CN110860782A - 材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，摩擦点焊工具包括由外到内依次嵌套的压紧套、中空回填内套环和中心轴；中心轴包括本体和焊接部位，焊接部位固连于本体一端；本体为圆柱体，本体的外径尺寸与中空回填内套环的内径尺寸相匹配；焊接部位的横截面的面积小于本体的横截面的面积，在焊接部位的外侧壁与中空回填内套环的内侧壁之间形成能容纳连续继承填充材料的空腔。本发明的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，解决传统回填式摩擦点焊技术套环下压方式存在的焊点竖直界面弱连接、中心轴下压方式存在的下压阻力大、焊点回填成形不良导致的焊点力学性能一致性差、可靠性不足等问题。

Description

材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法

技术领域

本发明涉及搭接点焊接技术，具体涉及一种材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法。

背景技术

在航空航天、汽车、轨道交通等领域，轻量化要求使得铝合金结构被越来越广泛使用，而铝合金点连接结构作为一种重要的轻质高强结构，受到广泛关注。对于这类结构传统的连接方法包括焊接、机械连接等。焊接由于具有更高的连接强度、更好的耐腐蚀性能、简单的工艺过程及结构减重性能等，是此类结构的理想连接手段。但是传统的电阻点焊方法，由于铝合金表面氧化膜的存在及铝合金高导热、高导电性能等特性，使得铝合金电阻点焊的可靠性一直难以获得理想的效果，这些问题限制了电阻点焊方法的应用。固相焊接技术则因为避免了基于材料熔化的焊接方法存在的诸多问题而受到广泛关注。搅拌摩擦点焊技术、回填式摩擦点焊技术是典型的固相焊接技术。

搅拌摩擦点焊技术由搅拌摩擦焊技术发展而来，其优点是焊接过程简单、高效，但会在工件表面留下搅拌针的退出孔，并且由于退出孔的存在也降低了焊点的连接性能，目前在一些对焊点表面及力学性能要求不高的场合获得了应用。回填式摩擦点焊技术是德国GKSS研究中心(HZG)开发的一项固相点焊技术，其焊接工具由中心轴、内套环、压紧套三个部件组成，压紧套对被焊工件进行压紧拘束，焊接时，一般是内套环旋转下压，同时中心轴回抽容纳内套环下压挤出的材料；当内套环下压到预设深度时开始回抽，此时中心轴下压，将挤出的材料回填到工件中，最终获得表面平整的焊点。这种焊接方法解决了搅拌摩擦点焊方法焊点表面存在匙孔的问题，但由于材料回填时与焊点周围母材的接触时间短、温度低，且没有材料传质，此处极易产生弱结合缺陷。这种缺陷使得焊点正拉强度低、一致性差，限制了其工程应用。而中心轴下压的焊接方法，由于中心轴端面为平面且摩擦线速度低，在下压过程中会受到极大的阻力；另一方面，由两侧向中心填充的材料相对较多，很难获得成形良好的焊点外观。因此，通常情况下，填充式摩擦点焊更多地采用内套环下压的方式进行焊接。

为了降低中心轴下压焊接方式存在阻力较大的问题，并增强焊接过程的材料搅拌作用，改进的填充式摩擦点焊方法(ZL 201410077971.6；ZL201410077972.0)将中心轴设计为非圆柱形状，与相应的套环形状配合进行焊接。这种方法在一定程度上增强了焊接过程的材料流动驱动力，但由于材料流动空间与原有的填充式摩擦点焊相比没有发生根本变化，且异型的焊接中心轴与内套环在加工成本、加工配合精度方面存在困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，解决传统回填式摩擦点焊技术存在的焊点竖直界面弱连接导致的焊点力学性能一致性差、可靠性不足等问题。

为了达到上述的目的，本发明提供一种材料连续继承填充摩擦点焊工具，包括由外到内依次嵌套的压紧套、中空回填内套环和中心轴；所述中心轴包括本体和焊接部位，所述焊接部位固连于所述本体一端；所述本体为圆柱体，所述本体的外径尺寸与所述中空回填内套环的内径尺寸相匹配；所述焊接部位的横截面的面积小于所述本体的横截面的面积，在所述焊接部位的外侧壁与所述中空回填内套环的内侧壁之间形成能容纳连续继承填充材料的空腔。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述焊接部位的横截面呈中心对称形状，在所述焊接部位的外侧壁与所述中空回填内套环的内侧壁之间至少形成两个所述空腔。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述焊接部位的横截面的图案为正三角形、十字形、刀刃形或中心对称月牙形。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述中心轴焊接部位远离本体的端面至少有一处连续的线或平面，其旋转时扫描过的面能完全覆盖中心轴的圆柱面。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述空腔的顶端面为封闭、光滑平面，能驱动空腔内材料流动。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述焊接部位轴线方向的长度为焊接深度的1.2～1.5倍。

