CN114273770A - 一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法，属于金属焊接技术领域。本技术方案包括驱动装置，搅拌工具和加工平台；所述搅拌工具包括套筒和轴肩，所述轴肩装配在所述套筒内，所述轴肩端面无搅拌针；所述驱动装置包括两个：套筒驱动装置和轴肩驱动装置，分别与所述套筒和所述轴肩相连接，所述驱动装置装配在所述搅拌工具顶端；所述加工平台用于放置待焊工件并提供支撑。工作时，套筒与轴肩形成封闭结构，套筒一方面用于夹持工件，另一方面轴肩旋转下压，塑化的材料难以从焊点边缘溢出，材料受到充分挤压和搅拌形成成形良好的接头，本发明可以有效控制薄板焊接过程缺陷问题，又可以提高焊接热输入和塑性变形以实现接头的良好成形。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，具体涉及一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法。
背景技术
搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊基础上研发的一种点焊工艺，其连接机理是利用搅拌头旋转下压，使材料在高温摩擦热和塑性流动共同作用下形成焊点。搅拌摩擦点焊是一种固相连接工艺，可用于铜、铝、镍等有色金属材料的连接，可以解决气孔、裂纹、偏析、变形等有色金属熔化焊接头常见缺陷，并在焊接效率、接头质量、制造成本和作业环境等多方面体现出明显的优势。
然而，常规搅拌摩擦点焊工艺不可避免存在匙孔，影响接头的耐蚀性能和力学性能。为此，德国学者发明了回填式搅拌摩擦点焊工艺，该种工艺可以消除匙孔，但是回填搅拌摩擦点焊工艺设备结构复杂，且搅拌头的加工精度要求极高，否则极易在焊点边缘出现孔洞类缺陷。日本学者进一步的提出了无针搅拌摩擦点焊工艺，该工艺采用无针轴肩，只依靠轴肩端面旋转下压作用，使工件形成接头。然而，现有的无针搅拌摩擦点焊接头存在溢料飞边，被焊材料受力和塑性变形程度很弱，且无法避免焊点边缘出现严重的钩状缺陷和损伤缺陷。
发明内容
经发明人的认识和研究发现，焊点边缘材料的约束状态对点焊缺陷和接头质量具有重要影响，因此本发明提出了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法。该发明在无针轴肩外部添加了可调节压力的压紧套筒，且套筒与无针轴肩间隙必须足够小到形成封闭点焊区域，旨在控制薄板焊接产生的溢料飞边、沟状缺陷和损伤缺陷问题。尽管国内外都会采用环状压紧夹具配合无针轴肩实现无针搅拌摩擦点焊，但是他们采用环状夹具的目的主要是为了控制工件变形和偏移，环状夹具与无针轴肩的间隙过大(≥1mm)无法形成封闭点焊区域，且压紧力一般不可调，无法控制无针搅拌摩擦点焊接头溢料飞边、沟状缺陷和损伤缺陷，与本发明采用的压紧套筒作用有本质区别。
为了达到上述目的，本发明提出了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：包括驱动装置，搅拌工具和加工平台；所述搅拌工具包括套筒和轴肩，所述轴肩装配在所述套筒内并相互独立；所述驱动装置包括两个：套筒驱动装置和轴肩驱动装置，分别与所述套筒和所述轴肩相连接；所述加工平台用于放置待焊工件并提供支撑。
进一步的，所述轴肩驱动装置能控制所述轴肩的旋转和升降，所述套筒驱动装置能控制所述套筒的升降。
进一步的，所述轴肩采用圆柱形，其底部可加工各种形貌。
进一步的，所述轴肩与所述套筒的装配间隙不大于0.5mm。
进一步的，所述轴肩与所述套筒的装配间隙不大于0.1mm。
本发明还提供了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，基于上述封闭式无针搅拌摩擦点焊装置进行点焊，其特征在于包括以下步骤：
工件固定和预热步骤：将待焊工件放置于加工平台上，预设焊接参数，所述焊接参数包括；套筒下压力，轴肩预热转速，下压和停留旋转速度，轴肩下压时间，轴肩下压速度，停留时间，轴肩回撤转速，轴肩回撤速度，回撤时间；启动驱动装置，套筒以所述套筒下压力压紧固定所述待焊工件，轴肩以所述轴肩预热转速绕轴高速旋转，对所述待焊工件表面进行预热；
轴肩下压和停留步骤：所述轴肩以所述下压和停留旋转速度绕轴旋转，并且以所述轴肩下压速度下压插入所述待焊工件，当达到预设下压时间后保持所述停留时间的绕轴旋转；
搅拌头撤离步骤：所述轴肩以研磨转速绕轴旋转，并且以所述轴肩回撤速度向上回抽，当所述轴肩端面回到水平位置时，所述轴肩停止旋转并与所述套筒撤离所述待焊工件表面。
进一步的，所述待焊工件包括上板和下板。
