CN114433997B - 一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及焊接领域，具体公开了一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，本发明在金属板的表面加工出一条凹槽，然后在凹槽内放置锌粒，不仅可增强材料的塑形流动能力，锌粒还有利于填充微观孔洞，从而获得接头性能良好的焊缝，通过自动下料装置对凹槽进行锌粒填充，不仅保证了凹槽内的锌粒均匀分布，也保证了被焊件各段焊接接头的强度均有提高。

Description

一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接领域。

背景技术

当今社会发展中，交通运输、航空航天以及石油化工等领域对轻量化的材料需求越来越大，钢、铁等传统材料的地位正被逐渐代替。同种材料、异种材料、不同规格的轻量化板材连接正受到广泛关注。轻量化板材常用的连接方法有：压焊、钎焊、熔焊等技术。而这些技术中，有的需要填充材料，接头性能被大大降低；有的技术在保证接头性能的前提下，操作复杂、对设备要求高、加工速率不能满足实际生产要求。在这种情况下搅拌摩擦焊接应运而生，与传统焊接技术相比，搅拌摩擦焊是一种高效、环保的固态连接工艺，具有焊接热输入较低和不易焊接变形的特点。搅拌摩擦焊因不易产生脆性相而得到接头性能良好的焊缝，也因其工艺相对简单、连接性能较好受到各行各业的广泛关注。搅拌摩擦焊接利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使工件局部发生熔化，搅拌头前的材料发生强烈的塑形变形，随着搅拌头沿着焊接方向移动时，工件上被塑化的材料在搅拌头的作用下形成致密焊缝。但在实际焊接过程中，旋转速度、焊接速度、搅拌头倾角等因素影响固态材料的流动，导致焊接混合较差。经常出现飞边、表面未填充、根部未焊透、气泡、隧道、孔洞、裂纹等缺陷。针对上述存在的问题，研究设计一种新型的预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，克服现有搅拌摩擦焊接方法中所存在的问题是十分必要的。

发明内容

为了解决现有的搅拌摩擦焊接方法存在的上述问题，本发明提供了一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

S1.进行预处理，将金属板和聚合物板切割成所需要的规格；

S2.在所述金属板的表面加工出一条凹槽，清洁所述金属板和所述聚合物板；

S3.将所述金属板与聚合物板置于焊接台上，将所述金属板置于上方，所述聚合物板置于下方，用夹具将所述金属板与聚合物板固定；

S4.将焊具的搅拌头置于所述凹槽一端的上方，调整所述焊具上自动送料装置的位置，将所述自动送料装置的送料口对准搅拌摩擦焊起始位置；

S5.启动所述自动送料装置，使所述自动送料装置的储料箱中的锌粒落入所述凹槽内，启动所述焊具，控制所述搅拌头保持恒定的旋转速度并向下移动，使所述搅拌头上的搅拌针插入所述锌粒内，直到所述搅拌头达到设定的轴肩下压量；

S6.使所述搅拌头保持设定的轴肩下压量，以恒定转速和焊接速度，沿着所述凹槽进行焊接，焊接过程中保持所述送料口与搅拌头的相对位置不变，并保持所述送料口送出的所述锌粒刚好盖住所述凹槽，直到所述搅拌头到达所述凹槽的另一端，关闭所述自动送料装置和焊具，并将所述搅拌头抬起退出。

优选的，所述步骤S1中，所述金属板为铝合金板。

优选的，所述步骤S2中，所述凹槽的形状为长方形，所述凹槽的高度小于所述金属板的高度，所述凹槽的长度小于所述金属板的长度，所述凹槽的宽度小于所述搅拌头轴肩的宽度。

优选的，所述步骤S2中，用砂纸对所述金属板进行打磨，打磨后用丙酮清理所述金属板和聚合物板的接触面，清除残留杂质和污染物。

优选的，所述步骤S3中，所述金属板带有所述凹槽的面向上放置，所述夹具位于所述金属板上方，所述夹具通过螺丝将所述金属板与聚合物板夹在焊接台上。

优选的，所述步骤S4中，所述自动送料装置包括进料口、储料箱、出料口、送料管、阀口和送料口，所述储料箱设于所述焊具上，所述储料箱上端设有所述进料口，所述储料箱下端设有所述出料口，所述送料管的上端与所述出料口连接，所述送料管下端设有阀口和送料口，所述阀口用于控制所述送料口的送料速度。

