CN109967856B - 一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域，特别是涉及一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法。解决了现有热塑性聚合物及其复合材料搅拌摩擦焊焊缝成形差和根部未焊透缺陷等问题。它包括焊前清理、待焊板材装夹、安装磁力装置、下支撑体的定位与安装、背部随动支撑的搅拌摩擦焊等步骤。它主要用于消除热塑性聚合物及其复合材料搅拌摩擦焊的焊接缺陷。

Description

一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊领域，特别是涉及一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
聚合物及其复合材料具有比强度和比模量高、耐腐蚀性好和线膨胀系数小等诸多优点，已广泛应用于航空航天、汽车、船舶、电子电器等领域。因此，聚合物及其复合材料的连接受到学者广泛关注，主要分为胶接、机械连接和焊接。一般而言，机械连接操作相对简单，但在连接部位易出现应力集中，降低可靠性，且连接件使接头重量增加，不利于轻量化设计；胶接工艺相对成熟，但工艺周期长，接头抗冲击、抗疲劳和耐湿热等性能不足。搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术，具有温度低、塑性变形剧烈、接头质量高等优点，有利于克服上述技术的缺陷与不足。但是焊接过程中，由于聚合物低热导率的特点或当搅拌针长度过短时，极易引起根部缺陷，降低接头性能。在金属的搅拌摩擦焊中，为了消除根部缺陷，目前已开展了系列研究。有人提出一种双轴肩搅拌摩擦焊方法，其焊具包含上轴肩、搅拌针和下轴肩。焊接过程中，上下轴肩和搅拌针同时与待焊材料摩擦产热，而下轴肩起到支撑作用，从而消除根部缺陷。但，该方法属于零倾角焊接易导致缺陷，焊接窗口窄；同时，由于上下轴肩所受扭矩差异大，极易出现搅拌针断裂导致工件报废，增加额外花费。另有报道提出了自支撑搅拌摩擦焊，其包含上轴肩、搅拌针和下支撑体。焊接过程中，该焊具直接插入待焊工件，下支撑体起支撑和阻止材料溢出作用，从而消除根部缺陷，但由于聚合物基复合材料粘度较低且受热极易软化，自支撑焊具难以实现对塑性材料的包裹。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，它包括以下步骤：
步骤一：进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂物，所述待焊板材为热塑性聚合物或热塑性聚合物复合材料板材；
步骤二：使用工装夹具对待焊板材进行装夹，使待焊板材对接面相互靠近；
步骤三：将电磁装置嵌套在搅拌头外侧，所述电磁装置与焊机相连并跟随搅拌头做同步平面运动；
步骤四：驱动搅拌头旋转并下扎至待焊板材中，使搅拌针贯穿待焊板材，当搅拌头轴肩达到设定下扎深度时，搅拌头停止旋转；
步骤五：将下支撑体安装到搅拌针贯穿待焊板材位置，通过电磁装置的磁力作用，电磁装置与下支撑体之间相互吸引，实现对下支撑体的固定；
步骤六：驱动搅拌头旋转，以设定焊接速度向前运动进行焊接，所述电磁装置与下支撑体相对于搅拌针保持静止，当达到焊接距离后，搅拌头向上抬起，实现下支撑体的分离，完成焊接过程。
更进一步的，所述步骤二中待焊板材对接面间隙小于板材厚度的1/10。
更进一步的，所述下支撑体上设置有凹孔，所述搅拌针位于下支撑体凹孔内。
更进一步的，所述下支撑体形状为平面形结构或曲面形结构。
更进一步的，所述步骤四中搅拌头的旋转速度为50-10000rpm，下扎速率为0.1-5mm/min，下扎深度为0.01-1mm。
更进一步的，所述搅拌针的材质为钢、陶瓷或钨铼合金。
更进一步的，所述步骤六中搅拌头的旋转速度为50-10000rpm，焊接速度为5-1000mm/min，所述搅拌头轴肩倾角为0-5度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明通过电磁装置的磁力作用，利用电磁装置与下支撑体之间相互吸引的原理对下支撑体进行固定，实现对焊缝的背部支撑，消除了热塑性聚合物及其复合材料搅拌摩擦焊过程中易产生的根部缺陷；
2.在焊接过程中，下支撑体与搅拌针之间不发生旋转，有效阻止塑化材料的溢出，控制背部成形并消除了飞边和弧形纹缺陷；
3.通过改变下支撑体的形状，可实现任意倾角下的直线或曲线的焊接；
4.本发明设计简单、更换灵活、自适应和可实施性强，能够满足任意厚度板材的连接要求；
5.本发明焊接峰值温度低，可避免传统熔焊产生的气泡和材料降解等问题，接头强度高，而且无弧光、烟尘等对人有害的物质产生，是一种绿色、高质、高效的焊接方法。
附图说明
图1为本发明所述的通过磁力实现搅拌摩擦焊背部随动支撑结构示意图
1：搅拌头，1-1：搅拌头轴肩，1-2：搅拌针，2：电磁装置，3：下支撑体
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1说明本实施方式，一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，它包括以下步骤：