本发明提供的另一技术方案是一种材料连续继承填充摩擦点焊方法，采用上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，所述摩擦点焊方法包括：

1)中心轴焊接部位端面、中空回填内套环的焊接端面以及压紧套的底端面齐平，并齐压在被焊工件上，空腔内填充被焊母材同质材料；在压紧被焊工件之前或之后，驱动中空回填内套环和中心轴旋转，带动空腔内材料一起旋转，使被焊工件表面被摩擦；

2)保持中心轴和中空回填内套环旋转的同时，驱动中空回填内套环沿轴线向上运动，驱动中心轴沿轴线向下运动，带动空腔内材料一起压入被焊工件；在中心轴下压过程中，部分被焊工件材料和部分空腔内材料被挤出、进入中空回抽内套环回抽留下的空间内流动混合，还有部分被焊工件材料和部分空腔内材料在焊接部位下方流动混合；

3)当中心轴焊接部位下压到预设位置后，保持中心轴和中空回填内套环旋转的同时，中心轴沿轴线向上运动，中空回填内套环沿轴线向下运动；被挤出材料回填至因中心轴回抽在被焊工件内留下的空间；旋转的中空回填内套环的焊接端面持续对被挤出材料进行摩擦，中心轴焊接部位旋转形成的回转边界与被挤出材料及被焊母材之间保持剪切和摩擦运动，实现对焊接过程的持续加热；

4)当中心轴焊接部位端面、中空回填内套环的焊接端面以及压紧套的底端面再次齐平时，中心轴和中空回抽内套环停止轴向移动，中心轴和中空回抽内套环压紧焊点处材料并保持旋转；中心轴焊接部位端面旋转形成的回转面对焊点的表面进行修整，该回转面同时切割空腔内本次重新填充的材料与焊点表面的粘连，然后抬起摩擦点焊工具，获得表面平整的焊点。

上述材料连续继承填充摩擦点焊方法，其中，被焊工件为至少两块焊件搭接而成，所述步骤3)中，所述预设位置为最下层焊件上表面0.3mm以下。

上述材料连续继承填充摩擦点焊方法，其中，填充空腔的材料为上一次焊接留下的材料，在本次焊接过程中，该材料与被焊工件材料流动混合，焊后又有材料重新回填该空腔，空腔内的材料将转移至下一次焊接过程，实现对不同焊点之间的材料连续继承。

与现有技术相比，本发明具有如下特点和优点：

本发明提出的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，采用中心轴下压、内套环回填的焊接方式，克服了传统回填式摩擦点焊采用中心轴回填带来的回填材料与焊点周围摩擦界面连接强度不足、一致性不高等问题，即本发明可以完全解决现有技术存在的焊点竖直界面弱连接问题；中心轴由本体和焊接部位组成，焊接部位横截面的面积小于本体横截面的面积，即采用更小压入面积、更小压入体积的焊接工具压入被焊工件，解决了传统焊接工具压入被焊工件存在阻力过大导致工具变形、压入体积过大(被挤出材料体积过多)导致回填缺陷等问题；

本发明提出的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，焊接部位采用三角形、十字形、刀刃形、月牙形等端面形状，大大降低了压入材料内部阻力，提高了焊接效率，并实现了材料的良好回填、焊点表面平整光滑；

本发明提出的材料连续继承填充摩擦点焊方法，其思想是利用与被焊工件材料完全相同的上一次焊接留存的材料将焊接工具空腔进行填充，在本次焊接时，这一部分材料进入塑性状态与被焊工件材料进行混合，这种混合一方面带动了被焊材料的流动，另一方面中心轴下压后旋转搅拌带来的瞬时空腔可以被填充材料填充，而被焊工件材料被挤出，这种材料交换有利促进了焊接过程的传质效果，为焊接区域材料提供了更大的流动空间，带来被焊区域材料的高效流动，从而对增加连接效果、提高焊点组织均匀性、促进焊接效率具有优势；

本发明提出的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，不仅适用于低熔点金属(如铝合金、镁合金)间的点焊接，还适用于低熔点金属与高熔点金属(钢、钛合金)间的点焊接，下压中心轴可对高熔点金属进行有效、高效的摩擦加工，从而促进界面反应，形成强度高、可靠性好的焊点。

