CN110587114A - 一种回填式搅拌摩擦点焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种回填式搅拌摩擦点焊方法，涉及金属焊接技术领域。该回填式搅拌摩擦点焊方法通过将下压阶段和回填阶段均分为两阶段进行，并控制第一下压阶段搅拌针和搅拌套的运行速率为第二下压阶段对应速率的2‑4倍；第一回填阶段中搅拌针的运行速率加快至第一下压阶段的1.3‑1.7倍。分阶段改变轴套和搅拌针的运动速率来改变焊缝温度场和力场，从而改善材料的流动性和紧密程度。第二下压阶段搅拌套和搅拌针的速率的降低均有助于轴套与下板的摩擦产热，从而有利于下板金属的塑化，为回填阶段做准备；第一回填阶段搅拌针的运动速率比较大，不满足等体积关系，使轴套内部塑性金属内压力增大来改善金属流动性，达到消除孔洞的目的。

Description

一种回填式搅拌摩擦点焊方法

技术领域

本发明涉及金属焊接技术领域，具体而言，涉及一种回填式搅拌摩擦点焊方法。

背景技术

回填式搅拌摩擦点焊方法是一种新型的点焊技术，请参照图1，该技术主要分为四个步骤：(a)压紧环压在上板表面，搅拌套和搅拌针开始同步旋转并与待焊材料摩擦产热进而使材料塑化。(b)搅拌针和搅拌套分别向上向下运动，搅拌套将塑性金属挤入搅拌针向上运动所留下的空腔。(c)下压量到达一定值后，搅拌针下压将塑性金属挤入搅拌套回抽所留下的空腔。(d)搅拌头撤离焊件表面。

现有的回填式搅拌摩擦点焊方法焊接速度恒定，导致轴套对下板的加热不足，这将导致在回填第一阶段下板的塑性变形对轴套回抽留下的空腔补缩不足，最后在轴套作用底端形成孔洞缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种回填式搅拌摩擦点焊方法，旨在有效消除焊接过程产生的孔洞缺陷。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种回填式搅拌摩擦点焊方法，包括第一下压阶段、第二下压阶段、第一回填阶段和第二回填阶段；

第一下压阶段是控制搅拌针以R_P1的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S1的运行速度向下进入待焊接板上板；第二下压阶段是控制搅拌针以R_P2的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S2的运行速度向下进入待焊接板材的下板中；

第一回填阶段是控制搅拌针以R_P3的运行速度向下运动，且控制搅拌套以R_S3的运行速度向上运动；第二回填阶段是控制搅拌针以R _P4的运行速度向下运动至待焊接板上板上表面，且控制搅拌套以R_S4的运行速度向上至待焊接板上板上表面；

其中，R_P1和R_S1的取值和R_P2和R_S2的取值均满足搅拌套下压挤出金属的体积等于搅拌针回抽留下空腔的体积；R_P4和R_S4的取值满足搅拌针下压挤出金属的体积等于搅拌套回抽留下空腔的体积；

R_P1/R_P2＝2-4,R_S1/R_S2＝2-4,R_P3/R_P1＝1.3-1.7，R_S3/R_S1＝0.8-1.2；

在第一回填阶段中，搅拌针以R_P3的运行速度向下运动的距离为0.2-1.2mm。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，R_P4＝0.5-1.5R_P1,R_S4＝0.5-1.5R_S1；

优选地，R_P1/R_P2＝4，R_S1/R_S2＝4，R_P3/R_P1＝1.5，R_S3＝R_S1；

优选地，R_S1的取值范围为50-70mm/min；优选为58-62mm/min。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，第一下压阶段是控制搅拌针以R_P1的运行速度向上运动，且控制搅拌套的下端以R_S1的运行速度下压至待焊接板下板的上表面；

设待焊接板材的上板厚度为a，轴套下压量为a+j，搅拌针直径为D_P，搅拌套外径为D_S，焊点凹深为i；

R_P1＝R_S1×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²,第一下压阶段的焊接时间t₁＝a/R_S1；

