CN115716338A - 一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置及铆焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置及铆焊方法，所述铆焊装置包括驱动设备、轴肩、搅拌针和压板，所述压板的内部开设有第一通孔，所述搅拌针设置于所述轴肩的下端，所述金属板内部开设有第二通孔，所述第二通孔内设置有热塑性塑料棒，所述驱动设备驱动所述搅拌针沿竖直方向直线运动及水平方向旋转运动，所述第二通孔内设置有热塑性塑料棒。利用搅拌针与塑料棒及塑料工件的摩擦、搅拌及挤压作用制备出性能优异的铆焊接头，实现金属与热塑性塑料的可靠连接；本发明通过压板内设置有第一通孔，有效防止塑化的热塑性塑料棒从铆焊区甩出及从轴肩底部大量挤出，保证铆焊区材料填充充足；铆焊装置结构简单、易于制造，铆焊过程操作简便。

Description

一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置及铆焊方法

技术领域

本发明涉及金属与热塑性塑料的焊接技术领域，具体涉及一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置及铆焊方法。

背景技术

热塑性塑料由于质轻、比强度高、物理化学性能优异等优点，已逐步取代大量非承力金属构件，在汽车制造、航空航天等领域的应用越来越广泛，这不可避免地涉及到金属与热塑性塑料的连接问题。直至目前，金属与热塑性塑料的连接主要包括机械连接、胶接和焊接。机械连接，如螺栓连接、铆接等操作简单且连接安全可靠，但机械连接易造成连接处的应力集中及构件的增重；胶接一方面对连接面的清理要求较高，另一方面胶粘剂的挥发对操作人员的身体健康带来危害，此外，胶接接头对服役环境较为敏感；焊接，如激光焊、超声波焊、搅拌摩擦焊等具有焊接效率高、易于自动化等特点，但由于热塑性塑料与金属物理化学性能的巨大差异，焊接接头性能较差，难以满足工业应用的要求。

鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。

发明内容

为解决上述技术缺陷，本发明提供了一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置及铆焊方法。

一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，包括驱动设备、旋转搅拌机构和压板，所述压板的内部开设有第一通孔，所述旋转搅拌机构包括轴肩和搅拌针，所述搅拌针设置于所述轴肩的下端，所述轴肩和搅拌针竖向移动设置于第一通孔内，所述压板的下方依次设置有金属板和热塑性塑料板，所述金属板内部开设有第二通孔，所述第二通孔内设置有热塑性塑料棒，所述驱动设备驱动所述搅拌针沿竖直方向直线运动及水平方向旋转运动，所述搅拌针用于搅拌摩擦所述热塑性塑料棒，所述轴肩用于对塑化后的热塑性塑料棒进行挤压。

进一步的，所述第一通孔和第二通孔共轴线，所述搅拌针位于所述轴肩的下端面中心位置，所述搅拌针位于所述第二通孔的正上方。

进一步的，所述第一通孔的直径比轴肩的直径大0.4～0.6mm。

进一步的，所述旋转搅拌机构还包括装夹杆和轴肩，所述轴肩的上端面连接装夹杆，所述轴肩的下端面连接搅拌针，所述装夹杆连接驱动设备的输出轴。

进一步的，所述搅拌针形状为扁平梯形，所述搅拌针的长度是金属板厚度的1.2～1.5倍，所述搅拌针的厚度是搅拌针长度的0.2～0.3倍，所述搅拌针的锥度为10～20°。

进一步的，所述第二通孔的形状为圆锥台形，所述第二通孔的锥度与搅拌针的锥度相等，所述第二通孔的直径比搅拌针的旋转直径大0.4～1mm。

进一步的，所述热塑性塑料棒的直径比第二通孔的最小直径小0～0.2mm，所述热塑性塑料棒的长度是金属板厚度的1.2～1.5倍。

一种利用上述的搅拌摩擦铆焊装置进行铆焊的铆焊方法，包含以下步骤：

S1：在装夹前，对轴肩的底面、搅拌针、热塑性塑料棒、金属板、第二通孔和热塑性塑料板的表面进行除污去油处理；

S2：将压板、金属板和热塑性塑料板搭接固定，采用金属板在上、热塑性塑料板在下的装夹形式，压板位于金属板的正上方，同时保证第一通孔和第二通孔共轴线，将热塑性塑料棒插入第二通孔内，调节搅拌针至第二通孔的正上方；

S3：搅拌针以300～600r/min的速度旋转，并以10～20mm/min的速度下移，穿过第一通孔并与热塑性塑料棒摩擦使其塑化；

S4：轴肩底面挤压塑化的热塑性塑料棒使其填充第二通孔，同时热塑性塑料棒与热塑性塑料板混合并融合，当轴肩底面与金属板上表面接触，搅拌针停止下移并保持旋转5～15s；

S5：搅拌针停止旋转，焊点冷却固化20～30s后回抽搅拌针，移除压板，完成金属板与热塑性塑料板的焊接。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

1、本发明压板内通过设置有第一通孔，有效防止搅拌摩擦铆焊过程中塑化的热塑性塑料棒从铆焊区甩出，同时防止搅拌针停止下移并保持旋转过程中塑化的热塑性塑料棒被轴肩底部大量挤出，保证了第二通孔被充分填充且填充体与热塑性塑料板结合良好。

2、本发明采用扁平梯形搅拌针与圆锥台形第二通孔相匹配，一方面制备的铆焊接头匙孔尺寸小，有效结合面积大，承载能力强，另一方面获得的锥台形铆焊接头与金属板在轴向方向上形成良好的机械连锁，增强了金属板与热塑性塑料板连接的可靠性。

3、本发明所述的铆焊技术综合了铆接的可靠性和焊接的高效性，与现有技术相比，铆焊装置结构简单、易于制造，铆焊过程操作以及简便，工艺窗口大。

附图说明

图1为本发明搅拌摩擦铆焊装置的结构示意图；

图2为图1中搅拌摩擦铆焊装置A-A面剖视图。

图中数字表示：

1-旋转搅拌机构；2-装夹杆；3-轴肩；4-搅拌针；5-压板；6-第一通孔；7-热塑性塑料棒；8-金属板；9-第二通孔；10-热塑性塑料板；11-驱动设备。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

实施例1

如图1所示，图1为搅拌摩擦铆焊装置的结构示意图；将压板5、金属板8和热塑性塑料板10自上而下依次搭接，压板5的内部开设有第一通孔6，第一通孔6位于压板5的中心位置，第一通孔6贯穿于压板5且第一通孔6的下部开口接触金属板8的上表面，金属板8的内部开设有第二通孔9；第二通孔9贯穿于金属板8且第二通孔9的下部开口接触热塑性塑料板10的上表面。

其中，压板5为圆柱形，压板5的尺寸为

金属板8的尺寸为100×100×3mm，热塑性塑料板10的尺寸为100×100×3mm。所述第一通孔6、第二通孔9和旋转搅拌机构1共轴线，旋转搅拌机构1的装夹杆2、轴肩3及搅拌针4一体式加工，装夹杆2、轴肩3及搅拌针4的中心位于一条直线上。

装夹杆2用于将驱动设备11产生的旋转及垂直方向的运动传递给轴肩3及搅拌针4，从而实现对工件的铆焊。

轴肩3用于在下移阶段的后期将塑化且碎化的热塑性塑料棒7挤压填充第二通孔9并对铆焊区起到有效的锻压作用，使得获得的铆焊接头更致密。

装夹杆2、轴肩3与搅拌针4呈一体式加工，图1中旋转搅拌机构1的衔接线是为了更好地区分旋转搅拌机构1的构成。

装夹杆2是由驱动设备11驱动，装夹杆2的上端与所述驱动设备11之间转动连接，装夹杆2的下端连接轴肩3，所述轴肩3的下端连接搅拌针4，所述驱动设备11带动将旋转及垂直方向的运动传递给旋转搅拌机构1，带动所述旋转搅拌机构1一体化旋转下移，所述驱动设备11驱动所述旋转搅拌机构1沿水平方向旋转运动及竖直方向升降运动。

其中，装夹杆2的长度为20mm，直径为14mm；若装夹杆2直径过小铆焊过程中难以承受轴向载荷及扭矩而发生断裂，装夹杆2长度过短会影响其与驱动设备11连接的可靠性，而装夹杆2直径和长度过大浪费材料。