进一步的，所述上板厚度范围为不大于1.0mm，所述下板厚度不限。
进一步的，所述轴肩下压深度控制在0.3mm之内。
进一步的，所述轴肩的转速最高可达到20000rpm。
本发明的有益效果是：
(1)封闭式无针搅拌摩擦点焊工艺在制备超薄板金属同种或异种点焊接头时，套筒与轴肩装配间隙小到点焊区域形成封闭结构，塑化的材料难以从焊点边缘溢出，材料受到充分挤压和搅拌形成成形良好的接头。
(2)当在狭小空间内对超薄板进行焊接时，无法采用夹具固定，由于超薄板焊接所需的轴向力很小，因此套筒的可调夹紧力可防止工件发生偏离，且可以有效控制焊点边缘变形引起的钩状和损伤缺陷，保证了整个焊接过程的稳定性。
(3)本发明采用的封闭式无针搅拌摩擦点焊工艺简单，无需昂贵设备，绿色环保，并且可实现焊接过程的自动化生产。
附图说明
图1是本发明封闭式无针搅拌摩擦点焊装置示意图。
图2是本发明封闭式无针搅拌摩擦点焊方法的工件固定及预热步骤中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图。
图3是本发明封闭式无针搅拌摩擦点焊方法的轴肩下压和停留步骤中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图。
图4是为本发明封闭式无针搅拌摩擦点焊方法的搅拌头撤离阶段中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明提供了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，包括待焊工件1，加工平台2，驱动装置3，套筒4和轴肩5。所述待焊工件1放置于加工平台2上；所述驱动装置3包括两个：套筒驱动装置和轴肩驱动装置，分别与套筒4和轴肩5相连接，所述轴肩5装配在所述套筒4内，所述轴肩5与所述套筒4的装配间隙≤0.5mm，优选地装配间隙≤0.1mm。所述套筒驱动装置能控制所述套筒4的升降，用于施加压紧力于待焊工件1，所述轴肩驱动装置能控制所述轴肩5的旋转和升降；
本发明还提供了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，所述方法具体步骤包括：
(1)工件固定和预热阶段：将清洗和吹干好的的待焊工件1放置于加工平台2上，待焊工件包括上板和下板，上板厚度范围为不大于1.0mm，所述下板厚度不限。预设焊接参数，焊接参数包括：套筒下压力，轴肩预热转速，下压和停留旋转速度，轴肩下压时间，轴肩下压速度，停留时间，轴肩回撤转速，轴肩回撤速度，回撤时间。启动驱动装置3，套筒4以预定套筒下压力压紧固定待焊工件1，轴肩5以轴肩预热转速(ω1)高速旋转，对待焊工件1表面进行预热从而降低轴肩下压阶段轴向阻力以及扭矩；
(2)轴肩下压和停留阶段：将轴肩5转速从轴肩预热转速(ω1)提高到下压和停留旋转速度(ω2)，并将轴肩5以轴肩下压速度(v1)插入待焊工件1，当达到预设的轴肩下压时间后下保持旋转一定时间。
(3)搅拌头撤离阶段：将轴肩5转速从下压旋转速度(ω2)减小到撤离转速(ω3)，并将轴肩5以轴肩回撤速度(v2)向上回抽，当轴肩5端面回到水平位置时，轴肩5停止旋转并与套筒4撤离工件表面，完成工件的点连接。
所述封闭式无针搅拌摩擦点焊方法轴肩5下压深度控制在0.3mm之内，防止下压阻力过大和工件表面产生明显的匙孔，轴肩5转速最高可达到20000rpm。
该封闭式无针搅拌摩擦点焊方法与常规搅拌摩擦点焊相比，实现了焊点无匙孔；与回填搅拌摩擦点焊相比，工具结构简单，搅拌头不易产生卡死；与无针搅拌摩擦点焊相比，增强了对焊点金属的搅动作用和金属的流动程度，而且通过套筒对工件施加的下压力，可避免薄板焊接过程中接头产生的缺陷。
实例1：
一种封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，采用所述方法对0.3mm厚的纯铝板和1.5mm厚的6061铝板进行封闭式无针搅拌摩擦点焊，纯铝作为上板，6061铝板作为下板，先将待焊工件放置在加工平台上，轴肩直径为4mm，套筒直径7mm，预设焊接参数：搅拌摩擦点焊焊接参数采用套筒下压力2000N，轴肩预热转速1000rpm，轴肩下压速度0.2mm/s，轴肩下压时间0.5s，下压和停留旋转速度2000rpm，停留时间1s，轴肩撤离转速为600rpm，轴肩回撤速度0.2mm/s，回撤时间0.5s。启动焊接程序，待上述焊接步骤完成后，关闭搅拌摩擦点焊系统，取出焊接成品。
实例2：