第二下压阶段的焊接时间t₂＝j/R_S2；

优选地，R_P4＝R_P1,R_S3＝R_S4＝R_S1；

第一回填阶段的焊接时间t₃＝[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)/R_S1；

第二回填阶段的焊接时间t₄＝{a+j-i-[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)}/R_S1。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括在第一下压阶段之前进行的预热阶段，在预热阶段中，搅拌针和搅拌套的下端停留在待焊接上板的上表面通过旋转进行摩擦产热。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，预热阶段的处理时间t₀＝1-10s，优选为5-8s。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括在第一下压阶段和第二下压阶段之间进行的停留阶段，在停留阶段中，搅拌套和搅拌针停止上下运动，利用搅拌套与待焊接下板的上表面进行摩擦产热。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，停留阶段的处理时间为0.5-2s，优选为0.8-1.2s。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，还包括在第二回填阶段之后依次进行的第三回填阶段和第三下压阶段，第三回填阶段是控制搅拌针以R_P5的运行速度向下运动，且控制搅拌套以R_S5的运行速度向上运动；第三下压阶段是控制搅拌针以R_P6的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S6的运行速度向下运动；

其中，在第三回填阶段中搅拌套向上运动的距离与在第三下压阶段中搅拌套向下运动的距离相等；

优选地，在第三回填阶段中，搅拌套向上运动的距离为上板厚度的0.08-0.12倍。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在第三回填阶段，控制R_P5＝0.5-1.5R_P1，且R_S5＝0.5-1.5R_S1；优选地，R_P5＝R_P1，且R_S5＝R_S1；

优选地，在第三下压阶段，控制R_P6＝0.5-1.5R_P1，且R_S6＝0.5-1.5R_S1；更优选地，R_P6＝R_P1，且R_S6＝R_S。

进一步地，在本发明较佳的实施例中，在各阶段中，搅拌针和搅拌套的转速均为1000-3000rpm，优选为1300-1900rpm。

本发明的有益效果是：本发明通过上述设计得到的回填式搅拌摩擦点焊方法，其通过将下压阶段和回填阶段均分为两阶段进行，并控制第一下压阶段搅拌针和搅拌套的运行速率为第二下压阶段对应速率的2-4倍；第一回填阶段中搅拌针的运行速率加快至第一下压阶段的1.3-1.7倍，搅拌套的运行速率与第一下压阶段的运行速率相当。

通过分阶段改变轴套和搅拌针的运动速率来改变焊缝温度场和力场，从而改善材料的流动性和紧密程度。第二下压阶段搅拌套和搅拌针的速率的降低均有助于轴套与下板的摩擦产热，从而有利于下板金属的塑化，为回填阶段做准备；第一回填阶段搅拌针的运动速率比较大，不满足等体积关系，这一方面是由于焊接过程存在材料的损耗，另一方面是由于孔洞缺陷往往是在第一回填阶段初期形成，为了消除孔洞缺陷，必须使轴套内部塑性金属内压力增大来改善金属流动性，同时也有助于下板塑性金属的变形，下板金属的塑性变形同样能填补孔洞缺陷，达到消除孔洞的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是现有技术中整个焊接过程各阶段的状态图；

图2是本发明实施方式提供的整个焊接过程中各阶段的状态图；

图3是本发明实施方式提供的整个焊接过程中搅拌针与搅拌套的运动速率与时间的关系曲线；

图4是本发明实施方式提供的整个焊接过程中各阶段的状态图；

图5是本发明实施方式提供的整个焊接过程中搅拌针与搅拌套的运动速率与时间的关系曲线；

图6是本发明实施例1的焊接方法的结果测试图；

图7是本发明实施例2的焊接方法的结果测试图；

图8是本发明对比例1的焊接方法的结果测试图；

图9是本发明对比例2的焊接方法的结果测试图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明实施例提供一种回填式搅拌摩擦点焊方法，请参照图2和图3包括如下阶段:

