一種回填式攪拌摩擦點焊方法技術

一種回填式攪拌摩擦點焊方法，其特點是，在工件上板焊點處設置圓形凸塊；焊接時使攪拌頭的壓緊環與上板接觸并包圍凸塊，攪拌針和套筒與凸塊接觸；伴隨對壓緊環外側上板施加超聲振動，通過套筒和攪拌針旋轉使焊接區域材料塑化，然后套筒下扎穿透上板并扎入下板一定深度，攪拌針伴隨套筒下扎回抽，套筒達到設計下扎深度后套筒和攪拌針移回初始位置，在初始位置繼續旋轉并下壓，使焊接部位表面平整，攪拌頭停止旋轉后超聲振動繼續施加一定時間。該方法利用凸塊補償可消除焊后焊接部位出現的凹陷；通過超聲振動可增強材料流動和上下板之間的材料交換，提高接頭質量；焊后繼續施加超聲振動可減小焊接部位的殘余應力。

Backfill type stirring friction spot welding method

A friction spot welding method, which is characterized in that the workpiece on board is arranged at the solder joint circular lug; welding the clamping ring of the mixing head in contact with the upper plate and surrounding the lug, pin and sleeve and bump contact; with ultrasonic vibration of the pressing ring on the outer side plate, and through the sleeve the pin rotates the welding area of plastic materials, and then penetrate the upper plate and the sleeve down into the plate under certain depth, mixing with needle sleeve ligation under pumpback, sleeve to reach the design depth down the sleeve and the pin moves back to its original position, and continues to rotate under pressure in the initial position, the welding surface parts the stirring head stops rotating after ultrasonic vibration is applied to time. The method using convex block compensation can eliminate welding after welding parts of depression; the ultrasonic vibration can enhance the material flow between the upper and lower plate material exchange, improve the quality of welding joints; continue after ultrasonic vibration can reduce the welding residual stress.

