CN111730195A - 可表面处理的搅拌摩擦焊接工具及毛刺处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了可表面处理的搅拌摩擦焊接工具及毛刺处理方法，一方面旋转中的刀具可预平整待焊接表面，另一方面旋转中的刀具以切削搅拌针搅拌摩擦时在产品表面形成的毛刺；预平整待焊接表面后，可提高焊接的效率及焊接质量，并且省略了额外的去毛刺步骤，简化了待加工产品的整体焊接工艺；进一步地，基杆的前端面开设有熔池以容纳液态或半固态的铝液，继而使得该设备在搅拌摩擦的同时能够对待加工产品表面的缺陷处进行填补，进一步地改善了焊接后的表面平整度。

Description

可表面处理的搅拌摩擦焊接工具及毛刺处理方法

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接设备，尤其是涉及一种可表面处理的搅拌摩擦焊接工具及毛刺处理方法。

背景技术

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焊接材料局部塑性化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被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。

由于铝熔点较低，现有的铝合金、铝压铸件材质的汽车零部件或电池包等均焊接采用搅拌摩擦焊，然而在搅拌摩擦焊后，会在产品的焊接缝的旁侧形成凸起毛刺；这时需用机加工、铣床进行去毛刺表面处理；这会增加工艺的复杂性，增加生产成本。

授权公告号为CN205021012U的搅拌摩擦焊装置，公开了刀具横梁上设置有一刀具安装座，刀具安装座与驱动电机的主轴连接，刀具安装座内安装有一搅拌摩擦焊接头，搅拌摩擦焊接头包括后端部的连接头、中部的散热部和前端部的搅拌针，散热部上开设有散热螺旋凹槽。

上述及其他文献，未见搅拌摩擦焊接设备具有待焊接表面的预平整功能及焊接后去除毛刺的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，进一步地提供一种具有上述焊接工具的焊接设备；在焊接头上偏心地设有一刀具，在焊接头旋转时，旋转中的刀具可预平整待焊接表面及清除因焊接所产生的毛刺。

本发明进一步地提供一种搅拌摩擦焊接毛刺处理方法；在焊接头上偏心地设有一刀具，在焊接头旋转时，旋转中的刀具可预平整待焊接表面及清除因焊接所产生的毛刺。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案为：可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，包括可旋转的摩擦焊接头及刀具，所述的摩擦焊接头包括基杆及固定在基杆前端的搅拌针，所述的刀具固定于所述的基杆的侧部并偏心于所述的搅拌针，所述的刀具的切割刃向下超过所述的基杆的摩擦端面；跟随搅拌针旋转的刀具用于预先平整待焊接工件表面及切削清除焊接后所形成的毛刺，作为摩擦端面的基杆的前端面设有容纳铝液的熔池；所述的熔池为摩擦端面的环形凹槽，所述的环形凹槽位于搅拌针的根部外围。

本发明进一步的优选方案为：所述的刀具通过可拆卸结构安装于所述的基杆上。

本发明进一步的优选方案为：所述的刀具通过螺钉固定在所述的基杆上。

本发明进一步的优选方案为：所述的搅拌针上具有螺纹槽。

本发明进一步的优选方案为：所述的环形凹槽的深度为0.1-1毫米。

本发明进一步的优选方案为：所述的搅拌针的体积V1>熔池的体积V2。

本发明的另一个发明主题为：搅拌摩擦焊接工具的毛刺处理方法，旋转的搅拌摩擦焊接头对铝质产品进行搅拌摩擦焊接，跟随摩擦焊接头旋转的刀具预先平整待焊接工件表面，同时旋转的刀具对产生在焊接缝的旁侧的毛刺进行切削清除，摩擦焊接受热的铝材料通过搅拌摩擦焊接头上的熔池填补到待加工工件的缺陷处。