S1、预热阶段

焊接起始阶段，搅拌针和搅拌套的运动速率为0，搅拌针和搅拌套停留待焊接件上板的上表面，通过搅拌针和搅拌套的旋转与被焊工件上表面摩擦产热，从而改善材料的流动性和紧密程度，预热时间t₀根据被焊材料的不同来选择。

在其他实施例中，也可以不进行预热阶段，或者采用其他加热的方式进行预热。

进一步地，预热阶段的处理时间t₀＝1-10s，优选为5-8s，一般而言预热时间控制在上述范围内为宜，预热时间过短起不到增强材料流动性的效果，预热时间过长会延长工作周期。

S2、第一下压阶段

第一下压阶段是控制搅拌针以R_P1的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S1的运行速度向下进入待焊接板上板。其中，R_P1和P_S1的取值满足搅拌套下压挤出金属的体积等于搅拌针回抽留下空腔的体积。

进一步地，R_S1的取值范围为50-70mm/min；优选为58-62mm/min。发明人发现第一下压阶段的速率控制在上述范围内为宜，运行速率过大对设备的要求和损伤大。

在本发明较佳的实施例中，第一下压阶段是控制搅拌针以R_P1的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S1的运行速度下压至待焊接板下板的上表面。这样，能够更精确地控制第一下压阶段的位置，以便形成速度和时间的规律，指导焊接工作。

为进一步推导出优选实施例中各阶段的运行速率和时间，对工艺参数进行定义：设待焊接板材的上板厚度为a，轴套下压量为a+j，搅拌针直径为D_P，搅拌套外径为D_S，焊点凹深为i(一般焊接处均会出现凹深)。

则R_P1＝R_S1×(D_S2-D_P2)/D_P2,第一下压阶段的焊接时间t₁＝a/R_S1。具体论证过程如下：用t₁表示搅拌套在第一下压阶段的持续时间，规定搅拌套下压方向为正方向，搅拌针回抽方向为正方向。

等体积时:R_S1×t₁×π×(D_S2-D_P2)/4＝R_P1×t₁×π×D_P2/4(式1)；

即得：R_P1＝R_S1×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²(式2)。

在此阶段：一旦规定了搅拌套的运动速率，根据上式知搅拌针的运动速率也根据搅拌头尺寸随之确定。在此阶段保持不变且满足等体积关系。轴套下压第一阶段的持续时间t₁＝a/R_S1,也即搅拌套在第一下压阶段结束后下表面压入至下板上表面。

S3、停留阶段

在停留阶段中，搅拌套和搅拌针停止上下运动，利用搅拌套与待焊接下板的上表面进行摩擦产热，能够使下板金属的流动性增强，进而使下板金属变形能力增强。

在本发明较佳的实施例中，停留阶段的处理时间为0.5-2s(图3中t)，优选为0.8-1.2s。由于第一下压阶段的运行产热，停留阶段运行时间较短就能达到很好的增强下板金属流动性的效果。

在其他实施例中，也可以不进行停留阶段。

S4、第二下压阶段

第二下压阶段是控制搅拌针以R_P2的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S2的运行速度向下进入待焊接板材的下板中；其中，R_P2和R_S2的取值均满足搅拌套下压挤出金属的体积等于搅拌针回抽留下空腔的体积；其中，R_P1/R_P2＝2-4,R_S1/R_S2＝2-4。发明人创造性地发现，在第二下压阶段进行减速，有利于消除孔洞，是一个关键步骤。这可能是由于第二下压阶段的减速有助于轴套与下板的摩擦产热，从而有利于下板金属的塑化，为回填阶段做准备。

优选地，R_P1/R_P2＝4,R_S1/R_S2＝4，发明人发现在第二下压阶段的速率控制为第一下压阶段速率的四分之一为宜，若速率继续减慢会延缓工艺周期。尤其是在将第二下压阶段的速率控制为第一下压阶段速率的二分之一不足以消除孔洞时，可以采用四分之一的技术方案。