轴肩3的长度为20mm，直径为20mm，一方面可有效抑制铆焊区塑化的热塑性塑料的挤出，另一方面增强对铆焊区的锻压作用，以获得致密的铆焊接头。

搅拌针4形状为梯形，长度是金属板8厚度的1.2～1.5倍，优选4mm，这样铆焊过程中搅拌针4扎入热塑性塑料板10一定深度，有利于保证铆焊接头强度。

搅拌针4的厚度是搅拌针4长度的0.2～0.3倍，优选1mm，厚长比是为了保证搅拌针4满足铆焊所需的刚度，防止搅拌针4在扭矩和轴向载荷作用下发生变形；而搅拌针4厚度过大虽然也满足刚度要求，但搅拌针4拔出后在铆焊接头上留下的大匙孔会减小铆焊接头的尺寸，从而降低了铆焊接头性能。

金属侧圆锥台状的第二通孔9的锥度为10～20°，优选15°，搅拌针4的根部宽度12mm，圆锥台状第二通孔9设置是为了保证铆焊接头能实现金属板8和热塑性塑料板10轴向机械互锁，而第二通孔9锥度过大对铆焊接头的机械互锁能力影响不大，且相同铆焊接头表面直径下，第二通孔9锥度越大搭接面处铆焊直径越小，铆焊接头的抗剪切能力降低，而第二通孔9锥度过小会降低铆焊接头的机械互锁能力。

上述装夹杆2、轴肩3、第一通孔6、搅拌针4、第二通孔9的相关尺寸范围的设置是为了保证铆焊的顺利进行以及致密铆焊接头的制备，达到金属板8与热塑性塑料板10可靠连接的目的。

金属板8可以为铝合金、镁合金、钛合金及钢，热塑性塑料为结晶性热塑性塑料或无定形热塑性塑料。

如图2所示，图2为图1中搅拌摩擦铆焊装置A-A面剖视图；第一通孔6的直径比轴肩3的直径大0.4～0.6mm，使得搅拌针4能够在第一通孔6内旋转下降，第一通孔6的直径优选为20.4mm；保证轴肩3能够穿过第一通孔6，另一方面轴肩3下移过程中，轴肩3底部挤压的塑化的热塑性塑料棒7材料能够充分填充轴肩3与第一通孔6之间的间隙，铆焊区的密封程度提高，其内部材料挤出损失减小，保证形成致密且性能优越的接头。

第二通孔9的形状为圆锥台形，锥度与搅拌针4锥度相等，锥度优选为15°，该锥度设置一方面保证搅拌针4通过第二通孔9扎入热塑性塑料板10过程中不与第二通孔9的侧壁发生摩擦作用，同时有利于提高铆焊区厚度方向材料受热的一致性，优化铆焊接头厚度方向的组织均匀性。

第二通孔9的直径比搅拌针4的旋转直径大0.4～1mm，优选为0.6mm，由于搅拌针4与第二通孔9的锥度相同，意味着搅拌针4旋转过程中与第二通孔9内壁间保持合适的间隙，从而防止搅拌针4与第二通孔9之间发生摩擦，导致第二通孔9结构的破坏。

第二通孔9中放置热塑性塑料棒7，热塑性塑料棒7的直径比第二通孔9的底部开口直径小0～0.2mm，优选11.8mm；具体地，第二通孔上开口直径12.6mm，锥度15°，板厚3mm，经计算第二通孔下开口直径11.81mm，因此热塑性塑料棒7直径设为11.8mm，热塑性塑料棒7的长度是金属板8高度的1.2～1.5倍，优选4mm，热塑性塑料棒7的直径与长度的设置能保证热塑性塑料棒7的体积大于第二通孔9的体积，从而保证热塑性塑料棒7塑化后能充分填充第二通孔9，形成致密的铆焊接头。

热塑性塑料棒7与热塑性塑料板10之间具有良好的相容性，容易进行焊接。

压板5上开设第一通孔6的目的一方面是防止搅拌针4下移过程中塑化的热塑性塑料棒7从铆焊区甩出，另一方面是防止搅拌针4停止下移并保持旋转过程中塑化的热塑性塑料棒7被轴肩3底部大量挤出，保证了第二通孔9被充分填充且填充体与热塑性塑料板10结合良好。

扁平梯形搅拌针4的目的是制备匙孔尺寸大小且有效结合面积大的铆焊接头。

圆锥台形第二通孔9的目的是保证其内部热塑性塑料填充体与金属板8形成良好的榫卯连接，防止热塑性塑料填充体与第二通孔9脱离导致铆焊接头的提前失效，其中热塑性塑料填充体是热塑性塑料棒7在搅拌针4的搅拌摩擦作用下碎化并塑化形成的。