一种封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，采用所述方法对0.5mm厚的纯铜板和0.5mm厚的纯铝板进行封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，纯铜作为上板，纯铝板作为下板，先将工件放置在加工平台上，轴肩直径为6mm，套筒外径15mm，预设焊接参数：搅拌摩擦点焊焊接参数采用套筒下压力2000N，轴肩预热转速1000rpm，轴肩下压速度0.2mm/s，轴肩下压时间0.5s，下压旋转速度6000rpm，停留时间2s，轴肩撤离转速为600rpm，轴肩回撤速度0.2mm/s，回撤时间0.5s。启动焊接程序，待上述焊接步骤完成后，关闭搅拌摩擦点焊系统，取出焊接成品。
本发明方法包括但不限于实施例中的焊接材料和焊接方法，广泛适用于铝、铜、铝合金、镁合金、铜合金等金属材料的搅拌摩擦点焊，对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理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权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：包括驱动装置(3)，搅拌工具和加工平台(2)；
所述搅拌工具包括套筒(4)和轴肩(5)，所述轴肩(5)装配在所述套筒(4)内并相互独立；
所述驱动装置包括两个：套筒驱动装置和轴肩驱动装置，分别与所述套筒(4)和所述轴肩(5)相连接；
所述加工平台(2)用于放置待焊工件(1)并提供支撑。
2.根据权利要求1所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：所述轴肩驱动装置能控制所述轴肩(5)的旋转和升降，所述套筒驱动装置能控制所述套筒(4)的升降。
3.根据权利要求1所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：所述轴肩(5)采用圆柱形，其底部可加工各种形貌。
4.根据权利要求1所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：所述轴肩(5)与所述套筒(4)的装配间隙不大于0.5mm。
5.根据权利要求4所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：所述轴肩(5)与所述套筒(4)的装配间隙不大于0.1mm。
6.一种封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，基于如权利要求1～5任一项所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊装置进行点焊，其特征在于包括以下步骤：
工件固定和预热步骤：将待焊工件(1)放置于加工平台(2)上，预设焊接参数，所述焊接参数包括；套筒下压力，轴肩预热转速，下压和停留旋转速度，轴肩下压时间，轴肩下压速度，停留时间，轴肩回撤转速，轴肩回撤速度，回撤时间；启动驱动装置，套筒(4)以所述套筒下压力压紧固定所述待焊工件(1)，轴肩(5)以所述轴肩预热转速绕轴高速旋转，对所述待焊工件(1)表面进行预热；
轴肩下压和停留步骤：所述轴肩(5)以所述下压和停留旋转速度绕轴旋转，并且以所述轴肩下压速度下压插入所述待焊工件(1)，当达到预设下压时间后保持所述停留时间的绕轴旋转；
搅拌头撤离步骤：所述轴肩(5)以研磨转速绕轴旋转，并且以所述轴肩回撤速度向上回抽，当所述轴肩(5)端面回到水平位置时，所述轴肩(5)停止旋转并与所述套筒(4)撤离所述待焊工件(1)表面。
7.根据权利要求6所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，其特征在于：所述待焊工件(1)包括上板和下板。
8.根据权利要求7所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，其特征在于：所述上板厚度范围不大于1.0mm，所述下板厚度不限。
9.根据权利要求6所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，其特征在于：所述轴肩(5)下压深度控制在0.3mm之内。
10.根据权利要求6所述的封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，其特征在于：所述轴肩(5)的转速最高可达到20000rpm。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20220405 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |