.1）。

5.根据权利要求2所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，其特征在于所述的齿圈（42）的内侧面均匀分布三个撞击件（41），撞击件（41）为沿垂向设置的圆柱，撞击件（41）和锻台（21）均为硬质合金材质，锻台（21）被撞击的侧面为圆柱面。

6.根据权利要求5所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，其特征在于所述的齿圈（42）内侧面与锻台（21）的径向间隙为1~2mm，撞击件（41）突出齿圈（42）内侧面的径向厚度为齿圈（42）内侧面与锻台（21）的径向间隙的1.5~2倍。

7.根据权利要求3所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装，其特征在于所述的下层夹具（3）底部中间固定垂向油缸（8），所述的垂向油缸（8）穿过平台（6），且垂向油缸（8）的伸出端装有位置传感器，所述的压力组件（5）为气缸，气缸的伸出端上装有压力传感器。

8.三明治式金属焊接件摩擦焊接方法，其特征在于采用权利要求1至权利要求7任一项所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接工装进行焊接，焊接步骤为：

第一步，对待焊接的上层金属件、中层金属件和下层金属件进行厚度检测和表面去污后，分别装入上层夹具（1）、中层夹具（2）和下层夹具（3）；

第二步，启动压力组件（5）施加垂向压力将上层金属件、中层金属件和下层金属件压紧；

第三步，启动外部驱动设备驱动转动撞击组件（4）高速转动，撞冲中层夹具（2），推动中层夹具（2）沿水平方向振动，从而带动中层金属件摩擦上层金属件和下层金属件，直至上层金属件和下层金属件的被摩擦面熔化，关闭外部驱动设备；

第四步，在保压的情况下自然冷却，形成三明治式金属焊接件；

第五步，关闭压力组件（5），取出三明治式金属焊接件。

9.权利要求8所述的三明治式金属焊接件摩擦焊接方法，其特征在于第二步中压力组件（5）施加的垂向压力值为5mpa~30mpa，第三步中转动撞击组件（4）转速为800转/分钟~2000转/分钟，转动时间为60s ~120s，第四步中冷却时间至少为180 s。