进一步地，第二下压阶段的焊接时间t₂＝j/R_S2，第二下压阶段是从下板的上表面进入下板深度为j处。若R_S1/R_S2＝2，则t₂＝j/(1/2R_S1)。

S5、第一回填阶段

第一回填阶段是控制搅拌针以R_P3的运行速度向下运动，且控制搅拌套以R_S3的运行速度向上运动；其中，R_P3/R_P1＝1.3-1.7，R_S3/R_S1＝0.8-1.2；在第一回填阶段中，搅拌针以R_P3的运行速度向下运动的距离为0.2-1.2mm。优选地，R_S3＝R_S1。此阶段控制搅拌套的运行速率相对于第一下压阶段不变，增加搅拌针的速率，不满足等体积关系，这一方面是由于焊接过程存在材料的损耗，另一方面是由于孔洞缺陷往往是在第一回填阶段初期形成。为了消除孔洞缺陷，必须使搅拌套内部塑性金属内压力增大来改善金属流动性，同时也有助于下板塑性金属的变形，下板金属的塑性变形同样能填补孔洞缺陷，达到消除孔洞的目的。

在本发明优选的实施例中，R_P3/R_P1＝1.5，将第一回填阶段搅拌针的运行速率控制为第一下压阶段的1.5倍为宜，在此情况下能够进一步保证孔洞的消除。

进一步地，第一回填阶段的焊接时间t₃＝[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)/R_S1，具体论证过程见S6中介绍。

S6、第二回填阶段

第二回填阶段是控制搅拌针以R_P4的运行速度向下运动至待焊接板上板上表面，且控制搅拌套以R_S4的运行速度向上至待焊接板上板上表面。R_P4和R_S4的取值满足搅拌针下压挤出金属的体积等于搅拌套回抽留下空腔的体积；第二回填阶段的速率控制较为宽松，一般而言控制R_P4＝0.5-1.5R_P1,R_S4＝0.5-1.5R_S1即可。

在一些实施例中，R_P4＝R_P1,R_S3＝R_S4＝R_S1，第二回填阶段的焊接时间t₄＝{a+j-i-[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)}/R_S1。具体推演过程如下：

根据：R_P3/R_P1＝1.5，R_S3＝R_S1，R_P1＝R_S1×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²；R_P4＝R_P1,R _S3＝R_S4＝R_S1；

则：R_P3/R_s3＝1.5(D_S ²-D_P ²)/D_P ²；

则：R_P3＝1.5(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s3＝1.5(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s1(式3)；

在无下凹时，整个回填阶段搅拌针向下运动的距离为P_针总，搅拌套向上运动的距离为P_套总，则：P_针总＝P_套总×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²(式4)；

有下凹时，凹深为i，则在整个回填阶段搅拌针向下运动的距离为P_针总+i，搅拌套向上运动的距离为P_套总-i；

第二回填阶段搅拌套的运行速率R_S4＝R_S1，搅拌针的运动速率为R_P4＝R_S4×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²＝R_S1×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²(式5)；

R_P3×t₃+R_P4×t₄＝P_针总+i(式6)；

R_S1×(t₃+t₄)＝P_套总-i(式7)；

由公式(3)、(4)、(5)可将公式(6)变形为：

1.5(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s1×t₃+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s1×t₄(式8)；

对(式7)进行变形得：

(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s1×t₃+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s1×t₄＝(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×P_套总-(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×i(式9)；

联合(式8)和(式9)得：

0.5×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²×R_s1×t₃＝(1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²)×i(式10)；

