CN114654071B - 一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及焊接领域，具体公开了一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，本发明通过在金属板上表面加工出凹槽，并在凹槽中填入热丝，提高了焊接过程中的热输入，凹槽的加工也促进了塑化后的材料流动，不仅可以得到美观的焊缝，还保证了焊接接头质量，将热丝置于凹槽后先使用无针搅拌头预焊再进行连续焊接，焊接过程中热丝不会隆起，焊接过程稳定，焊缝质量较高，且与自动填丝加热装置相比，成本较低，此外对焊前装夹的夹具要求较低，热丝置于凹槽中的工序较为简单，热丝材料也较容易获得。

Description

一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接领域。
背景技术
自21世纪以来，环保理念深入人心，低碳环保、节能减排成为现阶段科研于生活的时代背景。随着制造业的快速发展，航空航天、轨道交通等朝着轻量化方向发展，在轻量化发展的大背景下，搅拌摩擦焊技术成为连接铝合金与聚合物最有效直接的途径。但科研工作者研究发现，铝合金与聚合物在搭接搅拌摩擦焊接过程中，焊接的接头着存在较大的残余应力，从而导致接头的强度不高，抗拉性能不足；同时，铝合金与聚合物搭接接头界面处会由于膨胀系数相差较大而开裂，导致铝合金与聚合物的连接成功率较低。为解决传统搅拌摩擦焊有着接头强度不足的问题，科研工作者采用外热源辅助下并填加异种材料焊丝的搅拌摩擦焊方法，但现用于填丝的搅拌摩擦焊技术有许多不足之处，此种方法对异种材料性能要求较高，而且与母材物理化学性质相差较大，同样会导致焊接接头质量较差。目前为提高焊接接头的抗拉强度，在搭焊板材的中间层添加片状材料，但在实际的搅拌摩擦焊接过程中，由于添加的片状材料与母材熔点相差太大，焊接时会造成金属缺失、焊缝出现孔洞等缺陷；另外，所添加的片状材料装配困难，同时在焊接时片状材料会因搅拌头的作用隆起，导致焊接中断或焊缝存在缺陷。针对上述存在的问题，研究设计一种新型的预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，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后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
S1.将金属板和聚合物板进行焊接前预处理，将所述金属板与聚合物板加工成需要的形状，在所述金属板的表面加工出一条凹槽；
S2.清洁所述金属板和聚合物板；
S3.将所述金属板与聚合物板置于工作台上，所述金属板置于所述聚合物板上方，并用夹具将所述金属板与聚合物板定位装夹在工作台上；
S4.使用加热输送装置将填丝进行加热后，通过送料槽将加热后的填丝输送至所述凹槽中；
S5.所述填丝填入所述凹槽后，启动焊具，使用搅拌头对所述填丝进行预焊，预焊采用间隔点焊的方式，点焊后关闭焊具；
S6.启动焊具，控制所述焊具的搅拌头以设定的转速置于所述凹槽一端的上方后，控制所述搅拌头向下移动，使所述搅拌头插入所述凹槽内，直到所述搅拌头达到设定的轴肩下压量，并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，直到所述搅拌头到达所述凹槽的另一端，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S1中，所述凹槽竖直截面的形状为梯形，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，所述凹槽梯形上底边长小于所述搅拌头轴肩的宽度，所述凹槽梯形下底边长小于所述凹槽梯形上底边长。
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工作台上。
优选的，所述步骤S4中，所述填丝的加热温度不高于750℃，所述填丝的长度小于所述凹槽的长度，所述填丝的高度小于所述凹槽的高度，所述填丝的宽度大于所述凹槽梯形下底边长且小于所述凹槽梯形上底边长，所述填丝为铝合金丝。
优选的，所述步骤S4中，所述加热输送装置通过推杆将所述填丝沿着送料槽推入所述凹槽中。
优选的，所述焊具的搅拌头为无针搅拌头，材料为H13钢，所述搅拌头轴肩的形貌为平面，轴肩的直径d为10-30mm。
优选的，所述步骤S5中，所述搅拌头旋转速度的范围为600-800r/min，所述搅拌头轴肩下压量的范围为0.1mm-0.5mm，预焊的间隔点焊产生的焊点至少为1个。
优选的，所述步骤S6中，所述搅拌头旋转速度的范围为600-2000r/min，所述搅拌头轴肩下压量的范围为0.1mm-0.5mm，焊接速度的范围为30-150mm/min。
优选的，所述步骤S6中，所述焊具上还设有列阵射流冲击装置，所述列阵射流冲击装置与所述焊具开关同步，所述列阵射流冲击装置的出气口设在所述搅拌头的后方，所述列阵射流冲击装置的出气口与所述搅拌头的距离为2mm～10mm，所述列阵射流冲击装置的出气口与所述搅拌头同步运动，所述列阵射流冲击装置内的冷却气体经列阵射流冲击装置的出气口喷射在焊缝的表面。