附图说明

本发明的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法由以下的实施例及附图给出。

图1为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊接准备阶段示意图。

图2为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊接下压阶段示意图。

图3所示为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊接回填阶段示意图。

图4为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊点修整及焊接结束阶段示意图。

图5为本发明第一实施例中焊接部位横截面图案示意图。

图6为本发明第二实施例中焊接部位横截面图案示意图。

图7为本发明第三实施例中焊接部位横截面图案示意图。

图8为本发明第四实施例中焊接部位横截面图案示意图。

图9为本发明一实施例中焊点横截面形貌图。

具体实施方式

以下将结合图1～图9对本发明的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法作进一步的详细描述。

图1所示为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊接准备阶段示意图；图2所示为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊接下压阶段示意图；图3所示为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊接回填阶段示意图；图4所示为本发明的材料连续继承填充摩擦点焊方法中焊点修整及焊接结束阶段示意图。

参见图1至图4，所述材料连续继承填充摩擦点焊工具包括由外到内依次嵌套的压紧套3、中空回填内套环2和中心轴1；所述中心轴1包括本体和焊接部位4，所述焊接部位4固连于所述本体一端；所述本体为圆柱体，所述本体的外径尺寸与所述中空回填内套环2的内径尺寸相匹配；所述焊接部位4的横截面的面积(即径向面积)小于所述本体的横截面的面积，在所述焊接部位4的外侧壁与所述中空回填内套环2的内侧壁之间形成可以容纳连续继承填充材料7的空腔；所述焊接部位4的横截面呈中心对称图案，在所述焊接部位4的外侧壁与所述中空回填内套环2的内侧壁之间至少形成两个所述空腔。

所述中心轴1可相对所述中空回填内套环2转动和移动(中心轴轴线方向上移动)；所述中空回填内套环2可相对所述压紧套3转动和移动(中心轴轴线方向上移动)。

所述空腔的深度(沿中心轴轴线方向的长度)与焊接深度相关，较佳地，所述空腔的深度为1.2倍焊接深度；所述空腔的顶端面为封闭、光滑面，随着所述中心轴1转动可驱使空腔内的材料流动。

参见图5，在第一实施例中，所述焊接部位4的横截面为正三角形，即在所述本体一端加工一正三角形柱体，在该正三角形柱体的外侧壁与所述中空回填内套环2的内侧壁之间形成三个可以容纳连续继承填充材料7的空腔。第一实施例的材料连续继承填充摩擦点焊工具具有较好的耐磨性。

参见图6，在第二实施例中，所述焊接部位4的横截面为十字形，即在所述本体一端加工一十字形柱体，在该十字形柱体的外侧壁与所述中空回填内套环2的内侧壁之间形成四个可以容纳连续继承填充材料7的空腔。第二实施例的材料连续继承填充摩擦点焊工具具有更小的下压阻力、更大的材料流动空间。

参见图7，在第三实施例中，所述焊接部位4的横截面为刀刃形，该刀刃形中间薄两端厚，即在所述本体一端加工一刀刃形柱体，在该刀刃形柱体的外侧壁与所述中空回填内套环2的内侧壁之间形成两个可以容纳连续继承填充材料7的空腔。第三实施例的材料连续继承填充摩擦点焊工具具有小的下压阻力，同时还能兼顾焊接工具的耐磨性与强度。

参见图8，在第四实施例中，所述焊接部位4的横截面为中心对称月牙形，即在所述本体一端加工一中心对称月牙形柱体，在该中心对称月牙形柱体的外侧壁与所述中空回填内套环2的内侧壁之间形成两个可以容纳连续继承填充材料7的空腔。第四实施例的材料连续继承填充摩擦点焊工具具有较强的周向材料转移能力，同时焊接部位4的刚度较大，其对焊接区域的材料具有更强的搅拌作用。