设第一回填阶段搅拌套下压量为P_s3，第二回填阶段搅拌套下压量为P_s4，则：

P_s3＝R_s1×t₃＝[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)(式11)；

则t₃＝P_s3/R_s1＝[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)/R_S1；

第二回填阶段搅拌套的运动速率R_S4＝R_s1，搅拌针的运动速率和搅拌套运动速率满足等体积关系，R_P4＝R_P1；

P_s4＝P_s总-i-P_s4＝a+j-i-P_s3；

t₄＝P_s4/R_s1＝{a+j-i-[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)}/R_S1。

发明人通过优化速率的取值，使各阶段速率和时间均能够精确控制，有利于实现工业化大批量点焊。

进一步地，在各阶段中，搅拌针和搅拌套的转速均为1000-3000rpm，优选为1300-1900rpm。各阶段中搅拌针和搅拌套的速率可以不变，均匀运转即可。

需要补充的是，凹深不宜过大，一般取a/10。

需要说明的是，本发明通过上述设计得到的回填式搅拌摩擦点焊方法，其通过分阶段改变轴套和搅拌针的运动速率来改变焊缝温度场和力场，从而改善材料的流动性和紧密程度，达到完全消除孔洞缺陷的目的。

S7、第二回填阶段

请参照图4和图5，第三回填阶段是控制搅拌针以R_P5的运行速度向下运动，且控制搅拌套以R_S5的运行速度向上运动；

S8、第三下压阶段

第三下压阶段是控制搅拌针以R_P6的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S6的运行速度向下运动；其中，在第三回填阶段中搅拌套向上运动的距离与在第三下压阶段中搅拌套向下运动的距离相等。

需要说明的是，发明人通过在第二回填阶段之后依次进行的第三回填阶段和第三下压阶段，能够使搅拌针对塑性金属的力传导至下板，进一步使下板变形，从而消除孔洞缺陷。

优选地，在第三回填阶段中，搅拌套向上运动的距离为上板厚度的0.08-0.12倍。搅拌套运行的距离不宜过大或过小，控制在上述范围内为宜，在此范围内即能够达到进一步消除孔洞缺陷的目的。

进一步地，在第三回填阶段，控制R_P5＝0.5-1.5R_P1，且R_S5＝0.5-1.5R_S1；优选地，R_P5＝R_P1，且R_S5＝R_S1。优选地，在第三下压阶段，控制R_P6＝0.5-1.5R_P1，且R_S6＝0.5-1.5R_S1；更优选地，R_P6＝R_P1，且R_S6＝R_S。在第三回填阶段和第三下压阶段的速率要求不是十分严格，可以在较宽范围内，为方便控制可以采用第三回填阶段和第三下压阶段与第一下压阶段等速的方案。

图5中t₅为第三回填阶段的运行时间，t₆为第三下压阶段的运行时间。

实施例1

本实施例提供一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其采用图2中的点焊方法，分为预热阶段、第一下压阶段、停留阶段、第二下压阶段、第一回填阶段和第二回填阶段。整个过程中搅拌针和搅拌套的转速均为1500rpm。

其中，设待焊接板材的上板厚度为2mm，轴套下压量为2.4mm，搅拌针直径为6mm，搅拌套外径为9mm，焊点凹深为0.2mm。

在预热阶段中，搅拌针和搅拌套停留在待焊接上板的上表面进行摩擦产热，处理时间为5s。

第一下压阶段是控制搅拌针以75mm/min的运行速度向上运动，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度下压至待焊接板下板的上表面，运行时间为2s，搅拌套运行距离为上板厚度2mm。

在停留阶段中，搅拌套和搅拌针停止上下运动，利用搅拌套与待焊接下板的上表面进行摩擦产热，运行时间为1s。

第二下压阶段是控制搅拌针以18.75mm/min的运行速度向上运动，且控制搅拌套以15mm/min的运行速度向下进入待焊接板材的下板中，运行时间为1.6s，运行距离为0.4mm。

第一回填阶段是控制搅拌针以112.5mm/min的运行速度向下运动，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度向上运动，运行时间为0.72s，运行距离为0.72mm。

