CN115519232A - 一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，包括钻孔头、填充头、搅拌点焊头和转换器，钻孔头、填充头及搅拌点焊头相互平行且安装于转换器的平台上，转换器通过转动以调整钻孔头、填充头及搅拌点焊头与焊点的相对位置；其中，钻孔头用于在焊点位置钻盲孔，填充头用于向盲孔内填充预制填料，搅拌点焊头用于在填充预制填料后的焊点位置进行点焊。该基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的目的是解决现有的RFSSW技术存在焊点力学性能差、耐蚀性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦点焊技术领域，具体涉及一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置。
背景技术
回填式搅拌摩擦点焊(refill friction stir spot welding，RFSSW)作为一种固相焊接技术，能够有效避免液相焊的缺陷，同时消除搅拌摩擦点焊带来的匙孔。因其在铝合金、镁合金等轻质金属点连接领域有着无可替代的优点，能够替代飞机用高强铝合金传统铆接结构，从而在减重、性能与效率方面获得优势。
现有的RFSSW技术主要通过套筒和搅拌针的独立上下运动，来完成材料的挤出与回填，消除搅拌焊接过程形成的匙孔。然而，商用的铝合金板材往往会在表面覆盖一层塑料膜或涂胶层，以达到防腐蚀、保护母材的目的。这种带有涂覆层的铝合金板材如果使用现有的RFSSW技术进行焊接，由于涂覆层在焊接过程中会进入焊接区，会导致搭接接头的上下板之间不能良好地结合，使接头强度大大降低。另外，现有的RFSSW技术往往会存在焊点耐蚀性较差的问题，使得工件在服役过程中焊点位置先于母材被腐蚀，降低接头的服役年限。
因此，发明人提供了一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置。
发明内容
(1)要解决的技术问题
本发明实施例提供了一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，解决了现有的RFSSW技术存在的力学性能差、焊点耐蚀性较差的技术问题。
(2)技术方案
本发明提供了一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，包括钻孔头、填充头、搅拌点焊头和转换器，所述钻孔头、所述填充头及所述搅拌点焊头相互平行且安装于所述转换器的平台上，所述转换器通过转动以调整所述钻孔头、所述填充头及所述搅拌点焊头与焊点的相对位置；其中，
所述钻孔头用于在焊点位置钻盲孔，所述填充头用于向所述盲孔内填充预制填料，所述搅拌点焊头用于在填充预制填料后的焊点位置进行点焊。
进一步地，所述填充头包括储料筒、限位器和自动翻转门，所述储料筒内储存有所述预制填料，所述限位器与所述自动翻转门配合且用于使每次只落下一个预制填料，所述自动翻转门设于所述储料筒的出料口且用于控制所述预制填料的释放。
进一步地，所述预制填料呈圆片状，其直径与所述钻孔头的外径相同。
进一步地，所述搅拌点焊头包括搅拌针、套筒及压紧环，所述套筒贴合套设于所述搅拌针，所述压紧环贴合套设于所述套筒且用于在焊接过程中压紧所述焊点位置。
进一步地，所述套筒的长度大于所述压紧环且小于所述搅拌针。
进一步地，所述盲孔的深度大于搭接接头的上板厚度，且小于所述搭接接头的两层板厚。
进一步地，所述转换器包括安装平台和转动轴，所述钻孔头、所述填充头及所述搅拌点焊头安装于所述安装平台的内部，所述转动轴穿设于所述安装平台的轴心，所述安装平台绕所述转动轴转动。
进一步地，所述安装平台为柱状结构。
进一步地，所述回填搅拌摩擦点焊装置还包括转换器驱动机构，所述转换器驱动机构贴合于所述安装平台的外壁且用于驱动所述安装平台绕所述转动轴转动。
进一步地，所述钻孔头包括钻头及钻头夹，所述钻头夹固定于所述转换器内且用于夹持所述钻头。
(3)有益效果
综上，本发明通过填充与基体合金元素相同或不同的预制填料实现接头成分的调控；点焊过程中通过调整工艺参数、控制接头热输入、影响接头再结晶过程，实现点焊接头微观组织调控；通过接头成分及组织协同优化，最终实现接头性能整体调控。该回填搅拌摩擦点焊装置能够有效解决铝合金搭接结构上、下板涂胶层搅入对接头性能的弱化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的俯视图；
图2是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的轴视图；
图3是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的钻孔头的结构示意图；
图4是图2中的A-A剖视图；
图5是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的填充头的结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的搅拌点焊头的结构示意图；
图7是图5中的B-B剖视图；
图8是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的钻孔过程示意图；
图9是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的焊料填充过程示意图；
图10是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的摩擦点焊过程示意图。
图中：
1-钻孔头；101-钻头；102-钻头夹；2-填充头；201-储料筒；202-限位器；203-自动翻转门；204-预制填料；3-搅拌点焊头；301-搅拌针；302-套筒；303-压紧环；4-转换器；401-安装平台；402-转动轴；5-转换器驱动机构；501-上板；502-下板；503-垫板；6-焊点。
