CN115890241B - 一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置与方法。该装置主要包含加持柄、柱体套筒、紧固螺栓、铣削刀具和螺柱。摩擦螺柱焊过程中，柱体套筒、铣削刀具与螺柱同时下压，螺柱首先接触基板，摩擦产热，形成局部冶金结合，随柱体套筒逐渐下压至基板表面并停留数秒，保证螺柱与基板的充分冶金结合，实现性能的控制；同时铣削刀具与基板微接触，去除螺柱摩擦挤压溢出材料形成的飞边，保证螺柱焊接头的一致性，实现形状的优化控制。该方法以局部自发热为主要特点，不仅适用于金属及其复合材料，而且可用于聚合物及其复合材料，能够实现圆柱、方形柱、变径柱等多种型号尺寸构件的优质固相焊接。
Description
技术领域
本发明属于摩擦焊接技术领域，特别是涉及一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置与方法。
背景技术
螺柱焊是指一种将螺柱或类似的金属柱状物及其他紧固件焊接在金属基板上的方法，具有简便、高速、低耗、低污染等优势，广泛应用于航天、船舶、汽车、装甲车，以及钢结构、建筑等领域。按实现螺柱焊的电源分类，电弧螺柱焊可分为稳定电弧螺柱焊(电弧螺柱焊)、不稳定电弧螺柱焊(电容放电螺柱焊或电容储能螺柱焊)和短周期螺柱焊。其中，电容放电螺柱焊的特点是利用电容充电储存能量，焊接时放电形成能量脉冲，加热焊接部位且加压焊接；电弧螺柱焊是目前采用最为广泛的一种焊接方法，特点是在杆状或其他类似的金属紧固件与板材之间形成电弧的压力焊接方法；短周期螺柱焊是将焊接电流经过波形控制的电弧螺柱焊。但这些螺柱焊接方法可焊螺柱的直径小，且为防止热量集中而引起变色、变形和烧穿，要求焊接时间短，但熔深浅，焊接接头的可靠性降低。
以摩擦形变产热为主的摩擦螺柱焊接具有焊接温度低、形变自发热、适应性强等优势受到广泛关注。在摩擦螺柱焊接过程中，螺柱或金属柱体等结构通过螺柱与基体的摩擦产热，实现固相连接。但仍存在一些问题未得到有效解决：一、螺柱与基体连接存在较大飞边缺陷，影响接头成形质量；二、对于空心螺柱，易造成空心螺柱柱体的断裂，难以成形；三、对于一些直径过大或过小的螺柱，不充分的热输入导致界面弱连接的产生，影响产品合格率。以上问题的存在极大地限制摩擦螺柱焊的发展。因此，如何克服现有技术的不足已成为当今摩擦螺柱焊接技术领域亟待解决的重点难题之一。
发明内容
本发明目的是为了解决传统摩擦螺柱焊接方法存在的接头成形尺寸差、空心螺柱易断裂和界面弱连接等问题，提出了一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置与方法，可实现柱体结构与板材之间的优质高可靠连接。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置，所述装置由加持柄1、柱体套筒2、紧固螺栓3、螺柱502和铣削刀具4组成；所述加持柄1与柱体套筒2轴线上连接为一体，加持柄1外侧与柱体套筒2内表面均具有安装平面结构；紧固螺栓3位于柱体套筒2侧面，螺柱502侧面铣有平面，安装时紧固螺栓3端面与螺柱502安装平面接触，通过紧固螺栓3的调整，实现内部螺柱502的装夹和拆卸工作；螺柱502位于柱体套筒2内部，且螺柱502伸出柱体套筒2端面一定长度；铣削刀具4位于柱体套筒2外侧且同心同轴，铣削刀具4刀刃与柱体套筒2端面位于同一平面，在焊接过程中可有效去除摩擦螺柱焊过程中螺柱502外形成的飞边缺陷，实现表面形状的控制。
进一步地，所述柱体套筒2的材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢、硬质合金和聚晶立方氮化硼，该材质的硬度和熔点高于螺柱，减少摩擦螺柱焊接装置的磨损。
进一步地，所述螺柱502伸出柱体套筒2的长度为1～10mm。
进一步地，所述螺柱502侧面有安装平面，安装时紧固螺栓3端面与螺柱502安装平面接触，保证焊接过程中螺柱502与摩擦螺柱焊接装置同步旋转。
进一步地，所述的柱体套筒2端面的孔洞数可在1～10个之间，同时具备实现1个或多个螺柱502同步焊接的效果。
本发明提出一种基于所述同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置的摩擦螺柱焊接方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、焊前清理：先通过机械打磨除去待焊基板501表面的氧化膜，擦拭待焊基板501表面，去除油污和金属粉尘异物；
步骤2、依据螺柱502尺寸，优化设计柱体套筒2内部尺寸与外部尺寸，柱体套筒2与螺柱502间隙配合，螺柱502背部与柱体套筒2底部接触，螺柱502顶端露出柱体套筒2一定长度；安装侧顶螺栓，使其与螺柱502接触，防止焊接过程中螺柱502与柱体套筒2的相对运动；
步骤3、将基板501固定在工作台上，柱体套筒2、螺柱502和铣削刀具4以一定的速度旋转并逐渐靠近基板501；螺柱502顶端与基板501接触后，继续施加压力以增加螺柱502与基板501之间的摩擦热，直至柱体套筒2端面的铣削刀具4与基板501表面接触时，停止加压并保持一段时间，柱体套筒2外侧与铣削刀具4同步作用处理飞边缺陷，实现螺柱502焊控形的效果；最后采取急停措施并继续以大压力顶锻一段时间后，完成整个螺柱502焊接过程；焊接完成后依次取出侧顶螺栓，回抽柱体套筒2，即可获得摩擦螺柱焊接头5。
进一步地，所述步骤2中，螺柱502直径在0.2～100mm之间，螺柱502长度在5～500mm之间，中空螺柱内径尺寸为螺柱外径0.5～0.9倍，中空螺柱内部深度为螺柱长度的0.1～0.9倍。
进一步地，所述步骤2中，柱体套筒2内直径尺寸较螺柱502外直径尺寸大0.05～2mm，柱体套筒2深度较螺柱502长度短0～10mm；柱体套筒2厚度在1～20mm之间；对于方形柱和变径柱柱体，柱体套筒2内尺寸最细位置应大于方形柱、变径柱柱体最大位置尺寸，以保证柱体套筒2能充分固定内部待焊接柱体。
进一步地，所述步骤3中，摩擦螺柱焊接装置的旋转速度在30～30000rpm之间，下压速度在0.2～100mm/min之间，柱体套筒2端面与基板501接触距离在-1.0～2.0mm之间。
进一步地，所述步骤3中，对空心柱体施焊时，柱体端面与基板接触后施加的压力及急停后施加的顶锻力小于对应尺寸的实心柱体，防止焊接过程中发生变形及断裂。
本发明的有益效果为：
1.本发明利用同步焊接与控形控性处理的摩擦螺柱焊接装置，通过柱体套筒的设计，可实现不同形状与尺寸的柱体结构焊接，如圆柱、圆锥、变径柱体、长方体或正方体等；
2.柱体套筒与基板接触，有效增加螺柱周围热输入，避免传统摩擦螺柱外边缘界面弱连接等缺陷，可有效控制螺柱接头性能；
3.该方法在柱体套筒外侧设置铣削刀具，刀具与基板上表面微接触，与柱体套筒外侧同步旋转，起到去除飞边的效果，控制摩擦螺柱焊接头成形；
4.该装置主要利用摩擦形变自发热，不受柱体的尺寸和材质限制，可实现包括但不限于铝合金、镁合金、钛合金、钢、聚合物、复合材料以及异种材料的连接；
5.该装置及方法工序简单、生产效率高、接头质量高、成本低且无其他消耗品等。
附图说明
图1是摩擦螺柱焊接装置示意图；
图2是摩擦螺柱焊接过程示意图；
图3是摩擦螺柱焊接头示意图；
图中标号说明：1加持柄、101加持柄端面、2柱体套筒、201柱体套筒内平面、202安装定位孔、3紧固螺栓、301螺纹、302螺栓端面、4铣削刀具、401固定环、402刀片、5摩擦螺柱焊接头、501基板、502螺柱。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合图1-图3，本发明提出一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置，所述装置由加持柄1、柱体套筒2、紧固螺栓3、螺柱502和铣削刀具4组成；所述加持柄1与柱体套筒2轴线上连接为一体，加持柄1外侧与柱体套筒2内表面均具有安装平面结构，保证摩擦螺柱焊接装置与螺柱和摩擦焊设备同步旋转；紧固螺栓3位于柱体套筒2侧面，螺柱502侧面铣有平面，安装时紧固螺栓3端面与螺柱502安装平面接触，通过紧固螺栓3的调整，实现内部螺柱502的装夹和拆卸工作；螺柱502位于柱体套筒2内部，且螺柱502伸出柱体套筒2端面一定长度，避免弱连接缺陷，保证螺柱与基板之间有效冶金结合，实现螺柱焊接头性能的控制；铣削刀具4位于柱体套筒2外侧且同心同轴，铣削刀具4刀刃与柱体套筒2端面位于同一平面，在焊接过程中可有效去除摩擦螺柱焊过程中螺柱502外形成的飞边缺陷，实现表面形状的控制。