优选的，所述储料箱内的锌粒的直径小于出料口、送料管、送料口和阀口的直径。

优选的，所述步骤S5中，所述搅拌头的旋转速度范围为600-1000r/min。

优选的，所述步骤S5中，所述搅拌头轴肩下压量的范围为0.5mm-1mm。

优选的，所述步骤S6中，所述焊接速度的范围为10-100mm/min。

本发明的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，在凹槽内放置锌粒可增强材料的塑形流动能力，有利于填充微观孔洞，从而获得接头性能良好的焊缝，通过自动下料装置对凹槽进行锌粒填充，不仅保证了凹槽内的锌粒均匀分布，也保证了被焊件各段焊接接头的强度均有提高。

附图说明

图1是本发明实施例金属板的俯视示意图；

图2是本发明实施例金属板的主视剖视示意；

图3是本发明实施例金属板与聚合物搅拌摩擦焊前的装夹示意图；

图4是本发明实施例金属板与聚合物搅拌摩擦焊接工作过程示意图。

图中：1、金属板，2、聚合物板，3、凹槽，4、锌粒，5、搅拌头，6、搅拌针，7、焊具，8、夹具，9、螺丝，10、进料口，11、储料箱，12、出料口，13、送料管，14、阀口，15、送料口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”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。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

S1.进行预处理，将金属板1和聚合物板2切割成所需要的规格，如图1和图2所示；

优选的，金属板1可以为铝合金板；

S2.在金属板1的表面加工出一条凹槽3，清洁金属板1和聚合物板2；

优选的，凹槽3的形状可以为长方形，凹槽3的高度小于金属板1的高度，凹槽3的长度小于金属板1的长度，可以避免搅拌头5与被焊件搅拌时产生的摩擦热过大，导致聚合物材料分解，产生的气泡影响接头强度，凹槽3的宽度小于搅拌头5轴肩的宽度，可以避免搅拌摩擦焊接过程中材料填充不足，避免焊接部位不平整；

优选的，可以使用砂纸对金属板1进行打磨，去除金属板1上的杂质，打磨后可以用丙酮清理金属板1和聚合物板2的接触面，清除金属板1和聚合物板2上所残留杂质和污染物，使金属板1和聚合物板2的接触面更加的干净；

S3.将金属板1与聚合物板2置于焊接台上，将金属板1置于上方，聚合物板2置于下方，用夹具8将金属板1与聚合物板2固定；

如图3所示，金属板1带有凹槽3的面需要向上放置，夹具8位于金属板1上方，夹具8通过螺丝9将金属板1与聚合物板2夹在焊接台上，其中，夹具8可以为4个，分别置于金属板1的四角处，使金属板1和聚合物板2固定的更加稳定；

S4.将焊具7的搅拌头5置于凹槽3一端的上方，调整焊具7上自动送料装置的位置，将自动送料装置的送料口15对准搅拌摩擦焊起始位置；

如图4所示，自动送料装置包括进料口10、储料箱11、出料口12、送料管13、阀口14和送料口15，储料箱11设于焊具7上，储料箱11与焊具7固定连接，储料箱11的上端设有进料口10，进料口10用于向储料箱11内添加锌粒4，储料箱11下端设有出料口12，出料口12用于锌粒4的下料，送料管13的上端与出料口12连接，送料管13下端设有阀口14和送料口15，阀口14用于控制送料口15的送料速度，此外，储料箱11内还可以设有搅拌调节装置，搅拌调节装置可以调节锌粒4的出料速度，防止出料过快堵死出料口12；

自动送料装置安装在焊具7上，可通过焊具7的移动，调整自动送料装置的移动，使自动送料装置与焊具的移动同步；

储料箱11内的锌粒4的直径需要小于出料口12、送料管13、送料口15和阀口14的直径，以此来保证锌粒4的正常输送，使锌粒4不会卡在自动送料装置中；

S5.启动自动送料装置，使自动送料装置的储料箱11中的锌粒4落入凹槽3内，启动焊具7，控制搅拌头5保持恒定的旋转速度并向下移动，使搅拌头5上的搅拌针6插入锌粒4内，直到搅拌头5达到设定的轴肩下压量；

自动送料装置的阀口14可以调节锌粒4的送料速度，避免送料速度过快，锌粒4填充凹槽3过快，导致焊缝形貌较差；也避免了送料速度过慢，锌粒4未及时填充凹槽3，导致焊接接头强度较差；

搅拌头5的旋转速度范围可以为600-1000r/min，优选的，搅拌头5的旋转速度可以为700r/min、750r/min、800r/min、850r/min、900r/min、950r/min，避免因搅拌头5的旋转速度过快或过慢引起锌粒4飞出，影响焊接质量；