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。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。
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。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”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，或者是本发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，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设备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，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。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。
现有的RFSSW技术主要通过套筒和搅拌针的独立上下运动，来完成材料的挤出与回填，能够成功地消除搅拌点焊接过程形成的匙孔。然而，因腐蚀防护的需要，铝合金板材表面覆盖有一层涂胶层，这种带有涂覆层的铝合金板材如果使用现有的RFSSW技术进行焊接，由于涂覆层的存在，会导致搭接接头的上下板之间不能良好地结合，使接头强度大大降低。另外，现有的RFSSW技术往往会存在焊点耐蚀性较差的问题，使得工件在服役过程中焊点位置先于母材被腐蚀，降低了接头的服役年限。要实现RFSSW在某型号飞机中的成功应用，必须解决以下三个瓶颈性问题：第一，如何规避铝合金搭接结构上、下板涂胶层搅入对接头性能的弱化；第二，如何构建出与基体具有优异力学和抗腐蚀性能匹配的焊点组织；第三，如何制备出面向焊点服役特征和主要失效机制，具有更高损伤容限，甚至止裂特征的接头。
总之，RFSSW技术作为一种先进的固相焊接技术，能够有效避免液相焊的缺陷，同时消除搅拌摩擦焊带来的匙孔，在航空工业中有着无可替代的优点，但尚不能满足现代航空工业的高端需求。
图1是本发明实施例提供的一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的结构示意图，如图1-2所示，该装置可以包括钻孔头1、填充头2、搅拌点焊头3和转换器4，钻孔头1、填充头2及搅拌点焊头3相互平行且安装于转换器4的平台上，转换器4通过转动以调整钻孔头1、填充头2及搅拌点焊头3与焊点的相对位置；其中，
钻孔头1用于在焊点位置钻盲孔，填充头2用于向盲孔内填充预制填料，搅拌点焊头3用于在填充预制填料后的焊点位置进行点焊。
在上述实施方式中，钻盲孔的目的一是可以去除材料表面覆膜或两板搭接界面处胶层，使其点焊过程中不会进入焊缝，提高两块板材的结合效果；二是可以通过盲孔进行后续填充材料的施加，以起到主动调控焊点材料成分的目的。
该基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置的焊接过程如下：
第一步，转换器转动，选择钻孔头进行工作。由钻孔头在焊点位置进行钻盲孔操作；
第二步，转换器再次转动，选择填充头进行工作；
第三步，转换器再次转动，选择搅拌点焊头进行工作。
作为一种可选的实施方式，如图5所示，填充头2包括储料筒201、限位器202和自动翻转门203，储料筒201内储存有预制填料204，限位器202与自动翻转门203配合且用于使每次只落下一个预制填料204，自动翻转门203设于储料筒201的出料口且用于控制预制填料204的释放。
具体地，其工作过程如图9所示，在储料筒201内储存有预制填料204，该预制填料204呈圆片状，直径与钻孔头外径相等。预制填料204的成分可灵活设计，以达到所需的力学、耐蚀等性能。限位器202可向下打开或闭合，限位器202的作用是保证预制填料204每次只落下一片，由电机驱动限位销进行前后运动，实现预制填料限位功能，限位器202对称分布于储料筒201的两侧。自动翻转门203为机械驱动的开关，由电机驱动销轴带动两个限位片向下旋转90°或复位，使出料口打开或关闭，自动翻转门203的作用是控制预制填料204的释放，在焊接过程中，每次释放一个圆片状预制填料204，并使其填充进入盲孔内，完成对预制填料204的施加填充。需要注意的是，限位器202需与自动翻转门203配合使用：当填充头2移至盲孔上方时，限位器202闭合，防止多余预制填料204落下，自动翻转门203打开，在盲孔内填充一片预制填料204；随后自动翻转门203闭合，限位器202打开，预制填料204受重力作用落至储料筒201的底部，等待下次填充。
作为一种可选的实施方式，如图6-7所示，搅拌点焊头3包括搅拌针301、套筒302及压紧环303，套筒302贴合套设于搅拌针301，压紧环303贴合套设于套筒302且用于在焊接过程中压紧焊点位置。
具体地，其工作过程如图10所示，在焊接过程中，压紧环303不旋转，仅仅是压在焊点位置，防止里面的塑性软态的材料外溢。由高速旋转的套筒302和搅拌针301提供摩擦热，软化焊点金属，并完成插入和回抽过程，使焊点位置的金属挤出和回填，最终形成没有匙孔的搅拌摩擦点焊搭接接头。
作为一种可选的实施方式，套筒302的长度大于压紧环303且小于搅拌针301。其中，这样的长度设计方式能够满足摩擦点焊过程中搅拌针301在套筒302的伸缩。
作为一种可选的实施方式，转换器4包括安装平台401和转动轴402，钻孔头1、填充头2及搅拌点焊头3安装于安装平台401上，转动轴402穿设于安装平台401的轴心，安装平台401绕转动轴402转动。
