CN109177181B - 一种摩擦塞焊装置及其摩擦塞焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种摩擦塞焊装置及其塞焊方法，摩擦塞焊装置包括本体，本体包括装夹杆和连接轴，连接轴的底端面设置凹槽，连接轴的下方依次搭接装夹板、金属焊件和热塑性塑料焊件，装夹板上设置第一通孔，金属焊件上设置用于放置塞棒的第二通孔，第一通孔和第二通孔共轴线。摩擦塞焊方法包括以下步骤：a、表面去污处理；b、将塞棒插入第二通孔内，将连接轴调节到待焊位置的上方；c、塞棒填充满凹槽；d、塞棒旋转与第二通孔内壁及热塑性塑料焊件表面摩擦融合；e、待焊件冷却即完成焊接。本发明的装置结构简单、易于制造，利用本发明的塞焊方法能够获得致密性好、力学性能优异的接头。

Description

一种摩擦塞焊装置及其摩擦塞焊方法
技术领域
本发明属于金属与塑料焊接技术领域，具体为一种摩擦塞焊装置及其摩擦塞焊方法。
背景技术
热塑性塑料由于质轻、比强度高等优点在汽车制造、航空航天等领域运用越来越广泛，这使得热塑性塑料构件与金属构件的连接成为生产过程不可避免的工艺，传统的金属与热塑性塑料的连接技术，如机械连接面临连接区域应力集中、构件整体重量增加等问题；粘接面临沾粘剂挥发以及粘接接头受环境影响较大的问题；新型的激光或搅拌摩擦点焊接头易产生气孔缺陷，且接头连接强度较低。
摩擦塞焊是一种新型的固相连接及修补技术，是通过驱动装置带动塞棒旋转与塞孔之间接触摩擦使材料塑化，最后顶锻形成接头的一种焊接工艺，该工艺绿色环保、可在恶劣环境中进行焊接、焊件变形小、接头残余应力小、强度高等优点。目前，摩擦塞焊技术已研究应用于钢、铝合金、镁合金等材料的连接，但在金属与热塑性塑料的连接领域较为罕见。采用塞焊连接金属与热塑性塑料有望解决上述焊接工艺存在的缺点与不足，获得力学性能优异的塞焊接头。但是，传统的金属塞焊需要较为复杂的塞棒装卸过程以及焊后对塞棒的铣削加工处理，这大大降低了塞焊的效率。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种接头承载能力高的金属与热塑性塑料摩擦塞焊装置，本发明的另一目的是提供一种利用该装置的摩擦塞焊方法。
技术方案：本发明所述的一种摩擦塞焊装置，包括本体，本体包括装夹杆和连接轴，连接轴的底端面设置凹槽，连接轴的下方依次搭接装夹板、金属焊件和热塑性塑料焊件，装夹板上设置第一通孔，有利于下压过程中和连接轴配合形成一个相对密闭的内部空间，从而使得塑化的塞棒材料充分填充凹槽，金属焊件上设置用于放置塞棒的第二通孔，第一通孔和第二通孔共轴线，连接轴的外径略小于第一通孔的直径，塞棒的外径略小于第二通孔的直径。
凹槽的形状为六棱柱形，凹槽的深度为第二通孔直径的0.3-0.6倍，凹槽的底面对边距为第二通孔直径的1.4-1.8倍，有利于提高金属焊件与热塑性塑料焊件连接的可靠性。塞棒为热塑性塑料塞棒。热塑性塑料焊件和热塑性塑料塞棒均为结晶热塑性塑料或无定形热塑性塑料。金属焊件为铝合金、镁合金、钛合金或不锈钢材料。装夹杆和连接轴为一体式加工。
本发明所述的一种金属与热塑性塑料的摩擦塞焊方法，包括以下步骤：
a、对金属焊件、第二通孔、热塑性塑料焊件和热塑性塑料塞棒的表面进行去污处理；
b、将热塑性塑料塞棒插入第二通孔内，将装夹板、金属焊件和热塑性塑料焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔和第二通孔共轴线，将装夹杆夹在本体上，并将连接轴调节到待焊位置的上方；
c、旋转的连接轴穿过装夹板的第一通孔垂直向下移动，下压速度为5-25mm/min，热塑性塑料塞棒的上端受凹槽内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽，停止下压，连接轴保持500-1200rpm的旋转速度旋转2-8s后停止转动8-20s，填充凹槽的热塑性塑料塞棒冷却固化，在热塑性塑料塞棒上端形成螺帽结构；
d、连接轴通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塑料塞棒以400-1000rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为1-15mm/min，连接轴底面与金属焊件表面刚刚接触时停止下压，热塑性塑料塞棒与热塑性塑料焊件、第二通孔的内壁摩擦4-16s，待其塑化融合，连接轴停止旋转，等待8-20s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
e、待金属焊件和热塑性塑料焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：本发明的装置结构简单、易于制造，第一通孔有利于阻止整个焊接过程中塑化材料的挤出损失，利用本发明的塞焊方法能够获得致密性好、力学性能优异的接头；本发明有利于解决传统塞焊较为复杂的塞棒装卸过程以及焊后塞棒多余部分铣削去除过程，有利于一次性获得完好的接头；本发明六棱柱形的凹槽的设计有利于摩擦塞焊过程连接轴带动塞棒旋转与热塑性塑料焊件及第二通孔内壁的摩擦塑化，重复性好；本发明中带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头，有利于提高金属焊件与热塑性塑料焊件连接的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的A-A面剖视图。
具体实施方式
如图1，将100mm×100mm×15mm的装夹板5、200mm×200mm×3mm的金属焊件6、200mm×200mm×3mm的热塑性塑料焊件7自上而下依次搭接，装夹板5上有第一通孔8，本体1的装夹杆2与连接轴3一体式加工，装夹杆2的长度为20mm，直径为14mm，连接轴3的长度为20mm，直径为18mm，热塑性塑料焊件7为结晶热塑性塑料或无定形热塑性塑料，金属焊件6为铝合金、镁合金、钛合金或不锈钢材料。
如图2，连接轴3的底面有六棱柱形的凹槽4，装夹板5上有直径为18.8mm的第一通孔8，金属焊件6上有直径为10mm的第二通孔10，凹槽4的深度为第二通孔10直径的0.3-0.6倍，优选为4mm，凹槽4的底面对边距为第二通孔10直径的1.4-1.8倍，优选为14mm，连接轴3的外径略小于第一通孔8的直径。第一通孔8和第二通孔10共轴线，塞棒9插在金属焊件6的第二通孔10内，圆柱形的塞棒9的长度为14mm，直径为9.8mm。塞棒9为热塑性塑料塞棒9，与热塑性塑料焊件7的材料相同。
第一通孔8可有效地阻止塞焊过程中塑化的热塑性塑料塞棒9在挤压力和连接轴3的旋转离心力作用下的挤出损失，下压过程中和连接轴3配合形成一个相对密闭的内部空间，有利于获得致密的塞焊接头，若没有第一通孔8，则下压过程中塑化材料极易在离心力的作用下甩出，使得六棱柱形的凹槽4填充不满。六棱柱形的凹槽4在连接轴3下压过程中逐渐被塑化的热塑性塑料塞棒9填充，从而在热塑性塑料塞棒9的上端部形成六棱柱螺帽结构，连接轴3可有效地带动热塑性塑料塞棒9旋转与热塑性塑料焊件7、第二通孔10摩擦塑化融合粘接，形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头。
实施例1
采用如图1的摩擦塞焊装置进行结晶热塑性塑料——高密度聚乙烯(HDPE)和铝合金2024摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对铝合金2024焊件、第二通孔10、HDPE焊件和HDPE塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将HDPE塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、铝合金2024焊件和HDPE焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为5mm/min，HDPE塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持500rpm的旋转速度旋转2s后停止转动8s，填充六棱柱凹槽4的HDPE塞棒9冷却固化，在HDPE塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动HDPE塞棒9以400rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为1mm/min，连接轴3底面与铝合金2024焊件表面刚刚接触时停止下压，HDPE塞棒9与HDPE焊件、第二通孔10的内壁摩擦4s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待8s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待铝合金2024焊件和HDPE焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例2
采用如图1的摩擦塞焊装置进行结晶热塑性塑料——聚丙烯(PP)和镁合金AZ91D摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对镁合金AZ91D焊件、第二通孔10、PP焊件和PP塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将PP塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、镁合金AZ91D焊件和PP焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为25mm/min，PP塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持1200rpm的旋转速度旋转8s后停止转动20s，填充六棱柱凹槽4的PP塞棒9冷却固化，在PP塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以1000rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为15mm/min，连接轴3底面与镁合金AZ91D焊件表面刚刚接触时停止下压，PP塞棒9与PP焊件、第二通孔10的内壁摩擦16s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待20s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待镁合金AZ91D焊件和PP焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例3
采用如图1的摩擦塞焊装置进行结晶热塑性塑料——聚酰胺(PA)和钛合金TC4摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对钛合金TC4焊件、第二通孔10、PA焊件和PA塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将PA塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、钛合金TC4焊件和PA焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为15mm/min，PA塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持850rpm的旋转速度旋转5s后停止转动14s，填充六棱柱凹槽4的PA塞棒9冷却固化，在PA塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以700rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为8mm/min，连接轴3底面与钛合金TC4焊件表面刚刚接触时停止下压，PA塞棒9与PA焊件、第二通孔10的内壁摩擦10s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待14s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待钛合金TC4焊件和PA焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例4
采用如图1的摩擦塞焊装置进行结晶热塑性塑料——聚甲醛(POM)和不锈钢304摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对不锈钢304焊件、第二通孔10、POM焊件和POM塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将POM塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、不锈钢304焊件和POM焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为10mm/min，POM塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持700rpm的旋转速度旋转3s后停止转动9s，填充六棱柱凹槽4的POM塞棒9冷却固化，在POM塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以900rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为3mm/min，连接轴3底面与不锈钢304焊件表面刚刚接触时停止下压，POM塞棒9与POM焊件、第二通孔10的内壁摩擦6s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待9s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待不锈钢304焊件和POM焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例5
采用如图1的摩擦塞焊装置进行无定形热塑性塑料——聚碳酸酯(PC)和铝合金5052摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对铝合金5052焊件、第二通孔10、PC焊件和PC塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将PC塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、铝合金5052焊件和PC焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为8mm/min，PC塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持1100rpm的旋转速度旋转7s后停止转动19s，填充六棱柱凹槽4的PC塞棒9冷却固化，在PC塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以950rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为14mm/min，连接轴3底面与铝合金5052焊件表面刚刚接触时停止下压，PC塞棒9与PC焊件、第二通孔10的内壁摩擦15s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待19s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待铝合金5052焊件和PC焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例6
采用如图1的摩擦塞焊装置进行无定形热塑性塑料——聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和镁合金ME20M摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对镁合金ME20M焊件、第二通孔10、PMMA焊件和PMMA塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将PMMA塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、镁合金ME20M焊件和PMMA焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为7mm/min，PMMA塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持1000rpm的旋转速度旋转4s后停止转动10s，填充六棱柱凹槽4的PMMA塞棒9冷却固化，在PMMA塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以450rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为3mm/min，连接轴3底面与镁合金ME20M焊件表面刚刚接触时停止下压，PMMA塞棒9与PMMA焊件、第二通孔10的内壁摩擦6s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待10s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待镁合金ME20M焊件和PMMA焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例7
采用如图1的摩擦塞焊装置进行无定形热塑性塑料——聚苯乙烯(PS)和钛合金Ti-6Al-4V摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对钛合金Ti-6Al-4V焊件、第二通孔10、PS焊件和PS塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将PS塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、钛合金Ti-6Al-4V焊件和PS焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为19mm/min，PS塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持1050rpm的旋转速度旋转6s后停止转动18s，填充六棱柱凹槽4的PS塞棒9冷却固化，在PS塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以850rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为11mm/min，连接轴3底面与钛合金Ti-6Al-4V焊件表面刚刚接触时停止下压，PS塞棒9与PS焊件、第二通孔10的内壁摩擦13s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待18s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待钛合金Ti-6Al-4V焊件和PS焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