第二回填阶段是控制搅拌针以75mm/min的运行速度向下运动至上板向下0.2mm处(考虑凹深)，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度向上至上板向下0.2mm处(考虑凹深)，运行时间为1.48s。

实施例2

本实施例提供一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其采用图4中的点焊方法，分为预热阶段、第一下压阶段、停留阶段、第二下压阶段、第一回填阶段、第二回填阶段、第三回填阶段和第三下压阶段。整个过程中搅拌针和搅拌套的转速均为1500rpm。

前6个阶段保持与实施例1相同，具体参照实施例1。

第三回填阶段是控制搅拌针以75mm/min的运行速度向下运动，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度向上运动，运行时间为0.2s，运行距离为0.2mm。

第三下压阶段是控制搅拌针以75mm/min的运行速度向上运动，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度向下运动，运行时间为0.2s，运行距离为0.2mm。

对比例1

本对比例提供的一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其采用图1中现有的焊接方法，具体步骤如下：

分为预热阶段、下压阶段、回填阶段。整个过程中搅拌针和搅拌套的转速、待焊接板材的上板厚度、轴套下压量、搅拌针直径、搅拌套外径与实施例1相同，焊点凹深为0。

预热阶段与实施例1相同。

下压阶段是控制搅拌针以75mm/min的运行速度向上运动，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度下压至待焊接板下板的上表面，运行时间为2.4s，搅拌套运行距离为2.4mm。

回填阶段是下压阶段的逆过程，具体而言是控制搅拌针以75mm/min的运行速度向下运动至待焊接板上板上表面，且控制搅拌套以60mm/min的运行速度向上至待焊接板上板上表面，运行时间为2.4s。

对比例2

本对比例提供的一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其与实施例1不同之处仅在于：下压阶段一次进行，即将第一下压阶段和第二下压阶段合并(均采用第一下压阶段的速率，且运行总距离不变)，不进行停留阶段。

试验例1

测试实施例1-2和对比例2中的焊接效果，观察有无孔洞缺陷，测试结果见图6-9。

结果显示：图6-7为实施例1-2的测试图，实施例1孔洞缺陷消失，包铝层几乎被打散，仅存在少量包铝；实施例2孔洞缺陷消失，包铝层几乎被打散，包铝含量比实施例1中更少。

图8-9为对比例1-2的测试图，对比例1孔洞尺寸较大，包铝层分布连续，表明此处材料流动性较差；对比例2存在微型孔洞，左侧包铝分布较为连续，这表明下板塑性较差，对空腔的填充不能起到较大作用。

综上，本发明实施例提供的一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其通过将下压阶段和回填阶段均分为两阶段进行，并控制第一下压阶段搅拌针和搅拌套的运行速率为第二下压阶段对应速率的2-4倍；第一回填阶段中搅拌针的运行速率加快至第一下压阶段的1.3-1.7倍，搅拌套的运行速率与第一下压阶段的运行速率相当。

通过分阶段改变轴套和搅拌针的运动速率来改变焊缝温度场和力场，从而改善材料的流动性和紧密程度。第二下压阶段搅拌套和搅拌针的速率的降低均有助于轴套与下板的摩擦产热，从而有利于下板金属的塑化，为回填阶段做准备；第一回填阶段搅拌针的运动速率比较大，不满足等体积关系，能够使轴套内部塑性金属内压力增大来改善金属流动性，同时也有助于下板塑性金属的变形，下板金属的塑性变形同样能填补孔洞缺陷，达到消除孔洞的目的。

以上仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，包括第一下压阶段、第二下压阶段、第一回填阶段和第二回填阶段；

所述第一下压阶段是控制搅拌针以R_P1的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S1的运行速度向下进入待焊接板上板；所述第二下压阶段是控制搅拌针以R_P2的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R_S2的运行速度向下进入待焊接板下板中；

所述第一回填阶段是控制搅拌针以R_P3的运行速度向下运动，且控制搅拌套以R_S3的运行速度向上运动；所述第二回填阶段是控制搅拌针以R_P4的运行速度向下运动至待焊接板上板上表面，且控制搅拌套以R_S4的运行速度向上运动至待焊接板上板上表面；