本发明进一步的优选方案为：铝质产品在摩擦焊接时的焊接温度为350-400度；处于该温度下的铝材料的延展倍数大于30，处于该温度下的铝材料的屈服强度<20MPa。

本发明进一步的优选方案为：所述的摩擦焊接头的旋转速度为1000-30000转/分钟。

本发明进一步的优选方案为：所述的摩擦焊接头的向下压力为0~9800N。

与现有技术相比，本发明的优点是基杆下方安装的搅拌针对产品的待焊接处进行搅拌摩擦以进行焊接处理，刀具偏心地安装在摩擦焊接头的基杆上，基杆转动带动刀具旋转，一方面旋转中的刀具可预平整待焊接表面，另一方面旋转中的刀具以切削搅拌针搅拌摩擦时在产品表面形成的毛刺；预平整待焊接表面后，可提高焊接的效率及焊接质量，并且省略了额外的去毛刺步骤，简化了待加工产品的整体焊接工艺；进一步地，基杆的前端面开设有熔池以容纳液态或半固态的铝液，继而使得该设备在搅拌摩擦的同时能够对待加工产品表面的缺陷处进行填补，进一步地改善了焊接后的表面平整度。

附图说明

以下将结合附图和优选实施例来对本发明进行进一步详细描述，但是本领域 技术人员将领会的是，这些附图仅是出于解释优选实施例的目的而绘制的，并且因此不应当作为对本发明范围的限制。此外，除非特别指出，附图仅示意在概念性地表示所描述对象的组成或构造并可能包含夸张性显示，并且附图也并非一定按比例绘制。

图1为搅拌摩擦焊接工具的整体结构示意图；

图2为本实施例中图1中A处的放大图；

图3为搅拌摩擦焊接工具的侧面剖视图；

图4为本实施例中图3中的B处的放大图；

图5为现有技术中的搅拌摩擦焊接示意图；

图6为本发明中图5中的C处的放大图；

图7为本实施例中的搅拌摩擦焊接示意图；

图8为本实施例中图7中的D处的放大图；

图9为本实施例中刀具的整体结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细描述本发明的优选实施例。本领域中的技术人员将领会的是，这些描述仅为描述性的、示例性的，并且不应被解释为限定了本发明的保护范围。

应注意到：相似的标号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，则在随后的附图中可能不再对其进行进一步定义和解释。

如图1至图4所示，搅拌摩擦焊接设备，包括驱动电机、下压装置和搅拌摩擦焊接工具100，驱动电机驱动搅拌摩擦焊接工具100旋转，下压装置施加一向下作用力给搅拌摩擦焊接工具100。

可表面处理的搅拌摩擦焊接工具100，包括可旋转的摩擦焊接头10及刀具20，摩擦焊接头10包括基杆11及固定在基杆11上的搅拌针12，刀具20偏心地固定于基杆11上，一方面，旋转中的刀具20在焊接缝上行进时，由于刀具20偏心于搅拌针12，刀具20始终处于搅拌针12的前侧位置，该刀具20预先对焊接缝两侧的凸起的铝材料进行切削，使得待焊接锋的两侧在焊接前已经处于平整状态，这可以提高焊接质量；另一方面旋转中的刀具20用于切削清除焊接形成毛刺f。进一步地，基杆11的前端面11a设有容纳铝液的熔池30，基杆11的前端面11a为摩擦端面。

如图4和图5所示，传统的搅拌摩擦焊接工艺在对铝质产品进行搅拌摩擦焊后，会在产品的焊接缝的旁侧形成凸起毛刺。

如图7和图8所示，基杆11下方安装的搅拌针12对产品的待焊接处进行搅拌摩擦以进行焊接处理，刀具20偏心地安装在摩擦焊接头10的基杆11上，基杆11转动带动刀具20旋转以切削搅拌针搅拌摩擦时在产品表面形成的毛刺f，从而省略了额外的去毛刺步骤，简化了待加工产品的整体焊接工艺；进一步地，基杆11的前端面11a开设有熔池30以容纳高延展性或低凝固性的铝材料，继而使得该焊接设备在搅拌摩擦的同时，对待加工铝型材接合面处由于不平整引起的缺陷g处进行填补。

如图8和图9所示，刀具20的切割刃20a向下超过基杆11的摩擦端面11a；能完全清除毛刺f。

或刀具20的切割刃20a与基杆11的摩擦端面11a大致齐平；或刀具20的切割刃20a低于基杆11的摩擦端面11a。超过量或不足量均需控制在一个微量范围内，优选为1毫米。