在正式焊接之前，先在与被焊材料同材质、同状态的试板上进行试焊，试焊后，空腔被被焊材料所填充。

图1所示为焊接准备阶段，被焊工件上板10与被焊工件下板11构成两块板材搭接；此时由焊接部位4外侧壁、顶端面5、中空回填内套环内侧壁12构成的空腔被继承上一次焊接(试焊)的材料所填充；将连续继承填充材料7远离本体的端面、焊接部位4远离本体的端面、中空回填内套环2的焊接端面13以及压紧套3的底端面齐平，将被焊工件放置在摩擦点焊工具下方，压紧套3、中空回填内套环2和中心轴1的轴线均与被焊工件表面垂直，待焊位置位于摩擦点焊工具正下方；将摩擦点焊工具连同连续继承填充材料7整体下压至被焊工件表面，在压紧之前或保证压紧套3与被焊工件之间具有足够的压紧力后，驱动中空回填内套环2和中心轴1高速旋转(带动连续继承填充材料7高速旋转)，使得被焊工件表面被摩擦，被焊工件表面局部材料进入塑性状态。

图2所示为焊接下压阶段，保持中心轴1、中空回填内套环2高速旋转，同时驱动中心轴1(带着连续继承填充材料7)沿轴线向下运动，压入被焊工件，驱动中空回填内套环2沿轴线向上运动；焊接部位4的旋转形成焊接部位回转边界6(焊接部位回转边界6内的材料随着焊接部位4一起高速旋转)，该焊接部位回转边界6外部分被焊工件材料被挤出，进入中空回抽内套环2回抽留下的空间，同时连续继承填充材料7也在空腔顶部下压作用下，进入空中内套环2回抽留下的空间，两种材料混合形成被挤出材料8；部分连续继承填充材料7在旋转空间9内与被焊工件材料流动混合。

图3所示为焊接回填阶段，当焊接部位4下压到预设位置后，中心轴1在保持旋转的同时开始向上运动回抽，同时中空回填内套环2保持旋转的同时向下运动，被挤出材料8回填至因中心轴回抽在被焊工件内留下的空间，以及焊接部位4外侧壁与中空回填内套环2内侧壁之间的空腔内；旋转的中空回填内套环2的焊接端面13持续对被挤出材料8进行摩擦，连续继承填充材料7与被挤出材料8相粘连，中心轴1高速旋转使得焊接部位回转边界6与被挤出材料8、及焊点14的材料之间保持剪切运动，实现对焊接过程的持续加热，使得被焊区域材料保持塑性状态。

图4所示为焊点修整及焊接结束阶段，当焊接部位4远离本体的端面、中空回填内套环2的焊接端面13以及压紧套3的底端面再次齐平时，中心轴1和中空回抽内套环2停止上下移动(即停止轴线移动)，中心轴1和中空回抽内套环2压紧被焊材料并保持旋转；中心轴1和中空回抽内套环2对焊点14施加顶锻力，焊接部位4端面旋转形成的回转面对焊点14的表面进行修整，该回转面同时切割本次重新填充的连续继承填充材料7与焊点14表面的粘连，然后抬起摩擦点焊工具，获得表面平整的焊点14。

焊接部位4远离本体的端面在高速旋转时扫描过的面(即回转面)应完全覆盖焊点14的表面，即中心轴本体的横截面的面积＝回转面的面积＝焊点14的表面的面积。

摩擦点焊工具处于初始状态时，焊接部位4远离本体的端面、中空回填内套环2的焊接端面13以及压紧套3的底端面齐平，填充空腔(即焊接部位的外侧壁与中空回填内套环的内侧壁之间的空间)的材料为上一次焊接留下的材料，在本次焊接过程中，该材料与被焊工件材料流动混合，焊后又有材料重新回填该空腔，空腔内的材料将转移至下一次焊接过程，实现对不同焊点之间的材料连续继承。

被焊工件为至少两块焊件搭接而成。如图1至图4所示的实施例，被焊工件由被焊工件上板10和被焊工件下板11搭接而成，被焊工件上板10优选为铝合金，被焊工件下板11可为同种、异种铝合金或其它材料。

焊接部位4下压位置至少在最下层焊件上表面0.3mm以下。

如图9，在一实施例中，被焊工件上板10为5A06铝合金、被焊工件下板11为2219铝合金(T6状态)，焊接部位4远离本体的端面为正三角形，中心轴本体直径为5.2mm，焊接旋转速度为3000rpm，焊接部位4下压深度为2.4mm。从图9中可见，该焊点完全消除了与竖直界面弱连接现象，对接头进行拉剪强度测试，焊点平均抗剪切强度为223MPa，断裂位置位于搭接面附近。

综上所述，本发明材料连续继承填充摩擦点焊技术及其焊接工具与现有技术相比，创新采用削减焊接工具体积、优化形状设计，同时扩大焊接区域材料流动空间，综合利用摩擦、剪切运动产热效果进行焊接的，可以获得表面平整、没有竖直连接界面弱连接现象的焊点，且焊接过程简单、高效，对设备无需进行大的更改。