搅拌头5轴肩下压量的范围可以为0.5mm-1mm，优选的，搅拌头5轴肩下压量可以为0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm，搅拌头5轴肩下压量过小会导致锌粒4软化不充分，影响焊接接头强度，搅拌头5轴肩下压量过大会使聚合物板2融化，产生气泡，影响焊接接头强度；

S6.使搅拌头5保持设定的轴肩下压量，以恒定转速和焊接速度，沿着凹槽3进行焊接，焊接过程中保持送料口15与搅拌头5的相对位置不变，并保持送料口15送出的锌粒4刚好盖住凹槽3，直到搅拌头5到达凹槽3的另一端，关闭自动送料装置和焊具7，并将搅拌头5抬起退出；

焊接速度的范围可以为10-100mm/min，优选的，焊接速度可以为20mm/min、30mm/min、40mm/min、50mm/min、60mm/min、70mm/min、80mm/min、90mm/min。

锌元素可以增强材料的塑形流动能力，所以在金属板1的凹槽3内放置锌粒4可增强材料的塑形流动能力，达到填充微观孔洞的效果，从而获得接头性能良好的焊缝，通过安装在焊具7上的自动下料装置对凹槽3内进行锌粒4填充，保证了凹槽3内的锌粒4的均匀分布，使各段焊接接头强度均有提高，此外，本发明中的锌粒也可以替换成锌片。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (8)

1.一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.进行预处理，将金属板(1)和聚合物板(2)切割成所需要的规格；

S2.在所述金属板(1)的表面加工出一条凹槽(3)，清洁所述金属板(1)和所述聚合物板(2)；

S3.将所述金属板(1)与聚合物板(2)置于焊接台上，将所述金属板(1)置于上方，所述聚合物板(2)置于下方，用夹具(8)将所述金属板(1)与聚合物板(2)固定；

S4.将焊具(7)的搅拌头(5)置于所述凹槽(3)一端的上方，调整所述焊具(7)上自动送料装置的位置，将所述自动送料装置的送料口(15)对准搅拌摩擦焊起始位置，所述自动送料装置包括进料口(10)、储料箱(11)、出料口(12)、送料管(13)、阀口(14)和送料口(15)，所述储料箱(11)设于所述焊具(7)上，所述储料箱(11)上端设有所述进料口(10)，所述储料箱(11)下端设有所述出料口(12)，所述送料管(13)的上端与所述出料口(12)连接，所述送料管(13)下端设有阀口(14)和送料口(15)，所述阀口(14)用于控制所述送料口(15)的送料速度，所述储料箱(11)内的锌粒(4)的直径小于出料口(12)、送料管(13)、送料口(15)和阀口(14)的直径；

S5.启动所述自动送料装置，使所述自动送料装置的储料箱(11)中的锌粒(4)落入所述凹槽(3)内，启动所述焊具(7)，控制所述搅拌头(5)保持恒定的旋转速度并向下移动，使所述搅拌头(5)上的搅拌针(6)插入所述锌粒(4)内，直到所述搅拌头(5)达到设定的轴肩下压量；

S6.使所述搅拌头(5)保持设定的轴肩下压量，以恒定转速和焊接速度，沿着所述凹槽(3)进行焊接，焊接过程中保持所述送料口(15)与搅拌头(5)的相对位置不变，并保持所述送料口(15)送出的所述锌粒(4)刚好盖住所述凹槽(3)，直到所述搅拌头(5)到达所述凹槽(3)的另一端，关闭所述自动送料装置和焊具(7)，并将所述搅拌头(5)抬起退出。

2.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述金属板(1)为铝合金板。

3.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述凹槽(3)的形状为长方形，所述凹槽(3)的高度小于所述金属板(1)的高度，所述凹槽(3)的长度小于所述金属板(1)的长度，所述凹槽(3)的宽度小于所述搅拌头(5)轴肩的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S2中，用砂纸对所述金属板(1)进行打磨，打磨后用丙酮清理所述金属板(1)和聚合物板(2)的接触面，清除残留杂质和污染物。

5.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述金属板(1)带有所述凹槽(3)的面向上放置，所述夹具(8)位于所述金属板(1)上方，所述夹具(8)通过螺丝(9)将所述金属板(1)与聚合物板(2)夹在焊接台上。

6.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述搅拌头(5)的旋转速度范围为600-1000r/min。

7.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述搅拌头(5)轴肩下压量的范围为0.5mm-1mm。

8.根据权利要求1所述的一种预开槽式填充锌粒搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述焊接速度的范围为10-100mm/min。