扁平梯形搅拌针4与圆锥台形第二通孔9相匹配，一方面制备的铆焊接头匙孔尺寸小，有效结合面积大，承载能力强，另一方面获得的锥台形铆焊接头与金属板8在轴向方向上形成良好的机械连锁，增强了金属板8与热塑性塑料板10连接的可靠性，有利于获得致密的铆焊接头。

实施例2

采用如图1的搅拌摩擦铆焊装置进行5A06铝合金板与聚醚醚酮(PEEK)板的搅拌摩擦铆焊，其中热塑性塑料棒7为PEEK棒，金属板8为5A06铝合金板，热塑性塑料板10为PEEK板，具体搅拌摩擦铆焊方法包括以下步骤：

(a)对轴肩3、搅拌针4、PPEK棒、5A06铝合金板、第二通孔9和PEEK板表面进行除污去油处理；

(b)将压板5、5A06铝合金板和PEEK板自上而下依次搭接固定，保证第一通孔6和第二通孔9共轴线，将PEEK棒插入第二通孔9内，调节轴肩3和搅拌针4位于第二通孔9正上方；

(c)轴肩3及搅拌针4以600r/min的速度旋转，并以10mm/min的速度下移穿过第一通孔6，搅拌针4与PEEK棒相互作用，在摩擦热和机械力作用下，PEEK棒同时发生塑化和碎化；

(d)随着轴肩3的下移，轴肩3底面与PEEK棒相互作用，在摩擦热和挤压力下，塑化的PEEK棒逐渐填充第二通孔9，多余的塑化PEEK棒填充轴肩3与第一通孔6之间的间隙，同时PEEK棒填充体与PEEK板相互混合并融合；待轴肩3底面与5A06铝合金板上表面接触，轴肩3和搅拌针4停止下移并保持旋转15s，此时轴肩3与第一通孔6间的PEEK填充体能有效防止第二通孔9内PEEK的挤出，有利于获得致密的铆焊接头；

(e)轴肩3和搅拌针4停止旋转，铆焊接头在轴肩3挤压力作用下冷却固化30s后轴肩3和搅拌针4垂直回抽，移除压板5，完成5A06铝合金板与PEEK板的搅拌摩擦铆焊。

实施例3

采用如图1的搅拌摩擦铆焊装置进行AZ31镁合金板与高密度聚乙烯(HDPE)板的搅拌摩擦铆焊，其中热塑性塑料棒7为HDPE棒，金属板8为AZ31镁合金板，热塑性塑料板10为HDPE板，具体搅拌摩擦铆焊方法包括以下步骤：

(a)对轴肩3、搅拌针4、HDPE棒、AZ31镁合金板、第二通孔9和HDPE板表面进行除污去油处理；

(b)将压板5、AZ31镁合金板和HDPE板自上而下依次搭接固定，保证第一通孔6和第二通孔9共轴线，将HDPE棒插入第二通孔9内，调节轴肩3和搅拌针4位于第二通孔9正上方；

(c)轴肩3及搅拌针4以600r/min的速度旋转，并以10mm/min的速度下移穿过第一通孔6，搅拌针4与HDPE棒相互作用，在摩擦热和机械力作用下，HDPE棒同时发生塑化和碎化；

(d)随着轴肩3的下移，轴肩3底面与HDPE棒相互作用，在摩擦热和挤压力下，塑化的HDPE棒逐渐填充第二通孔9，多余的塑化HDPE棒填充轴肩3与第一通孔6之间的间隙，同时HDPE棒填充体与HDPE板相互混合并融合；待轴肩3底面与AZ31镁合金板上表面接触，轴肩3和搅拌针4停止下移并保持旋转15s，此时轴肩3与第一通孔6间的HDPE填充体能有效防止第二通孔9内HDPE的挤出，有利于获得致密的铆焊接头；

(e)轴肩3和搅拌针4停止旋转，铆焊接头在轴肩3挤压力作用下冷却固化30s后轴肩3和搅拌针4垂直回抽，移除压板5，完成AZ31镁合金板与HDPE板的搅拌摩擦铆焊。

实施例4

采用如图1的搅拌摩擦铆焊装置进行TC4钛合金板与聚碳酸酯(PC)板的搅拌摩擦铆焊，其中热塑性塑料棒7为PC棒，金属板8为TC4钛合金板，热塑性塑料板10为PC板，具体搅拌摩擦铆焊方法包括以下步骤：