针对上述各实施方式、具体实施例的详细解释，其目的仅在于对本发明的发明内容进行阐述，以便于更好地理解本发明，但这些描述不能以任何理由解释成对本发明的限制，包括在不同实施方式中描述的各个特征的可以任意组合而构成的其它实施方式，以及在本实施方式之外的类似特征，除非有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而不仅局限于所描述的实施方式。

Claims (9)

1.材料连续继承填充摩擦点焊工具，包括由外到内依次嵌套的压紧套、中空回填内套环和中心轴；其特征在于，所述中心轴包括本体和焊接部位，所述焊接部位固连于所述本体一端；所述本体为圆柱体，所述本体的外径尺寸与所述中空回填内套环的内径尺寸相匹配；所述焊接部位的横截面的面积小于所述本体的横截面的面积，在所述焊接部位的外侧壁与所述中空回填内套环的内侧壁之间形成能容纳连续继承填充材料的空腔。

2.如权利要求1所述的材料连续继承填充摩擦点焊工具，其特征在于，所述焊接部位的横截面呈中心对称形状，在所述焊接部位的外侧壁与所述中空回填内套环的内侧壁之间至少形成两个所述空腔。

3.如权利要求1所述的材料连续继承填充摩擦点焊工具，其特征在于，所述焊接部位的横截面的图案为正三角形、十字形、刀刃形或中心对称月牙形。

4.如权利要求1所述的材料连续继承填充摩擦点焊工具，其特征在于，所述中心轴焊接部位远离本体的端面至少有一处连续的线或平面，其旋转时扫描过的面能完全覆盖中心轴的圆柱面。

5.如权利要求1所述的材料连续继承填充摩擦点焊工具，其特征在于，所述空腔的顶端面为封闭、光滑平面。

6.如权利要求1所述的材料连续继承填充摩擦点焊工具，其特征在于，所述焊接部位轴线方向的长度为焊接深度的1.2～1.5倍。

7.材料连续继承填充摩擦点焊方法，其特征在于，采用权利要求1至7中任一权利要求所述的材料连续继承填充摩擦点焊工具，所述摩擦点焊方法包括：

1)中心轴焊接部位端面、中空回填内套环的焊接端面以及压紧套的底端面齐平，并齐压在被焊工件上，空腔内填充被焊母材同质材料；在压紧被焊工件之前或之后，驱动中空回填内套环和中心轴旋转，带动空腔内材料一起旋转，使被焊工件表面被摩擦；

2)保持中心轴和中空回填内套环旋转的同时，驱动中空回填内套环沿轴线向上运动，驱动中心轴沿轴线向下运动，带动空腔内材料一起压入被焊工件；在中心轴下压过程中，部分被焊工件材料和部分空腔内材料被挤出、进入中空回抽内套环回抽留下的空间内流动混合，还有部分被焊工件材料和部分空腔内材料在焊接部位下方流动混合；

3)当中心轴下压到预设位置后，保持中心轴和中空回填内套环旋转的同时，中心轴沿轴线向上运动，中空回填内套环沿轴线向下运动；被挤出材料回填至因中心轴回抽在被焊工件内留下的空间；旋转的中空回填内套环的焊接端面持续对被挤出材料进行摩擦，中心轴焊接部位旋转形成的回转边界与被挤出材料及被焊母材之间保持剪切和摩擦运动，实现对焊接过程的持续加热；

4)当中心轴焊接部位端面、中空回填内套环的焊接端面以及压紧套的底端面再次齐平时，中心轴和中空回抽内套环停止轴向移动，中心轴和中空回抽内套环压紧焊点处材料并保持旋转；中心轴端面旋转形成的回转面对焊点的表面进行修整，该回转面同时切割空腔内本次重新填充的材料与焊点表面的粘连，然后抬起摩擦点焊工具，获得表面平整的焊点。

8.如权利要求7所述的材料连续继承填充摩擦点焊方法，其特征在于，被焊工件为至少两块焊件搭接而成，所述步骤3)中，所述预设位置为最下层焊件上表面0.3mm以下。

9.如权利要求8所述的材料连续继承填充摩擦点焊方法，其特征在于，填充空腔的材料为上一次焊接留下的材料，在本次焊接过程中，该材料与被焊工件材料流动混合，焊后又有材料重新回填该空腔，空腔内的材料将转移至下一次焊接过程，实现对不同焊点之间的材料连续继承。

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