[发明专利]材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法

说明书

本发明涉及材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，摩擦点焊工具包括由外到内依次嵌套的压紧套、中空回填内套环和中心轴；中心轴包括本体和焊接部位，焊接部位固连于本体一端；本体为圆柱体，本体的外径尺寸与中空回填内套环的内径尺寸相匹配；焊接部位的横截面的面积小于本体的横截面的面积，在焊接部位的外侧壁与中空回填内套环的内侧壁之间形成能容纳连续继承填充材料的空腔。本发明的材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，解决传统回填式摩擦点焊技术套环下压方式存在的焊点竖直界面弱连接、中心轴下压方式存在的下压阻力大、焊点回填成形不良导致的焊点力学性能一致性差、可靠性不足等问题。

技术领域

本发明涉及搭接点焊接技术，具体涉及一种材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法。

背景技术

在航空航天、汽车、轨道交通等领域，轻量化要求使得铝合金结构被越来越广泛使用，而铝合金点连接结构作为一种重要的轻质高强结构，受到广泛关注。对于这类结构传统的连接方法包括焊接、机械连接等。焊接由于具有更高的连接强度、更好的耐腐蚀性能、简单的工艺过程及结构减重性能等，是此类结构的理想连接手段。但是传统的电阻点焊方法，由于铝合金表面氧化膜的存在及铝合金高导热、高导电性能等特性，使得铝合金电阻点焊的可靠性一直难以获得理想的效果，这些问题限制了电阻点焊方法的应用。固相焊接技术则因为避免了基于材料熔化的焊接方法存在的诸多问题而受到广泛关注。搅拌摩擦点焊技术、回填式摩擦点焊技术是典型的固相焊接技术。

搅拌摩擦点焊技术由搅拌摩擦焊技术发展而来，其优点是焊接过程简单、高效，但会在工件表面留下搅拌针的退出孔，并且由于退出孔的存在也降低了焊点的连接性能，目前在一些对焊点表面及力学性能要求不高的场合获得了应用。回填式摩擦点焊技术是德国GKSS研究中心(HZG)开发的一项固相点焊技术，其焊接工具由中心轴、内套环、压紧套三个部件组成，压紧套对被焊工件进行压紧拘束，焊接时，一般是内套环旋转下压，同时中心轴回抽容纳内套环下压挤出的材料；当内套环下压到预设深度时开始回抽，此时中心轴下压，将挤出的材料回填到工件中，最终获得表面平整的焊点。这种焊接方法解决了搅拌摩擦点焊方法焊点表面存在匙孔的问题，但由于材料回填时与焊点周围母材的接触时间短、温度低，且没有材料传质，此处极易产生弱结合缺陷。这种缺陷使得焊点正拉强度低、一致性差，限制了其工程应用。而中心轴下压的焊接方法，由于中心轴端面为平面且摩擦线速度低，在下压过程中会受到极大的阻力；另一方面，由两侧向中心填充的材料相对较多，很难获得成形良好的焊点外观。因此，通常情况下，填充式摩擦点焊更多地采用内套环下压的方式进行焊接。

为了降低中心轴下压焊接方式存在阻力较大的问题，并增强焊接过程的材料搅拌作用，改进的填充式摩擦点焊方法(ZL 201410077971.6；ZL201410077972.0)将中心轴设计为非圆柱形状，与相应的套环形状配合进行焊接。这种方法在一定程度上增强了焊接过程的材料流动驱动力，但由于材料流动空间与原有的填充式摩擦点焊相比没有发生根本变化，且异型的焊接中心轴与内套环在加工成本、加工配合精度方面存在困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种材料连续继承填充摩擦点焊工具及方法，解决传统回填式摩擦点焊技术存在的焊点竖直界面弱连接导致的焊点力学性能一致性差、可靠性不足等问题。

为了达到上述的目的，本发明提供一种材料连续继承填充摩擦点焊工具，包括由外到内依次嵌套的压紧套、中空回填内套环和中心轴；所述中心轴包括本体和焊接部位，所述焊接部位固连于所述本体一端；所述本体为圆柱体，所述本体的外径尺寸与所述中空回填内套环的内径尺寸相匹配；所述焊接部位的横截面的面积小于所述本体的横截面的面积，在所述焊接部位的外侧壁与所述中空回填内套环的内侧壁之间形成能容纳连续继承填充材料的空腔。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述焊接部位的横截面呈中心对称形状，在所述焊接部位的外侧壁与所述中空回填内套环的内侧壁之间至少形成两个所述空腔。

上述材料连续继承填充摩擦点焊工具，其中，所述焊接部位的横截面的图案为正三角形、十字形、刀刃形或中心对称月牙形。