[发明专利]一种搅拌摩擦点焊技术

说明书

技术领域：

本发明涉及一种新的金属材料连接方法。

背景技术：

随着汽车工业的发展，普通钢板已不能满足汽车轻量化发展趋势要求。各种有色金属材料逐渐在汽车制造业得到了应用，但是有色金属焊接性较差，使得有色金属在汽车制造领域的应用得到了限制。英国焊接研究所(The WeldingInstitute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法——搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)，此技术原理简单、控制参数少、易于自动化、无辐射、可将焊接过程中的人为因素降到最低。该技术为一种低温固相连接技术，焊接过程中不产生金属的熔化，适用于难以用熔化焊焊接的低熔点合金，目前各国都在竞相研发，在航空、船舶、高速列车、装甲战车等领域有着广泛的应用。随着搅拌摩擦焊技术研究的进一步深入，在此技术基础之上，提出了搅拌摩擦焊点焊技术(Friction Stir Spot Welding，简称FSSW)。搅拌摩擦点焊技术与搅拌摩擦焊技术区别在于搅拌摩擦点焊没有沿焊缝纵向的移动，并且在点焊过程中搅拌头无(焊接方向)倾角。搅拌摩擦点焊技术综合了传统点焊过程及搅拌摩擦焊技术的热源产生方式，在摩擦热及塑性变形能的作用下，形成了牢固连接的点接头。过去，车身板材的连接采用电阻点焊技术，焊接过程需要大型专用设备来提供持续的大电流。而采用搅拌摩擦点焊只需要一个非消耗的搅拌头，旋转着插入待焊工件，通过搅拌头与工件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，通过搅拌头施加的锻压力形成可靠的连接。采用搅拌摩擦点焊唯一的能量消耗是驱动搅拌头旋转以及施加锻压力所消耗的电能，整个焊接过程不需要传统电阻点焊所必须的大电流以及压缩空气。采用搅拌摩擦点焊技术焊接铝合金节约了99％的能量消耗。并且由于不需要大型的供电设备以及专用的点焊设备，设备成本降低了40％。并且焊接过程中无飞溅、烟尘，使焊接过程更绿色环保、焊接环境更安全。搅拌摩擦点焊也存在一些缺点：其一，焊后压入坑深；其二，表面挤出物多；因此给后续处理工作带来了巨大的麻烦。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在焊后压入坑深，表面挤出物的多问题，提出了一种新的搅拌摩擦点焊技术，解决了搅拌摩擦点焊压入坑深、挤出物多的缺点，大大降低了后续处理的工作量。本发明一种搅拌摩擦点焊技术采用搅拌头，旋转着插入待焊工件，通过搅拌头与工件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，通过搅拌头施加的锻压力形成可靠的连接，其特点在于通过装置从两面同时搅拌摩擦点焊加工；并且本发明的施焊部分主要包括四个部分，即上、下搅拌头和上、下轴肩。所述上、下轴肩设计在搅拌头的周围，可以在施焊时对待焊件施加一定的压力F₂和高速旋转，其作用主要是：一是防止塑性金属外溢；二是与待焊件表面摩擦产生热量，补偿实现高质量焊接所需的一部分热量。本发明施焊时，上、下轴肩按一定的方向旋转，且旋转方向可以是同向也可以是逆向旋转；而上、下搅拌头加载压力F₁，F₁大于F₂，上、下搅拌头旋转方向与轴肩旋转方向相同或者相反，使上、下搅拌头插人待焊件1、2到一定的深度并维持一段时间，通过上、下轴肩和上、下搅拌头与1、2待焊件表面摩擦，把产生的热量传入给待焊件1、2，使待焊件1、2接触面处在热——机作用下形成高质量焊点，焊接完成后，上、下搅拌头先卸载拔出，然后上、下轴肩卸载，并停止旋转，双面搅拌摩擦点焊与现有的搅拌摩擦点焊技术的主要区别在于：1、双面搅拌摩擦点焊过程的摩擦热及塑性变形能是从上下两面产生的；2、双面搅拌摩擦点焊技术上、下的搅拌头周围有可以自由旋转的轴肩，轴肩的旋转可以补充在双面搅拌摩擦点焊过程中搅拌头产热的不足；正是由于这些区别，不仅可以使焊接表面的压入坑和挤出物都减少一半而且使焊接过程的产热提高一倍。因而双面搅拌摩擦焊不仅可以克服单面搅拌摩擦点焊的缺点还可以提高生产率。

附图说明：

图1：双面搅拌摩擦点焊前搅拌头及轴肩与工件相对位置；

图2：双面搅拌摩擦点焊时搅拌头及轴肩与工件相对位置及搅拌头与轴肩旋转方向和加载压力；

图3：双面搅拌摩擦点焊完成后，搅拌头拔出过程；

具体实施方式：

本发明是通过设计上、下两个轴肩和上、下两个搅拌头，通过上、下轴肩与搅拌头同时旋转与加压，使被焊件在热——机联合作用下形成高质量焊点。

图1为双面搅拌摩擦点焊原理图，1和2为待焊件，3为上轴肩，4为上搅拌头，5为下轴肩，6为下搅拌头。由图1所示的双面搅拌摩擦点焊焊接过程原理图的设备参数包括：压力F₁，F₂；轴肩3、5旋转速度ω₁；搅拌头4、6旋转速度ω₂，及水平移动速度V；搅拌头4、6及轴肩3、5上下移动行程S；搅拌头4、6的插入深度h、插入速度v₁、插入停留时间t、搅拌头的回抽速度v₂；以及上下搅拌头同轴度等参数。压力F₁(用于焊接)取值范围为：1470-5880N；压力F₂(用于产热和防止塑性金属外溢)取值可略小，范围可定为1000-5000N；搅拌头旋转速度ω₂范围：0-4500RPM；轴肩的旋转速度ω₁(旋转方向和ω2相反)范围：0-4500RPM；搅拌头及轴肩上下移动行程S和搅拌摩擦点焊试样的厚度有直接的关系，在试验时一般用到的板材的厚度范围为1mm～10mm，因此在焊前轴肩之间的间距要大于20mm，焊接时间距能夹紧达到2mm左右，故要求轴肩的间距在0-30mm之间可变化，即上、下轴肩上下移动的行程均选为0-15mm；上搅拌头的插入深度h＝上搅拌头下移距离与上轴肩下移距离的差值；与板厚相关，板厚度越大插入的深度可选择越大。插入的时间可在0.1-1.0s变化；插入停留时间t指搅拌头到位后停留的时间，对接头的质量有直接的影响，可选择插入停留时间可在0.1-1.0s变化；由于双面搅拌摩擦点焊时是上下点焊同时进行，并且加载的力较大，因此在焊接时要求上下搅拌头的同轴度好。如图1所示施焊前，将待焊件1和2搭接，通过上、下轴肩施加一定的压力F₁于待焊件上；如图2所示，施焊时，上、下轴肩按一定的方向旋转，而上、下搅拌头加载压力F₁，F₁大于F₂，且上、下搅拌头旋转方向与轴肩旋转方向相反，使上、下搅拌头插人待焊件1、2到一定的深度并维持一段时间，通过上、下轴肩和上、下搅拌头与1、2待焊件表面摩擦，把产生的热量传入给待焊件1、2，使待焊件1、2接触面处在热——机作用下形成高质量焊点；如图3所示，焊接完成后，上、下搅拌头先卸载拔出，然后上、下轴肩卸载，并停止旋转。