步骤一：进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂物，所述待焊板材为热塑性聚合物或热塑性聚合物复合材料板材；
步骤二：使用工装夹具对待焊板材进行装夹，使待焊板材对接面相互靠近；
步骤三：将电磁装置2嵌套在搅拌头1外侧，所述电磁装置2与焊机相连并跟随搅拌头1做同步平面运动；
步骤四：驱动搅拌头1旋转并下扎至待焊板材中，使搅拌针1-2贯穿待焊板材，当搅拌头轴肩1-1达到设定下扎深度时，搅拌头1停止旋转；
步骤五：将下支撑体3安装到搅拌针1-2贯穿待焊板材位置，通过电磁装置2的磁力作用，电磁装置2与下支撑体3之间相互吸引，实现对下支撑体3的固定；
步骤六：驱动搅拌头1旋转，以设定焊接速度向前运动进行焊接，所述电磁装置2与下支撑体3相对于搅拌针1-2保持静止，当达到焊接距离后，搅拌头1向上抬起，实现下支撑体3的分离，完成焊接过程。
本发明使用酒精等有机溶剂或清洗剂对待焊热塑性聚合物或热塑性聚合物复合材料板材进行擦拭，去除表面油污或粉尘等杂物；使用工装夹具对待焊板材进行装夹，使待焊板材对接面间隙小于板材厚度的1/10；将电磁装置2嵌套在搅拌头1外侧，所述电磁装置2与焊机相连并跟随搅拌头1做同步平面运动，电磁装置2不转动；驱动搅拌头1旋转并下扎至待焊板材中，使搅拌针1-2贯穿待焊板材，当搅拌头轴肩1-1达到设定下扎深度时，搅拌头1停止旋转，根据待焊板材材料和性能的不同，搅拌头1的旋转速度为50-10000rpm，下扎速率为0.1-5mm/min，下扎深度为0.01-1mm，搅拌针1-2的材质为钢、陶瓷或钨铼合金等硬质合金；将下支撑体3安装到搅拌针1-2贯穿待焊板材位置，通过电磁装置2的磁力作用，电磁装置2与下支撑体3之间相互吸引，实现对下支撑体3的固定，所述下支撑体3上设置有凹孔，所述搅拌针1-2位于下支撑体3凹孔内；驱动搅拌头1旋转，以设定焊接速度向前运动进行焊接，所述电磁装置2与下支撑体3相对于搅拌针1-2保持静止，当达到焊接距离后，搅拌头1向上抬起，实现下支撑体3的分离，由于搅拌针1-2已贯穿待焊板材，可有效消除焊接过程中未能焊透的缺陷，而且由于磁力相互吸引的作用，电磁装置2与下支撑体3相对于搅拌针1-2保持静止，可起到阻止材料溢出，促进接头成形的作用，搅拌头1按设定速率向上抬起，由于下支撑体3上方的板材和夹具对其施加的作用力大于磁力，实现下支撑体3的分离，完成焊接过程，根据待焊板材材料物理或化学属性的不同，搅拌头1的旋转速度为50-10000rpm，焊接速度为5-1000mm/min，所述搅拌头轴肩1-1倾角为0-5度，根据待焊板材焊接形状的不同，下支撑体3形状为平面形结构或曲面形结构。
以上对本发明所提供的一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：进行焊前清理，使用有机溶剂或清洗剂对待焊板材进行擦拭，去除表面杂物，所述待焊板材为热塑性聚合物或热塑性聚合物复合材料板材；
步骤二：使用工装夹具对待焊板材进行装夹，使待焊板材对接面相互靠近；
步骤三：将电磁装置(2)嵌套在搅拌头(1)外侧，所述电磁装置(2)与焊机相连并跟随搅拌头(1)做同步平面运动；
步骤四：驱动搅拌头(1)旋转并下扎至待焊板材中，使搅拌针(1-2)贯穿待焊板材，当搅拌头轴肩(1-1)达到设定下扎深度时，搅拌头(1)停止旋转；
步骤五：将下支撑体(3)安装到搅拌针(1-2)贯穿待焊板材位置，通过电磁装置(2)的磁力作用，电磁装置(2)与下支撑体(3)之间相互吸引，实现对下支撑体(3)的固定；
步骤六：驱动搅拌头(1)旋转，以设定焊接速度向前运动进行焊接，所述电磁装置(2)与下支撑体(3)相对于搅拌针(1-2)保持静止，当达到焊接距离后，搅拌头(1)向上抬起，实现下支撑体(3)的分离，完成焊接过程；
所述下支撑体(3)上设置有凹孔，所述搅拌针(1-2)位于下支撑体(3)凹孔内。
2.根据权利要求1所述的一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤二中待焊板材对接面间隙小于板材厚度的1/10。
3.根据权利要求1所述的一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述下支撑体(3)形状为平面形结构或曲面形结构。
4.根据权利要求1所述的一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤四中搅拌头(1)的旋转速度为50-10000rpm，下扎速率为0.1-5mm/min，下扎深度为0.01-1mm。
5.根据权利要求1所述的一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述搅拌针(1-2)的材质为钢、陶瓷或钨铼合金。
6.根据权利要求1所述的一种通过磁力实现背部随动支撑的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述步骤六中搅拌头(1)的旋转速度为50-10000rpm，焊接速度为5-1000mm/min，所述搅拌头轴肩(1-1)倾角为0-5度。
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