CN111570997A - 一种回填式搅拌摩擦点焊工具和回填式搅拌摩擦点焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例提供了一种回填式搅拌摩擦点焊工具和回填式搅拌摩擦点焊方法，涉及金属焊接领域。该工具其包括相互独立的回填工件和夯实工件，回填工件包括搅拌针、搅拌套和压紧环，搅拌套设于搅拌针的外侧，压紧环设于搅拌套的外侧，搅拌针能够相对于搅拌套旋转和上下移动，搅拌套能够相对于压紧环旋转和上下移动，搅拌套为圆台形；夯实工件包括搅拌头，搅拌头包括相互连接的圆柱部和圆台部，搅拌套的锥度等于圆台部的锥度。该方法是采用回填式搅拌摩擦点焊工具进行。本申请通过圆台形的搅拌套使焊点呈圆台状，再通过搅拌头对焊点进行下压，使上板与下板呈现机械咬合结构，接头的拉剪性能以及十字拉伸性能增强。

Description

一种回填式搅拌摩擦点焊工具和回填式搅拌摩擦点焊方法

技术领域

本发明涉及金属焊接领域，具体而言，涉及一种回填式搅拌摩擦点焊工具和回填式搅拌摩擦点焊方法。

背景技术

FSW焊接(搅拌摩擦焊)是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑性化，当焊具沿着焊接界面向前移动时；塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。现有技术中常用的搅拌摩擦焊包括常规FSSW和回填式搅拌摩擦点焊。

其中，常规FSSW是在FSW基础上发展起来的，其基本原理与FSW相似。焊接过程中，搅拌头高速旋转并以一定的速率扎入被焊工件，到达预定深度后停留一定时间，此后搅拌头快速回抽并完成焊接，最终在焊点中部留下一匙孔，如图1所示。高速旋转的搅拌头对被焊工件进行机械加热，使搅拌头周围材料软化并发生塑性流动，在轴肩的锻压力与搅拌针的搅拌作用下，使工件原始界面破碎并形成冶金结合，从而形成点焊接头。

回填式搅拌摩擦点焊(Refill Friction Stir SpotWelding,RFSSW)技术是德国GKSS中心于2002年发明的一种新的点焊技术，其使用的是传统回填式搅拌摩擦点焊的工具1，其包括搅拌针2、搅拌套3和压紧环4，其结构请参阅图2。回填式搅拌摩擦点焊主要分为4个步骤(请参阅图3)：①压紧环压在上板表面，套筒和搅拌针开始同步旋转并与待焊材料摩擦并产生摩擦热进而使材料塑化；②搅拌针和套筒分别向上向下运动，套筒将塑性金属挤入搅拌针向上运动所留下的空腔；③下压量到达一定值后，搅拌针下压将塑性金属挤入套筒回抽所留下的空腔；④搅拌头撤离焊件表面。当套筒和搅拌针分别回到试板的上表面时，二者仍需在焊点表面停留一定时间并保持旋转，以得到表面成形良好的焊点。

经申请人研究发现：

常规搅拌摩擦点焊存在匙孔缺陷，显著降低了接头的承载面积，从而降低了接头的力学性能。

现有回填式搅拌摩擦点焊虽然消除了匙孔缺陷，但由于在拉剪试验和十字拉伸等力学测试中，一致表明界面包铝带和套筒退出线是接头的薄弱位置，而界面包铝带可以通过工艺的调整来消除，而套筒退出线是此工艺的固有组织特征，无法消除。

鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明的目的包括，例如，提供了一种回填式搅拌摩擦点焊工具和回填式搅拌摩擦点焊方法，其能够让最终成型的焊点也形成锥形，进而使上板与下板形成机械咬合结构，从而有效提高了接头的拉剪性能以及十字拉伸性能。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，实施例提供一种回填式搅拌摩擦点焊工具，用于对搭接的上板和下板进行焊接；其包括相互独立的回填工件和夯实工件，所述回填工件包括搅拌针、搅拌套和压紧环，所述搅拌套设于所述搅拌针的外侧，所述压紧环设于所述搅拌套的外侧，所述搅拌针能够相对于所述搅拌套旋转和上下移动，所述搅拌套能够相对于所述压紧环旋转和上下移动，所述搅拌套为圆台形；所述夯实工件包括搅拌头，所述搅拌头包括相互连接的圆柱部和圆台部，所述搅拌套的锥度等于所述圆台部的锥度。