具体地说，刀具20包括连接部20b，连接部20b通过螺钉安装在基杆11上。切割刃20a位于连接部20b的一侧，以使切割刃20a能够接触到搅拌针12摩擦搅拌时产生的毛刺f，并对其进行彻底切割处理。

刀具的切割刃20a分布在刀具的外部弧形边缘上；进一步的，该切割刃20a可以局部分布于刀具外边缘的靠上侧部分，当然也可以在整个刀具的外边缘均分布有切割刃20a。

在实际应用中该切割刃20a与基杆11的前端面11a齐平，以使切割刃20a能够对搅拌摩擦处产生的毛刺f进行切削处理。进一步地，切割刃20a也可以设置成超过基杆11的前端面11a，以更为彻底地对毛刺f进行切削。

刀具20通过可拆卸结构安装于基杆11上。例如，刀具20包括一连接部20b，该连接部20b上开设有连接孔，继而通过螺钉固定在基杆11上。可拆卸的方式可以方便使用者对刀具20进行定期更换以保证切割刃20a的锋利性，从而保证刀具20去除毛刺f的效果。

当然，在实际应用时，也可以将刀具20与基杆11一体成型。更为优选的是，刀具20一体成型在基杆11上，仅该切割刃20a可进行定期拆卸更换。

如图4和图8所示，熔池30为基杆11前端面的环形凹槽30h，环形凹槽30h位于搅拌针12的根部外围。在实际应用时，优选将环形凹槽30h的深度设置为0.1-1毫米。

具体地，为了更为精确地控制搅拌摩擦焊的精确度及平整度，搅拌针的体积V1大于熔池的体积V2。

以下将基于熔池30、刀具20等技术特征所形成的技术方案所体现的技术效果进行详细阐述，本实施例以电池包为例进行详细说明，具体地：

电池包为多块铝型材焊接拼合而成，传统的搅拌摩擦焊接工艺存在焊接效果不稳定、工艺复杂等些许缺陷，本实施例中的焊接设备基于特殊的摩擦焊接头的结构，能够省略了额外的去毛刺步骤，简化了待加工产品的整体焊接工艺，且由于熔池30的存在能够弥补铝型材表面的缺陷g，从而提高焊接效果。

对于该缺陷g需要说明的是，在实际焊接过程中，首先需要两块待焊接的铝型材拼合，而拼合处整条间隙的大小并不规则，即铝型材相贴合的两侧面上会有凹凸不平之处；在后续对铝型材的拼接处进行搅拌摩擦焊接时，由于不平整缺陷g的存在，熔池30内储存的高延展性的铝会自然向下流动至该缺陷g处。

当铝材料处于350-400℃，其具有较好的延展性的低凝固型性。当搅拌针12在对电池包进行搅拌焊接时，相邻两块铝型材焊接处的铝液化并储存于熔池30内，当摩擦焊接头10继续沿着焊接缝前行遇到缺陷g处时，熔池30内储存的液体或半固态的铝液会自动流向该缺陷g处，从而使得该焊接设备在搅拌摩擦的同时能对待加工产品表面的缺陷g处进行填补。

另外，搅拌针12在对相邻两块铝型材进行焊接时，焊接缝处会产生毛刺f。本实施例中的基杆11外侧安装有刀具20，当基杆11带动搅拌针12对铝型材进行搅拌焊接的同时，会驱使刀具20转动以对毛刺f进行切割。

更为优选的是，该焊接设备上的搅拌针12上具有螺纹槽12s，以增大搅拌针12在进行搅拌摩擦时与产品之间的摩擦力，从而使得焊接效果更好。

使用应用时，本实施例中的摩擦焊接头10的旋转速度为1000-30000转/分钟。摩擦焊接头10的向下压力为0~9800N。为了使焊接温度控制在一个合适的范围内，当焊接头的旋转速度较高时，摩擦焊接头的下压力可较低；当焊接头的旋转速度较低时，可加大摩擦焊接头的下压力，该下压力的提供主要还是取决于机床的性能。

通常铝的熔点为600多度，当铝材料的温度达到350度-400度时，铝材料的特性会发生变化，其具有更好的延展性及低凝固性，摩擦焊接产生的热量使铝的温度达到这个温度范围内，因此该待焊接的铝材料的温度控制变的非常关键。

