CN115283814A - 回填式搅拌摩擦点焊搅拌头、点焊装置及点焊方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种回填式搅拌摩擦点焊搅拌头、点焊装置及点焊方法。回填式搅拌摩擦点焊搅拌头包括内压紧柱、第一搅拌套、第二搅拌套以及外压紧套。所述内压紧柱用于压紧和固定待焊板材；所述第一搅拌套可转动地套设于所述内压紧柱的外周，所述第一搅拌套还可沿所述内压紧柱的轴向往复运动；所述第二搅拌套可转动地套设于所述第一搅拌套的外周，所述第二搅拌套还可沿所述内压紧柱的轴向往复运动；所述外压紧套套设于所述第二搅拌套的外周，所述外压紧套用于压紧和固定所述待焊板材。本发明至少可以解决摩擦焊接过程中焊点热‑力不均匀的问题。

Description

回填式搅拌摩擦点焊搅拌头、点焊装置及点焊方法

技术领域

本申请涉及回填式搅拌摩擦点焊技术领域，具体而言，涉及一种回填式搅拌摩擦点焊搅拌头、点焊装置及点焊方法。

背景技术

回填式搅拌摩擦点焊(refill friction stir spot welding，RFSSW)是在搅拌摩擦焊(FSW)和搅拌摩擦点焊(FSSW)的基础上发展起来的一种新型固相点焊技术。焊接工具由夹紧环、套筒及搅拌针三部分组成，夹紧环的作用是固定工件和防止焊接过程中塑性材料的外溢，套筒和搅拌针可以独立地进行上下运动。焊接过程中，依靠焊接工具高速旋转的摩擦产热使待焊金属达到粘塑性状态，然后利用搅拌针和套筒的往复运动，通过金属的挤出与回填，使搭接界面形成冶金结合。此焊接方法可以成功的消除退出孔，获得没有匙孔的点焊接头。作为一种先进的固相焊接技术，能够有效避免液相焊接的固有缺陷，在铝合金、镁合金等轻质金属点连接领域有着无可替代的优势。

然而，现有的回填式搅拌摩擦点焊也存在焊点热-力不均匀的问题。由于点焊过程中的热量全部来自于焊接工具的摩擦产热，所以产热量与搅拌针以及套筒的线速度有关。搅拌针外侧线速度较大，产热量大，温度高；内侧线速度小，产热量少，温度低。尤其是搅拌针的中心位置，摩擦过程中线速度为0，温度最低。这种显著的热量差异造成了接头组织的不均匀性，使接头容易产生多种缺陷，降低了接头的力学性能。因此，目前的回填式搅拌摩擦点焊焊接工艺窗口较窄，需要反复摸索和试验来获得最佳焊接工艺参数，来优化接头力学性能。

发明内容

本申请的主要目的在于提供一种回填式搅拌摩擦点焊搅拌头、点焊装置及点焊方法，可以解决摩擦焊接过程中焊点热-力不均匀的问题。

根据本申请实施例的一个方面，提供了一种回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，包括：

内压紧柱，所述内压紧柱用于压紧和固定待焊板材；

第一搅拌套，所述第一搅拌套可转动地套设于所述内压紧柱的外周，所述第一搅拌套还可沿所述内压紧柱的轴向往复运动；

第二搅拌套，所述第二搅拌套可转动地套设于所述第一搅拌套的外周，所述第二搅拌套还可沿所述内压紧柱的轴向往复运动；以及

外压紧套，所述外压紧套套设于所述第二搅拌套的外周，所述外压紧套用于压紧和固定所述待焊板材。

进一步地，所述第一搅拌套的底端和/或侧壁设置有第一摩擦加强部。

进一步地，所述第二搅拌套的底端和/或侧壁设置有第二摩擦加强部。

进一步地，所述第一搅拌套和所述第二搅拌套的转速为600rpm至2000rpm。

进一步地，所述第一搅拌套和所述第二搅拌套沿所述内压紧柱轴向下压和回抽的速度为0.5mm/s至2mm/s。

进一步地，所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头满足如下公式：

其中，P为回填式搅拌摩擦点焊装置的机械臂提供的极限挤压力，单位为Pa，P为所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头插入所述待焊板材所需的压强，单位为MPa，d为所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头的最大直径，单位为mm。

进一步地，所述内压紧柱、所述第一搅拌套、所述第二搅拌套以及所述外压紧套均采用H13工具钢制备而成。

进一步地，所述内压紧柱、所述第一搅拌套、所述第二搅拌套以及所述外压紧套的长度依次减小。

另一方面，本发明还提供了一种回填式搅拌摩擦点焊装置，包括上述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头。

再一方面，本发明还提供了一种回填式搅拌摩擦点焊方法，所述回填式搅拌摩擦点焊方法采用上述的回填式搅拌摩擦点焊装置执行，所述回填式搅拌摩擦点焊方法包括：

步骤S1：使所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头移动到待焊位置，贴紧下压到所述待焊板材表面；

步骤S2：使所述第一搅拌套、所述第二搅拌套高速旋转以使所述待焊板材软化；

步骤S3：使所述第二搅拌套下扎，进入到软化的所述待焊板材内，同时，使所述第一搅拌套回抽以容纳被挤出的高温塑性金属；

步骤S4：使所述第二搅拌套回抽，同时，使所述第一搅拌套下扎以将所述步骤S3挤压出的高温塑性金属重新回填入接头；

步骤S5：使所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头撤离焊件表面，结束焊接。

相对于现有技术而言，本申请的技术方案至少具备如下技术效果：

使用时，将本发明中的搅拌头安装在回填式搅拌摩擦点焊装置上，实际工作的过程中，内压紧柱和外压紧套不会发生转动，两者均压紧固定在待焊板材上。第一搅拌套以及第二搅拌套的运动形式由两种，一是旋转运动，二是下扎和回抽运动(即沿内压紧柱的轴向往复运动)。旋转运动时，第一搅拌套以及第二搅拌套与待焊板材发生摩擦，产生大量热量，使板材软化；随后，利用第一搅拌套以及第二搅拌套的下扎和回抽往复运动，通过金属的挤出与回填，使板材搭接界面形成冶金结合，形成没有匙孔的平整的搅拌点焊接头。

此外，相比于传统的回填式搅拌摩擦点焊，焊点位置的热-力作用更加均匀。传统的搅拌针中心位置线速度为零，温度最低；外侧线速度较大，温度最高。这种显著的热量差异造成了接头组织的不均匀性，容易产生焊接缺陷。而本发明搅拌头具有嵌套设置的第一搅拌套和第二搅拌套，通过使第一搅拌套和第二搅拌套在待焊板材表面转动，第一搅拌套和第二搅拌套在与待焊板材的摩擦界面上的温度更加均匀，焊点位置的热-力作用差异较小。也即是说，本发明在很大程度上解决了摩擦焊接过程中焊点热-力不均匀的问题，更容易获得组织、性能均匀稳定的点焊接头。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例公开的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头处于第一视角时的结构示意图；

图2是本申请实施例公开的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头处于第二视角时的结构示意图；

图3是本申请实施例公开的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头的主视图；

图4是本申请实施例公开的回填时搅拌摩擦点焊搅拌头的剖视图；

图5是本申请实施例公开的回填时搅拌摩擦点焊方法的流程图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、内压紧柱；20、第一搅拌套；30、第二搅拌套；40、外压紧套。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

参见图1至图4所示，根据本申请的一个方面，提供了一种回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，下称搅拌头。该搅拌头尤其适用于实现铝合金、镁合金等轻质材料的中空环状回填式搅拌摩擦点焊工作。

具体来说，本实施例中的搅拌头包括内压紧柱10、第一搅拌套20、第二搅拌套30以及外压紧套40。

其中，内压紧柱10用于压紧和固定待焊板材；第一搅拌套20可转动地套设于内压紧柱10的外周，第一搅拌套20还可沿内压紧柱10的轴向往复运动；第二搅拌套30可转动地套设于第一搅拌套20的外周，第二搅拌套30还可沿内压紧柱10的轴向往复运动；外压紧套40套设于第二搅拌套30的外周，该外压紧套40用于压紧和固定待焊板材。

使用时，将本实施例中的搅拌头安装在回填式搅拌摩擦点焊装置上，实际工作的过程中，内压紧柱10和外压紧套40不会发生转动，两者均压紧固定在待焊板材上。第一搅拌套20以及第二搅拌套30的运动形式由两种，一是旋转运动，二是下扎和回抽运动(即沿内压紧柱10的轴向往复运动)。旋转运动时，第一搅拌套20以及第二搅拌套30与待焊板材发生摩擦，产生大量热量，使板材软化；随后，利用第一搅拌套20以及第二搅拌套30的下扎和回抽往复运动，通过金属的挤出与回填，使板材搭接界面形成冶金结合，形成没有匙孔的平整的搅拌点焊接头。

此外，相比于传统的回填式搅拌摩擦点焊，焊点位置的热-力作用更加均匀。传统的搅拌针中心位置线速度为0，温度最低；外侧线速度较大，温度最高。这种显著的热量差异造成了接头组织的不均匀性，容易产生焊接缺陷。而本发明搅拌头具有嵌套设置的第一搅拌套20和第二搅拌套30，通过使第一搅拌套20和第二搅拌套30在待焊板材表面转动，第一搅拌套20和第二搅拌套30在与待焊板材的摩擦界面上的温度更加均匀，焊点位置的热-力作用差异较小。也即是说，本发明在很大程度上解决了摩擦焊接过程中焊点热-力不均匀的问题，更容易获得组织、性能均匀稳定的点焊接头。

具体地，本实施例中的内压紧柱10、第一搅拌套20、第二搅拌套30以及外压紧套40均为圆柱形结构，组装时，内压紧柱10、第一搅拌套20、第二搅拌套30以及外压紧套40四个部分有内向外套在一起，配合形式为间隙配合，可以保证相邻二者之间能够独立地运动，结构简单，便于加工，适于第一搅拌套20和第二搅拌套30转动。

进一步地，本实施例中的第一搅拌套20的底端和/或侧壁设置有第一摩擦加强部(图中未示出)，也即是说，可以在第一搅拌套20的底端(用于与待焊板材接触的一端)设置第一摩擦加强部，还可以在第一搅拌套20的侧壁(用于带焊接板材接触的侧壁)设置第一摩擦加强部，还可以同时在第一搅拌套20的底端和侧壁上均设置第一摩擦加强部，通过该第一摩擦加强部的作用，可以在摩擦焊的过程中提供良好的摩擦力，并可以促使高温塑性金属流动。可选地，该第一摩擦加强部可以是螺纹、波纹或者其他凹凸不平的结构，只要是在本申请的构思下的其他变形方式，均在本申请的保护范围之内。

同样地，本实施例中的第二搅拌套30的底端和/或侧壁设置有第二摩擦加强部(图中未示出)。也即是说，可以在第二搅拌套30的底端(用于与待焊板材接触的一端)设置第二摩擦加强部，还可以在第二搅拌套30的侧壁(用于带焊接板材接触的侧壁)设置第二摩擦加强部，还可以同时在第二搅拌套30的底端和侧壁上均设置第二摩擦加强部，通过该第二摩擦加强部的作用，可以在摩擦焊的过程中提供良好的摩擦力，并可以促使高温塑性金属流动。可选地，该第二摩擦加强部可以是螺纹、波纹或者其他凹凸不平的结构，只要是在本申请的构思下的其他变形方式，均在本申请的保护范围之内。

当然，在本申请的其他实施方式中，第一搅拌套20和第二搅拌套30上还可以不用设置第一摩擦加强部和第二摩擦加强部，即第一搅拌套20和第二搅拌套30的表面为光滑表面，具体的结构可以根据待焊板材的性质而定。

可选地，本实施例中的第一搅拌套20和第二搅拌套30的转速为600rpm至2000rpm，例如600rpm、1000rpm、1400rpm或者2000rpm，第一搅拌套20和第二搅拌套30沿内压紧柱10轴向下压和回抽的速度为0.5mm/s至2mm/s，例如0.5mm/s、1.0mm/s、1.5mm/s或者2mm/s，如此，可以适用于不同的焊接工艺。

此外，本发明的搅拌头，相比于传统的回填式搅拌摩擦点焊，更容易实现针对厚板的焊接，更容易开发出大直径的搅拌工具。由于本发明中的第一搅拌套20和第二搅拌套30均为圆筒状设计，而传统的搅拌针为实心圆柱结构。在搅拌点焊装置提供相等的焊接压力的情况下，本发明中的第一搅拌套20和第二搅拌套30可以做的直径更大，对厚板、大面积的焊接更具有优势。具体理由如下：

本实施例中的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头满足如下公式：

其中，P为回填式搅拌摩擦点焊的机械臂提供的极限挤压力，单位为Pa，P为回填式搅拌摩擦点焊搅拌头插入待焊板材所需的压强，单位为MPa，d为搅拌头的最大直径，单位为mm。

当采用工程中常用单位，并假设极限挤压力为F＝100kg(1kN)，P＝100MPa，能够支持的最大搅拌头直径为d(单位mm)时，此时有等式：

如果使用传统的实心搅拌头，经过计算，则允许使用的最大搅拌头直径为d＝11mm。当使用本发明中的圆筒状搅拌头，设其外径为d，壁厚3mm，则公式为

带入数值，计算得到允许使用的最大搅拌头直径为d＝22mm，直径达到了前者的两倍。由此可见，本发明设及的搅拌头，在搅拌摩擦点焊装置提供相等的最大焊接压力的情况下，搅拌头的直径可以做明显更大，使搅拌工具刚性更好。这对厚板、大面积的焊接更具有优势。

可选地，本实施例中的内压紧柱10、第一搅拌套20、第二搅拌套30以及外压紧套40均采用H13工具钢制备而成，结构强度高，稳定性好。

进一步地，内压紧柱10、第一搅拌套20、第二搅拌套30以及外压紧套40的长度依次减小，更适于组装和控制。在一种具体的实施方式中，内压紧柱10的外径为10mm，高度100mm；第一搅拌套20壁厚2.5mm、外径15mm，高度85mm；第二搅拌套30壁厚2.5mm、外径20mm，高度70mm；外压紧套40壁厚5mm，外径30mm，高度50mm。

另一方面，本申请实施例还提供了一种回填式搅拌摩擦点焊装置，该回填式搅拌摩擦点焊装置包括上述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，因此，本实施例中的回填式搅拌摩擦点焊装置包括上述实施例中的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头的所有技术效果，由于前文已经对回填式搅拌摩擦点焊搅拌头的技术效果进行了详细说明，此处不再赘述。

参见图5所示，本申请实施例还提供了一种回填式搅拌摩擦点焊方法，该回填式搅拌摩擦点焊方法采用上述的回填式搅拌摩擦点焊装置执行。具体地，本实施例中的回填式搅拌摩擦点焊方法包括如下步骤：

步骤S1：利用回填式搅拌摩擦点焊装置使搅拌头移动到待焊位置，贴紧下压到待焊板材表面，此时，内压紧柱10、第一搅拌套20、第二搅拌套30以及外压紧套40的下端面平齐(如图2所示)，且都压紧在待焊板材表面。