在可选的实施方式中，所述搅拌套具有第一上底圆直径Ds2、第一下底圆直径Ds1和第一锥台高度Ls；

所述搅拌头具有第二上底圆直径D1、距离第二下底圆高度为L的位置处的直径为D2；

其中，Ds2＝D2，L＝所述上板厚度的10％-15％。

在可选的实施方式中，所述搅拌套的第一上底圆直径Ds2为10-20mm；优选为14-16mm；

优选地，所述搅拌套的第一下底圆直径Ds1为7-12mm；优选为8-10mm；

优选地，所述搅拌套的第一锥台高度Ls为10-20mm；优选为14-16mm。

在可选的实施方式中，所述搅拌套的锥度等于(Ds2-Ds1)/Ls，所述锥度的取值范围为0.1-1；优选为0.3-0.5。

在可选的实施方式中，所述搅拌头的第二上底圆直径D1大于所述搅拌头的距离第二下底圆高度为L的位置处的直径D2；

优选地，D1为15-30mm；优选为19-21mm；

优选地，D2＝Ds2，D2为10-20mm；优选为14-16mm；

优选地，所述搅拌针的直径Dp为4-8mm，优选为5-7mm。

在可选的实施方式中，所述上板的厚度为1-15mm。

第二方面，实施例提供一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其是采用如前述实施方式任一项所述的回填式搅拌摩擦点焊工具进行。

在可选的实施方式中，其包括下压阶段、回抽阶段、撤离阶段和夯实阶段；

所述下压阶段是旋转的所述搅拌针向上运动，旋转的所述搅拌套向下运动；

所述回抽阶段是旋转的所述搅拌针向下运动，旋转的所述搅拌套向上运动；当所述搅拌套回抽至距离所述上板厚度为8-12％的位置时停止向上回抽，所述搅拌针继续下压直至所述搅拌针的下表面与所述搅拌套的下表面保持在同一高度；

所述撤离阶段是撤离所述回填工件；

所述夯实阶段是利用所述夯实工件的所述搅拌头对形成的焊点进行向下挤压，挤压距离为所述上板厚度的10-15％；

优选地，所述回填式搅拌摩擦点焊方法还包括在所述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停留在所述上板的表面通过旋转进行摩擦产热。

在可选的实施方式中，在所述下压阶段中，所述搅拌套向下挤压材料的体积等于所述搅拌针回抽的空腔的体积；所述搅拌套的下压距离为所述下板的厚度为0.3-0.5倍；

优选地，所述搅拌套以VT1的速度下压，所述搅拌针以VZ1的速度回抽，其中，VT1为0.8-1.2mm/s，优选为1mm/s；

VZ1满足：VZ1＝(1.25+0.12t0)×VT1)；

式中，t0为从轴套下压开始计时的下压时间。

在可选的实施方式中，在所述回抽阶段中，所述搅拌针向下挤压材料的体积等于所述搅拌套回抽的空腔体积；

优选地，所述搅拌套以VT2的速度回抽，所述搅拌针以VZ2的速度下压，其中，VT2＝VT1，VT2为0.8-1.2mm/s，优选为1mm/s；

VZ2满足：VZ2＝VZ1(下压结束时刻搅拌针的运动速率)-0.12t1×VT2；

式中，t1为从轴套回抽开始计时的回抽时间。

本发明实施例的有益效果包括，例如：

本申请中通过对传统的回填式搅拌摩擦点焊的工具中的搅拌套进行改进，将原有的圆柱形的搅拌套改变为圆台形，且呈现上宽下窄的结构，在进行回填焊接时，能够让焊接的焊点呈现圆台状，进而使上板与下板形成机械咬合结构，进一步地，本申请中通过独立设置的搅拌头，能够在回填结束后继续对焊点进行下压，有利于促进上板与下板的机械咬合结合强度增强，从而有效提高了接头的拉剪性能以及十字拉伸性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为常规FSSW的示意图；

