[发明专利]一种自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊工具和方法

说明书

一种自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针、搅拌套和压紧环；其中，搅拌针位于搅拌套内部，搅拌针和搅拌套的端面采用凸曲面结构，搅拌针和搅拌套的端面的交接区保持相同曲面特征；压紧环套在搅拌套外。本发明同时提供了使用自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊工具进行搅拌摩擦点焊的方法，实现自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊连接，保证点焊结构焊接成形和力学性能稳定可靠。

技术领域

本发明涉及金属焊接领域，具体而言，特别涉及带间隙结构装配的一种回填式搅拌摩擦点焊工具和焊接方法。

背景技术

回填式搅拌摩擦点焊是由德国HZG研究中心发明的固相连接技术，该技术使用的点焊工具为分体式结构，由搅拌针、搅拌套和压紧环三部分组成。精确控制点焊工具三部分组件的相对运动和位移是实现工件的有效焊接的关键，焊接过程首先使高速旋转的搅拌套扎入待焊工件，利用摩擦和塑性变形产热使待焊工件材料充分软化并存储在搅拌针回抽形成的容腔内，然后在逐步回撤搅拌套时下压搅拌针，将软化的塑性金属回填，从而形成点焊接头。此方法可获得完全固相焊接接头组织，对于热敏感的高强金属材料点焊具有重要优势。

然而，回填式搅拌摩擦点焊使用的点焊工具均采用平端面结构，焊接过程对工具组件的位移和压力控制要求极高，且焊后表面极易形成“突变”的凹槽缺陷，严重削弱点焊力学性能，而且，搅拌套外径作用区为焊点承载的关键界面区，但是传统平直角的搅拌套作用区域极易出现孔洞和弱结合等缺陷。此外，大型钣金结构与小型标准化支架的焊接作为一种典型的工业结构形式，如航天大直径运载火箭贮箱内壁与附件支架的点焊，由于大结构本身的弱刚性和复杂多曲率特征使得其与附件装配间隙在所难免，且不同部位的间隙差异显著。这类结构采用传统回填式搅拌摩擦点焊方法焊接时，表面更易形成“突变”凹槽缺陷，同时，由于无法实现带间隙自适应装配和回弹补偿，导致了焊点金属材料回填损失严重和残余应力偏高等问题，严重影响了结构的承载性能，也限制了该技术的推广应用，因此亟需寻找一种改进的焊接工艺方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明是针对存在装配间隙的点焊结构需求，提出一种自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊工具和方法，实现自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊连接，保证点焊结构焊接成形和力学性能稳定可靠。

本发明所采用的技术方案是：一种自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针、搅拌套和压紧环；其中，搅拌针位于搅拌套内部，搅拌针和搅拌套的端面采用凸曲面结构，搅拌针和搅拌套的端面的交接区保持相同曲面特征；压紧环套在搅拌套外。

搅拌套的端面为纯球面或中心为球面与外边缘为平台的组合或中心为球面与外边缘为过渡弧面的组合，搅拌套的凸曲面理论顶点到轴肩的高度为H，H取值范围为0.3～2.2mm。

搅拌针的直径D₁为第一工件厚度h的1.5～3倍。

搅拌套的内径D₂为搅拌针的直径D₁的1.1～1.2倍，外径D₃为搅拌针的直径D₁的2～3倍。

压紧环的内径D₄为直径D₁的2～3倍，外径D₅为直径D₁的3～4倍。

使用所述的点焊工具进行自适应装配间隙的搅拌摩擦点焊方法，包括以下步骤：

步骤一：将点焊工具的搅拌针、搅拌套和压紧环端面与第一工件形成接触但不施加预压力，定位接触零面为压紧环与第一工件的接触面E面；

步骤二：将点焊工具的搅拌针、搅拌套和压紧环以0.2～0.5mm/s速度同步下压，将第一工件和第二工件压紧，记录下压位移W；