步骤S2：利用回填式搅拌摩擦点焊装置使第一搅拌套20、第二搅拌套30高速旋转以使待焊板材软化。此时第一搅拌套20、第二搅拌套30与待焊板材接触位置发生剧烈摩擦，几秒钟内产生大量热量，使待焊板材温度迅速升高，发生软化。

步骤S3：利用回填式搅拌摩擦点焊装置使第二搅拌套30下扎，进入到软化的待焊板材内，同时，利用回填式搅拌摩擦点焊装置使第一搅拌套20回抽以容纳被挤出的高温塑性金属。

步骤S4：利用回填式搅拌摩擦点焊装置使第二搅拌套30回抽，退回到初始的界面位置，同时，使第一搅拌套20下扎也回到初始的界面位置，进而可以将步骤S3挤压出的高温塑性金属重新回填入接头。

步骤S5：利用回填式搅拌摩擦点焊装置使搅拌头撤离焊件表面，结束焊接。在该步骤中，使第一搅拌套20、第二搅拌套30停止旋转，整个搅拌头撤离焊件表面，焊接过程结束，此时，可以形成没有匙孔的平整的搅拌点焊接头。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，包括：

内压紧柱(10)，所述内压紧柱(10)用于压紧和固定待焊板材；

第一搅拌套(20)，所述第一搅拌套(20)可转动地套设于所述内压紧柱(10)的外周，所述第一搅拌套(20)还可沿所述内压紧柱(10)的轴向往复运动；

第二搅拌套(30)，所述第二搅拌套(30)可转动地套设于所述第一搅拌套(20)的外周，所述第二搅拌套(30)还可沿所述内压紧柱(10)的轴向往复运动；以及

外压紧套(40)，所述外压紧套(40)套设于所述第二搅拌套(30)的外周，所述外压紧套(40)用于压紧和固定所述待焊板材。

2.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述第一搅拌套(20)的底端和/或侧壁设置有第一摩擦加强部。

3.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述第二搅拌套(30)的底端和/或侧壁设置有第二摩擦加强部。

4.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述第一搅拌套(20)和所述第二搅拌套(30)的转速为600rpm至2000rpm。

5.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述第一搅拌套(20)和所述第二搅拌套(30)沿所述内压紧柱(10)轴向下压和回抽的速度为0.5mm/s至2mm/s。

6.根据权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头满足如下公式：

其中，P为回填式搅拌摩擦点焊装置的机械臂提供的极限挤压力，单位为Pa，P为所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头插入所述待焊板材所需的压强，单位为MPa，d为所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头的最大直径，单位为mm。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述内压紧柱(10)、所述第一搅拌套(20)、所述第二搅拌套(30)以及所述外压紧套(40)均采用H13工具钢制备而成。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头，其特征在于，所述内压紧柱(10)、所述第一搅拌套(20)、所述第二搅拌套(30)以及所述外压紧套(40)的长度依次减小。

9.一种回填式搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，包括权利要求1至8中任一项所述的回填式搅拌摩擦点焊搅拌头。

10.一种回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述回填式搅拌摩擦点焊方法采用权利要求9中所述的回填式搅拌摩擦点焊装置执行，所述回填式搅拌摩擦点焊方法包括：

步骤S1：使所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头移动到待焊位置，贴紧下压到所述待焊板材表面；

步骤S2：使所述第一搅拌套(20)、所述第二搅拌套(30)高速旋转以使所述待焊板材软化；

步骤S3：使所述第二搅拌套(30)下扎，进入到软化的所述待焊板材内，同时，使所述第一搅拌套(20)回抽以容纳被挤出的高温塑性金属；

步骤S4：使所述第二搅拌套(30)回抽，同时，使所述第一搅拌套(20)下扎以将所述步骤S3挤压出的高温塑性金属重新回填入接头；

步骤S5：使所述回填式搅拌摩擦点焊搅拌头撤离焊件表面，结束焊接。

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