图2为传统回填式FSSW的工具的结构示意图；

图3为传统回填式FSSW焊接流程图；

图4为本申请实施例提供的回填式搅拌摩擦点焊工具的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的回填式搅拌摩擦点焊工具的搅拌套的尺寸示意图；

图6为图4中A处的局部放大图；

图7为本申请实施例提供的回填式搅拌摩擦点焊方法的焊接流程图。

图标：1-传统回填式搅拌摩擦点焊的工具；2-搅拌针；3-搅拌套；4-压紧环；100-回填式搅拌摩擦点焊工具；110-回填工件；111-搅拌针；112-搅拌套；1211-圆柱部；1212-圆台部；113-压紧环；120-夯实工件；121-搅拌头；200-上板；300-下板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

实施例

请参考图4，本实施例提供了一种回填式搅拌摩擦点焊工具100，其用于对搭接的上板200和下板300进行焊接。本申请中的回填式搅拌摩擦点焊工具100包括相互独立的回填工件110和夯实工件120，其中，回填工件110用于在下压阶段和回抽阶段中使用，而夯实工件120是完全区别于现有技术的工件，其主要用于新增的夯实阶段中。

具体地，回填工件110包括搅拌针111、搅拌套112和压紧环113，搅拌套112设于搅拌针111的外侧，压紧环113设于搅拌套112的外侧，搅拌针111能够相对于搅拌套112旋转和上下移动，搅拌套112能够相对于压紧环113旋转和上下移动。值得说明的是，本申请中的搅拌套112为圆台形，本申请中通过将现有技术中圆柱形的搅拌套改变为圆台形，使得最终形成的焊点也为圆台形，进而促使上板200与下板300之间形成机械咬合结构，从而有效提高了接头的拉剪性能以及十字拉伸性能。

本申请中，夯实工件120包括搅拌头121，搅拌头121包括相互连接的圆柱部1211和圆台部1212，搅拌套112的锥度等于圆台部1212的锥度。本申请中利用单独的搅拌头121实现在回抽完成后，继续利用搅拌头121对焊点进行向下挤压，加强焊点的形成。

请参阅图5和图6，为了更清楚的对本申请中的回填式搅拌摩擦点焊工具100进行说明，设定搅拌套112的第一上底圆直径为Ds2、第一下底圆直径为Ds1以及第一锥台高度为Ls；搅拌头121的第二上底圆直径为D1、距离第二下底圆高度为L的位置处的直径为D2；其中，Ds2＝D2，L＝上板200厚度的10％-15％。

搅拌套112的第一上底圆直径Ds2为10-20mm；优选为14-16mm；搅拌套112的第一下底圆直径Ds1为7-12mm；优选为8-10mm；搅拌套112的第一锥台高度Ls为10-20mm；优选为14-16mm。搅拌头121的第二上底圆直径D1大于搅拌头121的距离第二下底圆高度为L的位置处的直径D2；优选地，D1为15-30mm；优选为19-21mm；优选地，D2＝Ds2，D2为10-20mm；优选为14-16mm；优选地，搅拌针111的直径Dp为4-8mm，优选为5-7mm。上板200的厚度为1-15mm。

搅拌套112的锥度等于(Ds2-Ds1)/Ls，锥度的取值范围为0.1-1；优选为0.3-0.5。经发明人研究发现，选用该锥度的圆台能够得到成型良好的焊点，以便获得较佳的焊点，当锥度过大时，会增大搅拌头负荷，同时使焊点边缘材料严重变形。当锥度过小时，无法使焊点部位形成咬合结构，失去本申请的意义。

此外，本申请还提供了一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其是采用如前述实施方式任一项的回填式搅拌摩擦点焊工具100进行。

具体来说，请参阅图7，本申请中的回填式搅拌摩擦点焊方法包括如下步骤：

S1、预热阶段。

在预热阶段中，搅拌针111和搅拌套112停留在上板200的表面通过旋转进行摩擦产热。

焊接起始阶段，搅拌针111和搅拌套112的运动速率为0，搅拌针111和搅拌套112停留待焊接件上板200的上表面，通过搅拌针111和搅拌套112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、下压阶段。