(a)对轴肩3、搅拌针4、PC棒、TC4钛合金板、第二通孔9和PC板表面进行除污去油处理；

(b)将压板5、TC4钛合金板和PC板自上而下依次搭接固定，保证第一通孔6和第二通孔9共轴线，将PC棒插入第二通孔9内，调节轴肩3和搅拌针4位于第二通孔9正上方；

(c)轴肩3及搅拌针4以600r/min的速度旋转，并以10mm/min的速度下移穿过第一通孔6，搅拌针4与PC棒相互作用，在摩擦热和机械力作用下，PC棒同时发生塑化和碎化；

(d)随着轴肩3的下移，轴肩3底面与PC棒相互作用，在摩擦热和挤压力下，塑化的PC棒逐渐填充第二通孔9，多余的塑化PC棒填充轴肩3与第一通孔6之间的间隙，同时PC棒填充体与PC板相互混合并融合；待轴肩3底面与TC4钛合金板上表面接触，轴肩3和搅拌针4停止下移并保持旋转15s，此时轴肩3与第一通孔6间的PC填充体能有效防止第二通孔9内PC填充体的挤出，有利于获得致密的铆焊接头；

(e)轴肩3和搅拌针4停止旋转，铆焊接头在轴肩3挤压力作用下冷却固化30s后轴肩3和搅拌针4垂直回抽，移除压板5，完成TC4钛合金板与PC板的搅拌摩擦铆焊。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，包括驱动设备、旋转搅拌机构和压板，所述压板的内部开设有第一通孔，所述旋转搅拌机构包括轴肩和搅拌针，所述搅拌针设置于所述轴肩的下端，所述轴肩和搅拌针竖向移动设置于第一通孔内，所述压板的下方依次设置有金属板和热塑性塑料板，所述金属板内部开设有第二通孔，所述第二通孔内设置有热塑性塑料棒，所述驱动设备驱动所述搅拌针沿竖直方向直线运动及水平方向旋转运动，所述搅拌针用于搅拌摩擦所述热塑性塑料棒，所述轴肩用于对塑化后的所述热塑性塑料棒进行挤压。

2.如权利要求1所述的金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，所述第一通孔和第二通孔共轴线，所述搅拌针位于所述轴肩的下端面中心位置，所述搅拌针位于所述第二通孔的正上方。

3.如权利要求2所述的金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，所述第一通孔的直径比所述轴肩的直径大0.4～0.6mm。

4.如权利要求1所述的金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，所述旋转搅拌机构还包括装夹杆，所述轴肩的上端连接所述装夹杆，所述装夹杆与所述驱动设备转动连接。

5.如权利要求1所述的金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，所述搅拌针形状为扁平梯形，所述搅拌针的长度是金属板厚度的1.2～1.5倍，所述搅拌针的厚度是搅拌针长度的0.2～0.3倍，所述搅拌针的锥度为10～20°。

6.如权利要求1所述的金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，所述第二通孔的形状为圆锥台形，所述第二通孔的锥度与搅拌针的锥度相等，所述第二通孔的直径比搅拌针的旋转直径大0.4～1mm。

7.如权利要求1所述的金属与热塑性塑料的搅拌摩擦铆焊装置，其特征在于，所述热塑性塑料棒的直径比第二通孔的最小直径小0～0.2mm，所述热塑性塑料棒的长度是金属板厚度的1.2～1.5倍。

8.一种使用如权利要求1-7任一项所述的搅拌摩擦铆焊装置进行铆焊的铆焊方法，其特征在于，包含以下步骤：

S1：在装夹前，对轴肩的底面、搅拌针、热塑性塑料棒、金属板、第二通孔和热塑性塑料板的表面进行除污去油处理；

S2：将压板、金属板和热塑性塑料板搭接固定，采用金属板在上、热塑性塑料板在下的装夹形式，压板位于金属板的正上方，同时保证第一通孔和第二通孔共轴线，将热塑性塑料棒插入第二通孔内，调节搅拌针至第二通孔的正上方；

S3：搅拌针以300～600r/min的速度旋转，并以10～20mm/min的速度下移，穿过第一通孔并与热塑性塑料棒摩擦使其塑化；

S4：轴肩底面挤压塑化的热塑性塑料棒使其填充第二通孔，同时热塑性塑料棒与热塑性塑料板混合并融合，当轴肩底面与金属板上表面接触，搅拌针停止下移并保持旋转5～15s；

S5：搅拌针停止旋转，焊点冷却固化20-30s后回抽搅拌针，移除压板，完成金属板与热塑性塑料板的焊接。

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