具体地，如图1所示，钻孔头1、填充头2及搅拌点焊头3以阵列的方式安装于安装平台401上，三者的轴心与转动轴402之间的距离均相同，这样能够确保转换器4转动过程中整体的稳定性。
作为一种可选的实施方式，安装平台401为柱状结构。其中，柱状的结构形式能够使其转动过程中整体更加稳定。
作为一种可选的实施方式，回填搅拌摩擦点焊装置还包括转换器驱动机构5，转换器驱动机构5贴合于安装平台401的外壁且用于驱动安装平台401绕转动轴402转动。
具体地，如图1所示，通过转换器驱动机构5驱动安装平台401旋转，以实现钻孔头1、填充头2、搅拌点焊头3三个工作单元进行相应的工序，完成整个回填搅拌摩擦点焊过程。
作为一种可选的实施方式，如图3-4所示，钻孔头1包括钻头101及钻头夹102，钻头夹102固定于转换器4内且用于夹持钻头101。
具体地，其工作过程如图8所示，钻头101在上板501及下板502下开设盲孔，盲孔的深度大于搭接接头的上板厚度，且小于搭接接头的两层板厚，这样能够确保将上板501与下板502最终焊接在一起，盲孔深度过小并不能够将上板501与下板502焊接在一起，深度过大则会将底层的垫板503也焊接在一起。
需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。
以上仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理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权利要求范围内。
Claims (10)
1.一种基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，包括钻孔头(1)、填充头(2)、搅拌点焊头(3)和转换器(4)，所述钻孔头(1)、所述填充头(2)及所述搅拌点焊头(3)相互平行且安装于所述转换器(4)的平台上，所述转换器(4)通过转动以调整所述钻孔头(1)、所述填充头(2)及所述搅拌点焊头(3)与焊点的相对位置；其中，
所述钻孔头(1)用于在焊点位置钻盲孔，所述填充头(2)用于向所述盲孔内填充预制填料，所述搅拌点焊头(3)用于在填充预制填料后的焊点位置进行点焊。
2.根据权利要求1所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述填充头(2)包括储料筒(201)、限位器(202)和自动翻转门(203)，所述储料筒(201)内储存有所述预制填料，所述限位器(202)与所述自动翻转门(203)配合用于使每次只落下一个预制填料，所述自动翻转门(203)设于所述储料筒(201)的出料口且用于控制所述预制填料的释放。
3.根据权利要求1或2所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述预制填料呈圆片状，其直径与所述钻孔头(1)的外径相同。
4.根据权利要求1所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述搅拌点焊头(3)包括搅拌针(301)、套筒(302)及压紧环(303)，所述套筒(302)贴合套设于所述搅拌针(301)，所述压紧环(303)贴合套设于所述套筒(302)且用于在焊接过程中压紧所述焊点位置。
5.根据权利要求4所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述套筒(302)的长度大于所述压紧环(303)且小于所述搅拌针(301)。
6.根据权利要求1所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述盲孔的深度大于搭接接头的上板厚度，且小于所述搭接接头的两层板厚。
7.根据权利要求1所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述转换器(4)包括安装平台(401)和转动轴(402)，所述钻孔头(1)、所述填充头(2)及所述搅拌点焊头(3)安装于所述安装平台上(401)，所述转动轴(402)穿设于所述安装平台(401)的轴心，所述安装平台(401)绕所述转动轴(402)转动。
8.根据权利要求7所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述安装平台(401)为柱状结构。
9.根据权利要求7或8所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，还包括转换器驱动机构(5)，所述转换器驱动机构(5)贴合于所述安装平台(401)的外壁且用于驱动所述安装平台(401)绕所述转动轴(402)转动。
10.根据权利要求1所述的基于性能调控的回填搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，所述钻孔头(1)包括钻头(101)及钻头夹(102)，所述钻头夹(102)固定于所述转换器(4)内且用于夹持所述钻头(101)。
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| CN108838509A (zh) * | 2018-07-18 | 2018-11-20 | 南京航空航天大学 | 一种塞钉式钛合金板材搅拌摩擦点焊方法 |
| CN111570997A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-08-25 | 西北工业大学 | 一种回填式搅拌摩擦点焊工具和回填式搅拌摩擦点焊方法 |
-
2022
- 2022-09-15 CN CN202211129483.6A patent/CN115519232B/zh active Active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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