搅拌针12在工件表面的转速、进给量及焊接头的摩擦系数，共同影响摩擦焊接头的发热速度，进而影响了铝工件的焊接缝温度。

提高搅拌针12的热传导系数及热容比，可使刀头上的热量快速地传递给待焊接工件，从而降低搅拌针的温度，这可延长搅拌针12的使用寿命；同时也可以提高摩擦端面的熔池温度，使熔池内的铝保持有良好的延展性及低凝固性。对熔池30温度、熔池压强的精确控制，可改善焊缝质量。

熔池体积、搅拌针体积、焊缝容积及焊接温度下铝合金性能共提供决定了熔池的压强及上述下压力。

对于搅拌摩擦焊接毛刺处理方法而言，包括如下具体步骤：启动焊接设备使搅拌摩擦焊接头10转动并向下施加作用力，可旋转的搅拌摩擦焊接头10的一侧偏心地设有刀具20，旋转且受向下作用力的搅拌摩擦焊接头10对铝质产品H进行搅拌摩擦焊接，跟随摩擦焊接头10旋转的刀具20预先平整待焊接工件表面，同时旋转的刀具对产生在焊接缝的旁侧的毛刺进行切削清除，焊接形成的半固态铝通过搅拌摩擦焊接头10上的熔池30填补到待加工工件的缺陷g处。

铝质产品在常温下的延展性大约为10倍左右，处于该温度下的铝材料的屈服强度<180MPa，本发明中的铝质产品在摩擦焊接时的焊接温度为350-400度；处于该温度下的铝材料的延展倍数大于30，铝材料在该温度下能够向外展开延伸较大的范围而不断裂，且处于该温度下的铝材料的屈服强度<20MPa。

搅拌摩擦焊接头10的转动速度为1000-30000转/分钟。其中更为优选的是2000转/分钟。

本实施例中焊接设备施加于搅拌摩擦焊接头10的向下作用力为0~9800N。且本实施例所说的铝质产品H为铝型材或铝压铸件。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“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。

以上对本发明所提供的可表面处理的搅拌摩擦焊接工具及设备进行了详细介绍，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及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于包括可旋转的摩擦焊接头及刀具，所述的摩擦焊接头包括基杆及固定在基杆前端的搅拌针，所述的刀具固定于所述的基杆的侧部并偏心于所述的搅拌针，所述的刀具的切割刃向下超过所述的基杆的摩擦端面；跟随搅拌针旋转的刀具用于预先平整待焊接工件表面及切削清除焊接后所形成的毛刺，作为摩擦端面的基杆的前端面设有容纳铝液的熔池；所述的熔池为摩擦端面的环形凹槽，所述的环形凹槽位于搅拌针的根部外围。

2.根据权利要求1所述的可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于所述的刀具通过可拆卸结构安装于所述的基杆上。

3.根据权利要求2所述的可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于所述的刀具通过螺钉固定在所述的基杆上。

4.根据权利要求1所述的可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于所述的搅拌针上具有螺纹槽。

5.根据权利要求1所述的可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于所述的环形凹槽的深度为0.1-1毫米。

6.根据权利要求1所述的可表面处理的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于所述的搅拌针的体积V1>熔池的体积V2。

7.毛刺处理方法，使用权利要求1-6任意一项所述的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于旋转的搅拌摩擦焊接头对铝质产品进行搅拌摩擦焊接，跟随摩擦焊接头旋转的刀具预先平整待焊接工件表面，同时旋转的刀具对产生在焊接缝的旁侧的毛刺进行切削清除，摩擦焊接受热的铝材料通过搅拌摩擦焊接头上的熔池填补到待加工工件的缺陷处。

8.根据权利要求7所述的毛刺处理方法，其特征在于铝质产品在摩擦焊接时的焊接温度为350-400度；处于该温度下的铝材料的延展倍数大于30，处于该温度下的铝材料的屈服强度<20MPa。

9.根据权利要求7所述的毛刺处理方法，其特征在于所述的摩擦焊接头的旋转速度为1000-30000转/分钟。

10.根据权利要求7所述的毛刺处理方法，其特征在于所述的摩擦焊接头的向下压力为0~9800N。

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