本发明的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，在金属板上表面加工出凹槽，并在凹槽中填入热丝，提高了焊接过程中的热输入，凹槽的加工也促进了塑化后的材料流动，不仅可以得到美观的焊缝，还保证了焊接接头质量，将热丝置于凹槽后先使用无针搅拌头预焊再进行连续焊接，焊接过程中热丝不会隆起，焊接过程稳定，焊缝质量较高，且与自动填丝加热装置相比，成本较低，此外对焊前装夹的夹具要求较低，热丝置于凹槽中的工序较为简单，热丝材料也较容易获得。
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的装夹示意图；
图4是本发明实施例加热输送装置向凹槽内填入填丝示意图；
图5是本发明实施例金属板与聚合物点焊示意图；
图6是本发明实施例金属板与聚合物摩擦焊接过程示意图。
图中：1、金属板，2、聚合物板，3、凹槽，4、填丝，5、搅拌头，6、夹具，7、螺丝，8、加热输送装置，9、送料槽，10、焊点，11、推杆，12、列阵射流冲击装置，13、出气口。
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”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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，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。除非另有明确的规定和限定，术语“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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本实施例的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：
S1.将金属板1和聚合物板2进行焊接前预处理，将金属板1与聚合物板2加工成需要的形状，在金属板1的表面加工出一条凹槽3；
如图1和图2所示，其中，金属板1可以为铝合金板，凹槽3竖直截面的形状可以为梯形，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，凹槽3梯形上底边长小于搅拌头5轴肩的宽度，凹槽3梯形下底边长小于凹槽3梯形上底边长。凹槽3为后续的填丝工序提供了空间，也促进了焊接区域塑化后的材料流动，加工出的凹槽3有效的防止了因材料塑化不充分或材料流动性差导致的焊缝表面出现隧道状缺陷的问题，不仅可以得到美观的焊缝，还保证了焊接接头质量；
S2.清洁金属板1和聚合物板2，目的是清除残留杂质和污染物；
S3.将金属板1与聚合物板2置于工作台上，金属板1置于聚合物板2上方，并用夹具6将金属板1与聚合物板2定位装夹在工作台上；
如图3所示，将金属板1带有凹槽3的面向上放置，夹具6位于金属板1上方，夹具6可以通过螺丝7将金属板1与聚合物板2夹在工作台上；
S4.使用加热输送装置8将填丝4进行加热后，通过送料槽9将加热后的填丝4输送至凹槽3中；
如图4所示，使用加热输送装置8先对铝合金丝进行加热，填丝4的加热温度不高于750℃，填丝4的输送长度可随着加热输送装置8进行调节，加热输送装置8可以通过推杆11将填丝4沿着送料槽9推入凹槽3中，填丝4的长度可以小于凹槽3的长度，填丝4的高度可以小于凹槽3的高度，填丝4的宽度可以大于凹槽3梯形下底边长且小于凹槽3梯形上底边长，梯形凹槽3的设计为填丝4的输送提供了空间，填丝4的宽度大于凹槽3梯形下底边长，避免了因填丝4温度过高而导致的聚合物板2提前熔化变形的问题，填丝4可以为铝合金丝；
S5.填丝4填入凹槽3后，启动焊具，使用搅拌头5对填丝4进行预焊，预焊采用间隔点焊的方式，点焊后关闭焊具；
如图5所示，焊具的搅拌头5可以为无针搅拌头，材料可以为H13钢，可形成强度较高的焊接接头，且不会对焊接设备、板材表面的几何形状造成损害，搅拌头5轴肩的形貌可以为平面，轴肩的直径d可以为10-30mm，搅拌头5旋转速度的范围可以为600-800r/min，搅拌头5轴肩下压量的范围可以为0.1mm-0.5mm，预焊的间隔点焊产生的焊点10至少为1个，点焊产生的焊点可以均匀排布，点焊是为了将填丝4与金属板1结合在一起，防止连续焊时填丝4发生翘曲现象；
S6.启动焊具，控制焊具的搅拌头5以设定的转速置于凹槽3一端的上方后，控制搅拌头5向下移动，使搅拌头5插入凹槽3内，直到搅拌头5达到设定的轴肩下压量，并使搅拌头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，直到搅拌头5到达凹槽3的另一端，将搅拌头5抬起退出；
选用的焊具的搅拌头5同样可以为无针搅拌头，材料可以为H13钢，可形成强度较高的焊接接头，且不会对焊接设备、板材表面的几何形状造成损害，搅拌头5轴肩的形貌可以为平面，这样不会随焊接工具的旋转而过多产生飞边，使得材料流失严重，也不会随旋转速度过快导致凹槽3内的填丝4隆起，轴肩的直径d可以为10-30mm，搅拌头5旋转速度的范围可以为600-2000r/min，搅拌头5轴肩下压量的范围可以为0.1mm-0.5mm，这样既促使了聚合物板2的熔化，保证了焊接质量，避免了下压量太大导致的焊接不稳定，也避免了下压量过大填丝4进入聚合物界面，导致聚合物材料分解，产生气泡从而降低接头强度的问题，焊接速度的范围可以为30-150mm/min，避免了摩擦热过低而导致的金属板1表面焊合不完全，以及隧道状缺陷出现等问题。