旋转的搅拌针111向上运动，旋转的搅拌套112向下运动；在下压阶段中，搅拌针111回抽速率应与搅拌套112下压速率满足一定匹配关系以使搅拌套112向下挤压材料的体积等于搅拌针111回抽的空腔的体积；搅拌套112的下压距离为下板300的厚度为0.3-0.5倍；具体地，搅拌套112以VT1的速度下压，搅拌针111以VZ1的速度回抽，其中，VT1为0.8-1.2mm/s，优选为1mm/s；VZ1满足：VZ1＝(1.25+0.12t0)×VT1)；式中，t0为从轴套下压开始计时的下压时间。

S3、回抽阶段。

回抽阶段是旋转的搅拌针111向下运动，旋转的搅拌套112向上运动；当搅拌套112回抽至距离上板200厚度为8-12％的位置时停止向上回抽，搅拌针111继续下压直至搅拌针111的下表面与搅拌套112的下表面保持在同一高度。

在回抽阶段中，搅拌针111下压速率应与搅拌套112回抽速率满足一定匹配关系以使搅拌针111向下挤压材料的体积等于搅拌套112回抽的空腔体积；具体地，搅拌套112以VT2的速度回抽，搅拌针111以VZ2的速度下压，其中，VT2＝VT1，VT2为0.8-1.2mm/s，优选为1mm/s；VZ2满足：VZ2＝VZ1(下压结束时刻搅拌针的运动速率)-0.12t1×VT2；式中，t1为从轴套回抽开始计时的回抽时间。

此时已经在上板200和下板300上形成了圆台形的焊接点。

S4、撤离阶段。

撤离回填工件110，即上述的搅拌针111、搅拌套112以及压紧环113。

S5、夯实阶段。

利用夯实工件120的搅拌头121对形成的焊点进行向下挤压，挤压距离为上板200厚度的10-15％；由于本申请中的搅拌头121的下部距离第二下底圆高度为L的位置处的直径为D2；Ds2＝D2，此时在利用搅拌头121度圆台形的焊接点进行向下挤压时，搅拌头121的下降最大位置即为L的距离，此时能够将圆台形的焊点进一步挤压，加强焊接效果，且能够保证焊接的深度，焊接质量更佳。

S6、形成焊点。

本申请中最终形成的焊点为圆台状的焊点，其有利于使上板200和下板300之间形成机械咬合结构，从而有效提高了接头的拉剪性能以及十字拉伸性能。

值得注意的是，本申请中未提及的结构或尺寸可以参照传统的回填式搅拌摩擦点焊。

根据本实施例提供的一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其工作原理是：通过对传统的回填式搅拌摩擦点焊的工具中的搅拌套112进行改进，将原有的圆柱形的搅拌套112改变为圆台形，且呈现上宽下窄的结构，在进行回填焊接时，能够让焊接的焊点呈现圆台状，进而使上板200与下板300形成机械咬合结构，进一步地，本申请中通过独立设置的搅拌头121，能够在回填结束后继续对焊点进行下压，有利于促进上板200与下板300的机械咬合结合强度增强，从而有效提高了接头的拉剪性能以及十字拉伸性能。