实施例8
采用如图1的摩擦塞焊装置进行无定形热塑性塑料——丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)和铝合金AA6061-T6摩擦塞焊，具体包括以下步骤：
(1)对铝合金AA6061-T6焊件、第二通孔10、ABS焊件和ABS塞棒9的表面进行去污处理；
(2)将ABS塞棒9插入第二通孔10内，将装夹板5、铝合金AA6061-T6焊件和ABS焊件自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔8和第二通孔10共轴线，将装夹杆2夹在本体1上，并将连接轴3调节到待焊位置的上方；
(3)旋转的连接轴3穿过装夹板5的第一通孔8垂直向下移动，下压速度为9mm/min，ABS塞棒9的上端受凹槽4内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽4，停止下压，连接轴3保持750rpm的旋转速度旋转5s后停止转动9s，填充六棱柱凹槽4的ABS塞棒9冷却固化，在ABS塞棒9上端形成六棱柱螺帽结构；
(4)连接轴3通过六棱柱螺帽结构带动热塑性塞棒9以650rpm的旋转速度快速旋转，下压速度为11mm/min，连接轴3底面与铝合金AA6061-T6焊件表面刚刚接触时停止下压，ABS塞棒9与ABS焊件、第二通孔10的内壁摩擦13s，待其塑化融合，连接轴3停止旋转，等待13s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴3慢慢抽回形成带有六棱柱螺帽结构的塞焊接头；
(5)待铝合金AA6061-T6焊件和ABS焊件冷却后，从工作台上取下，即完成焊接。
对实施例8制得的塞焊试样进行拉伸试验，获得的塞焊接头发生明显的剪切断裂，拉伸载荷为1859N。

Claims (9)

1.一种摩擦塞焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
(a)对金属焊件(6)、第二通孔(10)、热塑性塑料焊件(7)和热塑性塑料塞棒(9)的表面进行去污处理；
(b)将热塑性塑料塞棒(9)插入第二通孔(10)内，将装夹板(5)、金属焊件(6)和热塑性塑料焊件(7)自上而下搭接固定在工作台上，第一通孔(8)和第二通孔(10)共轴线，将装夹杆(2)夹在本体(1)上，并将连接轴(3)调节到待焊位置的上方；
(c)旋转的连接轴(3)穿过装夹板(5)的第一通孔(8)垂直向下移动，热塑性塑料塞棒(9)的上端受凹槽(4)内壁挤压摩擦逐渐填充凹槽(4)，停止下压，连接轴(3)保持旋转2-8s后停止转动，填充凹槽(4)的热塑性塑料塞棒(9)冷却固化，在热塑性塑料塞棒(9)上端形成螺帽结构；
(d)连接轴(3)通过螺帽结构带动热塑性塑料塞棒(9)快速旋转，连接轴(3)底面与金属焊件(6)表面刚刚接触时停止下压，热塑性塑料塞棒(9)与热塑性塑料焊件(7)、第二通孔(10)的内壁摩擦，待其塑化融合，连接轴(3)停止旋转，等待8-20s使塞焊区域在压力作用下固化，最后连接轴(3)慢慢抽回形成带有螺帽结构的塞焊接头；
(e)待金属焊件(6)和热塑性塑料焊件(7)冷却后，从工作台上取下，即完成焊接；
所述本体(1)包括装夹杆(2)和连接轴(3)，所述连接轴(3)的底端面设置凹槽(4)，所述连接轴(3)的下方依次搭接装夹板(5)、金属焊件(6)和热塑性塑料焊件(7)，所述装夹板(5)上设置第一通孔(8)，所述金属焊件(6)上设置用于放置塞棒(9)的第二通孔(10)，所述第一通孔(8)和第二通孔(10)共轴线，所述连接轴(3)的外径略小于第一通孔(8)的直径，所述塞棒(9)的外径略小于第二通孔(10)的直径。
2.根据权利要求1所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述凹槽(4)的形状为六棱柱形。
3.根据权利要求2所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述凹槽(4)的深度为第二通孔(10)直径的0.3-0.6倍，所述凹槽(4)的底面对边距为第二通孔(10)直径的1.4-1.8倍。
4.根据权利要求1所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述塞棒(9)为热塑性塑料塞棒(9)。
5.根据权利要求4所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述热塑性塑料焊件(7)和热塑性塑料塞棒(9)均为结晶热塑性塑料或无定形热塑性塑料。
6.根据权利要求1所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述金属焊件(6)为铝合金、镁合金、钛合金或不锈钢材料。
7.根据权利要求1所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述装夹杆(2)和连接轴(3)为一体式加工。
8.根据权利要求1所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述步骤(c)中的旋转速度为500-1200rpm，下压速度为5-25mm/min，摩擦加热时间为2-8s。
9.根据权利要求1所述的一种摩擦塞焊方法，其特征在于：所述步骤(d)中的旋转速度为400-1000rpm，下压速度为1-15mm/min，搅拌摩擦时间为4-16s。
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