此外，如图6所示，连续焊接时，焊具上还可以设有列阵射流冲击装置12，列阵射流冲击装置12与焊具开关同步，列阵射流冲击装置12的出气口13设在搅拌头5的后方，列阵射流冲击装置12的出气口13与搅拌头5的距离可以为2mm～10mm，为保证列阵射流冲击装置12的冷却作用，可以使列阵射流冲击装置12的出气口13与搅拌头5同步运动，列阵射流冲击装置12内的冷却气体经列阵射流冲击装置12的出气口13喷射在焊缝的表面，此外，列阵射流冲击装置12的出口还可以根据实际的需要制作成不同的形状，例如可以是孔板型也可以是喷嘴型，由于列阵射流冲击装置12喷出的冷却气体的急剧冷却作用，可以让焊缝两侧金属的膨胀得到很好的控制，使焊件的形变减小。
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 (10)

1.一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.将金属板(1)和聚合物板(2)进行焊接前预处理，将所述金属板(1)与聚合物板(2)加工成需要的形状，在所述金属板(1)的表面加工出一条凹槽(3)；
S2.清洁所述金属板(1)和聚合物板(2)；
S3.将所述金属板(1)与聚合物板(2)置于工作台上，所述金属板(1)置于所述聚合物板(2)上方，并用夹具(6)将所述金属板(1)与聚合物板(2)定位装夹在工作台上；
S4.使用加热输送装置(8)将填丝(4)进行加热后，通过送料槽(9)将加热后的填丝(4)输送至所述凹槽(3)中；
S5.所述填丝(4)填入所述凹槽(3)后，启动焊具，使用搅拌头(5)对所述填丝(4)进行预焊，预焊采用间隔点焊的方式，点焊后关闭焊具；
S6.启动焊具，控制所述焊具的搅拌头(5)以设定的转速置于所述凹槽(3)一端的上方后，控制所述搅拌头(5)向下移动，使所述搅拌头(5)插入所述凹槽(3)内，直到所述搅拌头(5)达到设定的轴肩下压量，并使所述搅拌头(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，直到所述搅拌头(5)到达所述凹槽(3)的另一端，将所述搅拌头(5)抬起退出。
2.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，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所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述凹槽(3)竖直截面的形状为梯形，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)梯形上底边长小于所述搅拌头(5)轴肩的宽度，所述凹槽(3)梯形下底边长小于所述凹槽(3)梯形上底边长。
4.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，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(6)位于所述金属板(1)上方，所述夹具(6)通过螺丝(7)将所述金属板(1)与聚合物板(2)夹在工作台上。
5.根据权利要求3所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述填丝(4)的加热温度不高于750℃，所述填丝(4)的长度小于所述凹槽(3)的长度，所述填丝(4)的高度小于所述凹槽(3)的高度，所述填丝(4)的宽度大于所述凹槽(3)梯形下底边长且小于所述凹槽(3)梯形上底边长，所述填丝(4)为铝合金丝。
6.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述加热输送装置(8)通过推杆(11)将所述填丝(4)沿着送料槽(9)推入所述凹槽(3)中。
7.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述焊具的搅拌头(5)为无针搅拌头，材料为H13钢，所述搅拌头(5)轴肩的形貌为平面，轴肩的直径d为10-30mm。
8.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S5中，所述搅拌头(5)旋转速度的范围为600-800r/min，所述搅拌头(5)轴肩下压量的范围为0.1mm-0.5mm，预焊的间隔点焊产生的焊点(10)至少为1个。
9.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述搅拌头(5)旋转速度的范围为600-2000r/min，所述搅拌头(5)轴肩下压量的范围为0.1mm-0.5mm，焊接速度的范围为30-150mm/min。
10.根据权利要求1所述的一种预开槽后填入热丝的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述步骤S6中，所述焊具上还设有列阵射流冲击装置(12)，所述列阵射流冲击装置(12)与所述焊具开关同步，所述列阵射流冲击装置(12)的出气口(13)设在所述搅拌头(5)的后方，所述列阵射流冲击装置(12)的出气口(13)与所述搅拌头(5)的距离为2mm～10mm，所述列阵射流冲击装置(12)的出气口(13)与所述搅拌头(5)同步运动，所述列阵射流冲击装置(12)内的冷却气体经列阵射流冲击装置(12)的出气口(13)喷射在焊缝的表面。
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