综上所述，本发明实施例提供了一种回填式搅拌摩擦点焊工具100，其通过对传统的回填式搅拌摩擦点焊的工具中的搅拌套112进行改进，将原有的圆柱形的搅拌套112改变为圆台形，且呈现上宽下窄的结构，同时增加了一个独立的搅拌头121，从而形成本申请中独特的回填式搅拌摩擦点焊工具100，本申请中回填工件110和夯实工件120的独立设置，能够保证回填结束后的夯实步骤操作更方便，此外回填工件110中仅仅改变搅拌套112的形状，对传统的回填式搅拌摩擦点焊的工具的影响较小，而独立的搅拌头121可以直接单独设置，不改变整体的结构，更加节约成本。此外，本申请对应提供的回填式搅拌摩擦点焊方法即采用上述回填式搅拌摩擦点焊工具100进行，由于搅拌套112结构的变化，导致最终形成的焊点发生变化，同时夯实步骤的增加也进一步加强了上板200和下板300的机械咬合能力，从而有效提高了接头的拉剪性能以及十字拉伸性能。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖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工具，用于对搭接的上板和下板进行焊接；其特征在于，其包括相互独立的回填工件和夯实工件，所述回填工件包括搅拌针、搅拌套和压紧环，所述搅拌套设于所述搅拌针的外侧，所述压紧环设于所述搅拌套的外侧，所述搅拌针能够相对于所述搅拌套旋转和上下移动，所述搅拌套能够相对于所述压紧环旋转和上下移动，所述搅拌套为上宽下窄的圆台形；所述夯实工件包括搅拌头，所述搅拌头包括相互连接的圆柱部和上宽下窄的圆台部，所述搅拌套的锥度等于所述圆台部的锥度。

2.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌套具有第一上底圆直径Ds2、第一下底圆直径Ds1和第一锥台高度Ls；

所述搅拌头具有第二上底圆直径D1、距离第二下底圆高度为L的位置处的直径为D2；

其中，Ds2＝D2，L＝所述上板厚度的10％-15％。

3.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌套的第一上底圆直径Ds2为10-20mm；优选为14-16mm；

优选地，所述搅拌套的第一下底圆直径Ds1为7-12mm；优选为8-10mm；

优选地，所述搅拌套的第一锥台高度Ls为10-20mm；优选为14-16mm。

4.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌套的锥度等于(Ds2-Ds1)/Ls，所述锥度的取值范围为0.1-1；优选为0.3-0.5。

5.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌头的第二上底圆直径D1大于所述搅拌头的距离第二下底圆高度为L的位置处的直径D2；

优选地，D1为15-30mm；优选为19-21mm；

优选地，D2＝Ds2，D2为10-20mm；优选为14-16mm；

优选地，所述搅拌针的直径Dp为4-8mm，优选为5-7mm。

6.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述上板的厚度为1-15mm。

7.一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，其是采用如权利要求1-6任一项所述的回填式搅拌摩擦点焊工具进行。

8.根据权利要求7所述的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，其包括下压阶段、回抽阶段、撤离阶段和夯实阶段；

所述下压阶段是旋转的所述搅拌针向上运动，旋转的所述搅拌套向下运动；

所述回抽阶段是旋转的所述搅拌针向下运动，旋转的所述搅拌套向上运动；当所述搅拌套回抽至距离所述上板厚度为8-12％的位置时停止向上回抽，所述搅拌针继续下压直至所述搅拌针的下表面与所述搅拌套的下表面保持在同一高度；

所述撤离阶段是撤离所述回填工件；

所述夯实阶段是利用所述夯实工件的所述搅拌头对形成的焊点进行向下挤压，挤压距离为所述上板厚度的10-15％；

优选地，所述回填式搅拌摩擦点焊方法还包括在所述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停留在所述上板的表面通过旋转进行摩擦产热。

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，在所述下压阶段中，所述搅拌套向下挤压材料的体积等于所述搅拌针回抽的空腔的体积；所述搅拌套的下压距离为所述下板的厚度为0.3-0.5倍；

优选地，所述搅拌套以VT1的速度下压，所述搅拌针以VZ1的速度回抽，其中，

VT1为0.8-1.2mm/s，优选为1mm/s；

VZ1满足：VZ1＝(1.25+0.12t0)×VT1；

式中，t0为从轴套下压开始计时的下压时间。

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，在所述回抽阶段中，所述搅拌针向下挤压材料的体积等于所述搅拌套回抽的空腔体积；

优选地，所述搅拌套以VT2的速度回抽，所述搅拌针以VZ2的速度下压，其中，VT2＝VT1，VT2为0.8-1.2mm/s，优选为1mm/s；

VZ2满足：VZ2＝VZ1(下压结束时刻搅拌针的运动速率)-0.12t1×VT2；

式中，t1为从轴套回抽开始计时的回抽时间。

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