所述柱体套筒2的材质包括但不限于高速工具钢、热作模具钢、硬质合金和聚晶立方氮化硼等，该材质的硬度和熔点应显著高于螺柱，减少摩擦螺柱焊接装置的磨损。
所述螺柱502伸出柱体套筒2的长度为1～10mm。
所述螺柱502侧面有安装平面，安装时紧固螺栓3端面与螺柱502安装平面接触，保证焊接过程中螺柱502与摩擦螺柱焊接装置同步旋转。
所述铣削刀具的刀刃与柱体套筒端面位于同一平面，飞边缺陷产生后能够得到及时的去除；
所述的柱体套筒2端面的孔洞数可在1～10个之间，同时具备实现1个或多个螺柱502同步焊接的效果。
所述摩擦螺柱焊接装置不仅能够实现螺柱焊接，还能够实现圆柱、圆锥、变径柱体、长方体或正方体等的焊接，柱体顶端形貌可为圆锥形、圆弧形或方形等，柱体的材质可为铝合金、镁合金、钛合金、钢、聚合物、金属基或聚合物基复合材料等。
本发明提出一种基于所述同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置的摩擦螺柱焊接方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、焊前清理：先通过机械打磨除去待焊基板501表面的氧化膜，擦拭待焊基板501表面，去除油污和金属粉尘异物；
步骤2、依据螺柱502尺寸，优化设计柱体套筒2内部尺寸与外部尺寸，柱体套筒2与螺柱502间隙配合，螺柱502背部与柱体套筒2底部接触，螺柱502顶端露出柱体套筒2一定长度；安装侧顶螺栓，使其与螺柱502接触，防止焊接过程中螺柱502与柱体套筒2的相对运动；
步骤3、将基板501固定在工作台上，柱体套筒2、螺柱502和铣削刀具4以一定的速度旋转并逐渐靠近基板501；螺柱502顶端与基板501接触后，继续施加压力以增加螺柱502与基板501之间的摩擦热，直至柱体套筒2端面的铣削刀具4与基板501表面接触，当柱体套筒端面与基板接触距离(压入量)达到-1.0～2mm时，停止加压并保持1～100s，柱体套筒可防止塑性材料溢出，同时柱体套筒与基板产生的充足摩擦热，可避免摩擦螺柱焊螺柱外缘压力不足导致的弱连接缺陷，实现接头控性，由于露出柱体套筒外部的螺柱部分热塑化之后在柱体套筒外侧形成飞边的缺陷，此时，柱体套筒2外侧与铣削刀具4同步作用处理飞边缺陷，实现螺柱502焊控形的效果；最后采取急停措施并继续以大压力顶锻一段时间后，完成整个螺柱502焊接过程；焊接完成后依次取出侧顶螺栓，回抽柱体套筒2，即可获得表面成形良好、界面结合优质、力学性能高的摩擦螺柱焊接头5。
所述步骤2中，螺柱502直径在0.2～100mm之间，螺柱502长度在5～500mm之间，柱体顶端形貌可为圆锥形、圆弧形或方形等，中空螺柱内径尺寸为螺柱外径0.5～0.9倍，中空螺柱内部深度为螺柱长度的0.1～0.9倍。
所述步骤2中，柱体套筒2内直径尺寸较螺柱502外直径尺寸大0.05～2mm，柱体套筒2深度较螺柱502长度短0～10mm；柱体套筒2厚度在1～20mm之间；对于方形柱和变径柱柱体，柱体套筒2内尺寸最细位置应大于方形柱、变径柱柱体最大位置尺寸，以保证柱体套筒2能充分固定内部待焊接柱体。
所述步骤3中，摩擦螺柱焊接装置的旋转速度在30～30000rpm之间，下压速度在0.2～100mm/min之间，柱体套筒2端面与基板501接触距离(压入量)在-1.0～2.0mm之间。
所述步骤3中，柱体套筒2端面的铣削刀具与基板501表面相接触时，立即停止加压防止铣刀对基板进行铣削。
所述步骤3中，对空心柱体施焊时，柱体端面与基板接触后施加的压力及急停后施加的顶锻力小于对应尺寸的实心柱体，防止焊接过程中发生变形及断裂。