其中，R_P1和R_S1的取值和R_P2和R_S2的取值均满足所述搅拌套下压挤出金属的体积等于所述搅拌针回抽留下空腔的体积；R_P4和R_S4的取值满足所述搅拌针下压挤出金属的体积等于所述搅拌套回抽留下空腔的体积；

R_P1/R_P2＝2-4，R_S1/R_S2＝2-4，R_P3/R_P1＝1.3-1.7，R_S3/R_S1＝0.8-1.2；

在所述第一回填阶段中，所述搅拌针以R_P3的运行速度向下运动的距离为0.2-1.2mm。

2.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，R_P4＝0.5-1.5R_P1,R_S4＝0.5-1.5R_S1；

优选地，R_P1/R_P2＝4,R_S1/R_S2＝4，R_P3/R_P1＝1.5，R_S3＝R_S1；

优选地，R_S1的取值范围为50-70mm/min；优选为58-62mm/min。

3.根据权利要求2所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述第一下压阶段是控制搅拌针以R_P1的运行速度向上运动，且控制搅拌套下端以R_S1的运行速度下压至待焊接板下板的上表面；

设待焊接板材的上板厚度为a，轴套下压量为a+j，搅拌针直径为D_P，搅拌套外径为D_S，焊点凹深为i；

R_P1＝R_S1×(D_S ²-D_P ²)/D_P ²,第一下压阶段的焊接时间t₁＝a/R_S1；

第二下压阶段的焊接时间t₂＝j/R_S2；

优选地，R_P4＝R_P1,R_S3＝R_S4＝R_S1；

第一回填阶段的焊接时间t₃＝[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D_S ²-D_P ²)/R_S1；

第二回填阶段的焊接时间t₄＝{a+j-i-[1+(D_S ²-D_P ²)/D_P ²]×i×D_P ²×2/(D _S ²-D_P ²)}/R_S1。

4.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，还包括在所述第一下压阶段之前进行的预热阶段，在所述预热阶段中，所述搅拌针和所述搅拌套的下端停留在待焊接上板的上表面通过旋转进行摩擦产热。

5.根据权利要求4所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述预热阶段的处理时间t₀＝1-10s，优选为5-8s。

6.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，还包括在所述第一下压阶段和所述第二下压阶段之间进行的停留阶段，在所述停留阶段中，所述搅拌套和所述搅拌针停止上下运动，利用所述搅拌套与待焊接下板的上表面进行摩擦产热。

7.根据权利要求6所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述停留阶段的处理时间为0.5-2s，优选为0.8-1.2s。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，还包括在所述第二回填阶段之后依次进行的第三回填阶段和第三下压阶段，所述第三回填阶段是控制搅拌针以R_P5的运行速度向下运动，且控制搅拌套以R_S5的运行速度向上运动；所述第三下压阶段是控制搅拌针以R_P6的运行速度向上运动，且控制搅拌套以R _S6的运行速度向下运动；

其中，在所述第三回填阶段中所述搅拌套向上运动的距离与在所述第三下压阶段中所述搅拌套向下运动的距离相等；

优选地，在所述第三回填阶段中，所述搅拌套向上运动的距离为上板厚度的0.08-0.12倍。

9.根据权利要求8所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，在所述第三回填阶段，控制R_P5＝0.5-1.5R_P1，且R_S5＝0.5-1.5R_S1；优选地，R_P5＝R_P1，且R_S5＝R_S1；

优选地，在所述第三下压阶段，控制R_P6＝0.5-1.5R_P1，且R_S6＝0.5-1.5R_S1；更优选地，R_P6＝R_P1，且R_S6＝R_S。

10.根据权利要求8所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，在各阶段中，所述搅拌针和所述搅拌套的转速均为1000-3000rp m，优选为1300-1900rpm。