以上对本发明所提出的一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接装置与方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (2)
1.一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接方法，所述方法使用的约束式摩擦螺柱焊接装置由加持柄(1)、柱体套筒(2)、紧固螺栓(3)、螺柱(502)和铣削刀具(4)组成；所述加持柄(1)与柱体套筒(2)轴线上连接为一体，加持柄(1)外侧与柱体套筒(2)内表面均具有安装平面结构；紧固螺栓(3)位于柱体套筒(2)侧面，螺柱(502)侧面铣有平面，安装时紧固螺栓(3)端面与螺柱(502)安装平面接触，通过紧固螺栓(3)的调整，实现内部螺柱(502)的装夹和拆卸工作；螺柱(502)位于柱体套筒(2)内部，且螺柱(502)伸出柱体套筒(2)端面一定长度；铣削刀具(4)位于柱体套筒(2)外侧且同心同轴，铣削刀具(4)刀刃与柱体套筒(2)端面位于同一平面，在焊接过程中可有效去除摩擦螺柱焊过程中螺柱(502)外形成的飞边缺陷，实现表面形状的控制；所述柱体套筒(2)的材质包括高速工具钢、热作模具钢、硬质合金和聚晶立方氮化硼，该材质的硬度和熔点高于螺柱，减少摩擦螺柱焊接装置的磨损；所述螺柱(502)伸出柱体套筒(2)的长度为1～10mm；所述螺柱(502)侧面有安装平面，安装时紧固螺栓(3)端面与螺柱(502)安装平面接触，保证焊接过程中螺柱(502)与摩擦螺柱焊接装置同步旋转；所述的柱体套筒(2)端面的孔洞数可在1～10个之间，同时具备实现1个或多个螺柱(502)同步焊接的效果；其特征在于：所述一种同步控形控性处理的约束式摩擦螺柱焊接方法包括以下步骤：
步骤1、焊前清理：先通过机械打磨除去待焊基板(501)表面的氧化膜，擦拭待焊基板(501)表面，去除油污和金属粉尘异物；
步骤2、依据螺柱(502)尺寸，优化设计柱体套筒(2)内部尺寸与外部尺寸，柱体套筒(2)与螺柱(502)间隙配合，螺柱(502)背部与柱体套筒(2)底部接触，螺柱(502)顶端露出柱体套筒(2)一定长度；安装侧顶螺栓，使其与螺柱(502)接触，防止焊接过程中螺柱(502)与柱体套筒(2)的相对运动；
螺柱(502)直径在0.2～100mm之间，螺柱(502)长度在5～500mm之间，中空螺柱内径尺寸为螺柱外径0.5～0.9倍，中空螺柱内部深度为螺柱长度的0.1～0.9倍；
柱体套筒(2)内直径尺寸较螺柱(502)外直径尺寸大0.05～2mm，柱体套筒(2)深度较螺柱(502)长度短0～10mm；柱体套筒(2)厚度在1～20mm之间；对于方形柱和变径柱柱体，柱体套筒(2)内尺寸最细位置应大于方形柱、变径柱柱体最大位置尺寸，以保证柱体套筒(2)能充分固定内部待焊接柱体
步骤3、将基板(501)固定在工作台上，柱体套筒(2)、螺柱(502)和铣削刀具(4)以一定的速度旋转并逐渐靠近基板(501)；螺柱(502)顶端与基板(501)接触后，继续施加压力以增加螺柱(502)与基板(501)之间的摩擦热，直至柱体套筒(2)端面的铣削刀具(4)与基板(501)表面接触时，停止加压并保持一段时间，柱体套筒(2)外侧与铣削刀具(4)同步作用处理飞边缺陷，实现螺柱(502)焊控形的效果；最后采取急停措施并继续以大压力顶锻一段时间后，完成整个螺柱(502)焊接过程；焊接完成后依次取出侧顶螺栓，回抽柱体套筒(2)，即可获得摩擦螺柱焊接头(5)；
对空心柱体施焊时，柱体端面与基板接触后施加的压力及急停后施加的顶锻力小于对应尺寸的实心柱体，防止焊接过程中发生变形及断裂。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，摩擦螺柱焊接装置的旋转速度在30～30000rpm之间，下压速度在0.2～100mm/min之间，柱体套筒(2)端面与基板(501)接触距离在-1.0～2.0mm之间。
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