【技術實現步驟摘要】
一種回填式攪拌摩擦點焊方法
本專利技術涉及攪拌摩擦焊接，特別是一種回填式攪拌摩擦點焊方法。
技術介紹
回填式攪拌摩擦點焊(Refillfrictionstirspotwelding,RFSSW)是德國GKSS中心于2002年提出的一種新的點焊技術。RFSSW因焊后無匙孔而受到國內外學者的廣泛關注，并于近年來逐漸發展成為一種可代替鉚接和電阻點焊等傳統點焊方法的新技術，被廣泛用于航空航天、汽車、造船等領域鋁合金、鎂合金等常用輕質金屬的焊接。目前RFSSW還存在以下尚未解決的技術問題：1、受RFSSW攪拌頭的特殊結構和運動方式的限制，焊點中心的材料流動速度往往較低，從而導致晶粒較粗大、連接韌帶與母材混合不充分等現象。2、焊接過程中較快的套筒回抽速度可導致接頭近表面區域焊核區與熱機影響區的材料接觸時間較短，原子擴散程度較弱，易導致焊后產生撕裂型缺陷。3、由于RFSSW攪拌頭的攪拌針外壁和套筒外壁均帶有螺紋槽且攪拌頭各組件之間采用間隙配合，焊接過程中一部分塑性材料會被“困”在攪拌頭的間隙中，在焊后難以被回填至接頭，導致焊后表面出現凹陷。
技術實現思路
為解決上述現有技術存在的問題，本專利技術提供一種可提高焊點中心材料流動速度、消除焊核區和熱機影響區界面的撕裂型缺陷和焊后表面凹陷的回填式攪拌摩擦點焊方法。本專利技術提供的回填式攪拌摩擦點焊方法，包括以下步驟：步驟1、在待焊工件的上板的焊點位置設置圓形凸塊，該圓形凸塊可在上板加工時預留或在焊接時外置；圓形凸塊的高度可根據不同工件的上板和下板的厚度及焊接過程中不同下壓量所導致的材料損失量在0.1mm-2mm范圍內選取；準備攪拌摩擦點焊所用攪拌頭：攪拌頭包括攪拌針，套在攪拌針上的套筒和套在套筒外的壓緊環；所述圓形凸塊的直徑與套筒的外徑相同；步驟2、將待焊工件的上板和下板的焊接區域用砂紙打磨干凈，然后將上板和下板的焊接區域上下搭接固定在工作臺上；步驟3、將攪拌頭移到上板和下板的待焊區域，使攪拌頭的壓緊環的下端面與上板的上表面接觸(壓緊環自始至終不轉動)，并包圍所述圓形凸塊，套筒和攪拌針的下端面與圓形凸塊的上表面相接觸；步驟4、將四個超聲振動裝置的超聲振幅桿與壓緊環外側的上板表面相接觸，使超聲波直接作用在上板表面的該區域，超聲波的頻率為20～80KHz、振幅為20～60μm(工件越厚、硬度越大頻率越高，振幅越大)，調整超聲振幅桿與上板表面間的夾角，使其在橫向和豎向的振動效果達到最大；步驟5、使攪拌頭的套筒和攪拌針以100～7000rpm的轉速(工件越厚、硬度越高該轉速越高)旋轉1～500s(該時間決定于工件的材質和焊接區域的尺寸大小)，使工件的焊接區域塑化(以保證套筒能夠順利扎入)；步驟6、工件的焊接區域塑化后，在保持攪拌針和套筒繼續旋轉的同時，使套筒以0.1～10mm/min的速度下扎，穿透上板并扎入下板一定深度(該深度根據下板的厚度確定)，攪拌針則伴隨套筒的下扎回抽，回抽速度與套筒內被套筒下扎擠入的塑化材料的上升速度相同；與此同時，壓緊環以5～30kN的下壓力壓緊上板和下板，以防止塑化材料溢出；步驟7、當套筒達到設定下扎深度時停止下扎，攪拌針同時停止回抽；套筒和攪拌針以100～3000rpm的轉速(工件導熱率越低該轉速越低)繼續旋轉0～5min(工件材料導熱率越高該時間越長，導熱率極低時該時間為0)，使工件的整個焊接區域得到充分加熱，呈良好塑化狀態；步驟8、然后使套筒和攪拌針以100～7000rpm的轉速(工件材質粘度越高該轉速越低)同時向其初始位置移動(即套筒向上移動，攪拌針向下移動)，此時套筒內被套筒向上擠入的塑性材料被攪拌針向下壓入上板和下板接頭部位；步驟9、套筒和攪拌針回到初始位置后原地繼續旋轉0～5min，然后使旋轉的套筒和攪拌針一起下壓，下壓量與圓形凸塊的高度相同，使套筒和攪拌針的下端面與上板的上表面一平；套筒和攪拌針繼續旋轉0～5min，使工件焊接部位表面成型平整；步驟10、攪拌頭停止旋轉并移走；超聲振動裝置繼續施加1～1000s(工件材質塑性越低時間越長)超聲振動后亦移走，整個焊接過程到此結束。本專利技術的有益效果：1、利用圓形凸塊可補償焊后因攪拌頭本身間隙所造成的材料損失，消除焊后焊接部位表面出現的凹陷。2、本專利技術將超聲振動施加在壓緊環外側的上板表面上，可起到增強焊接過程中材料流動速度、增強上下板間材料交換、增強焊核區與熱機影響區界面原子擴散和增大焊點面積的作用，使焊接接頭組織一致，提高剪切斷裂模式下的接頭性能。3、通過焊后繼續施加一定時間超聲振動，可減小接頭的殘余應力，減小接頭變形，同時減小近表面區域熱機影響區與焊核區界面缺陷的產生，進一步提高接頭質量。4、焊接最后，使攪拌針和套筒一起下壓，直至二者的下端面與上板上表面一平，可給焊核區增加一較大的鍛造力，增強上下板之間材料的結合牢度，進一步提高接頭質量。5、本專利技術適用于鎂合金、鋼、鈦等同一種材料及其與異種材料復合的RFSSW過程，適用范圍廣。附圖說明圖1是本專利技術中待焊工件的示意圖；圖2是本專利技術攪拌頭和超聲振動裝置的安裝示意圖；圖3是圖2的俯視圖；圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)、圖4(e)、圖4(f)為本專利技術的實施步驟參考圖(只顯示一個超聲振動裝置)。圖中:1.圓形凸塊，2-上板，3-下板，4-攪拌針，5-套筒，6-壓緊環，7-超聲振幅桿，8-超聲換能器，9-超聲波發生器，10-墊板。具體實施例以下結合附圖和實施例對本專利技術做進一步描述。本實施例是采用本專利技術方法焊接圖1所示工件，該工件為2024-T4鋁合金板，其上板2和下板3的厚度分別為2mm，上板的焊接部位有加工時預留的圓形凸塊1，圓形凸塊的直徑為9mm，高度為0.2mm。焊接操作步驟如下：步驟1、選用攪拌頭，攪拌頭如圖2和圖3所示，其攪拌針4的直徑為5mm，外壁帶有右旋螺紋(未圖示)；攪拌針的套筒5的內外徑尺寸分別為5.2mm和9mm，套筒的外壁帶有右旋螺紋(未圖示)，套筒外的壓緊環6的內徑和外徑分別為9.2mm和14.5mm，套筒與攪拌針外壁和壓緊環內壁的間隙分別為0.2mm，壓緊環的外徑為14.5mm，壓緊環的內外壁無螺紋；步驟2、將待焊工件的上板和下板的焊接區域用砂紙打磨干凈，然后將上板和下板的待焊接區域上下搭接后通過墊板10放在工作臺(未圖示)上，并用壓塊(未圖示)固定好；步驟3、如圖2和圖3所示，將攪拌頭移到上板和下板的待焊區域，使攪拌頭的壓緊環的下端面與上板的上表面接觸(壓緊環自始至終不轉動)，并包圍所述圓形凸塊，攪拌針和套筒的下端面與圓形凸塊的上表面相接觸；步驟4、如圖2和圖3所示，將四個分別由超聲波發生器9、超聲換能器8和超聲振幅桿7構成的超聲振動裝置的超聲振幅桿與壓緊環外側的上板表面相接觸，使超聲波直接作用在上板表面的該區域，超聲波的頻率為30KHz、振幅為50μm，調整超聲振幅桿與上板表面間的夾角為45°，使其在橫向和豎向的振動效果達到最大；步驟5、如圖4(a)所示，使攪拌頭的套筒和攪拌針以2000rpm的轉速旋轉10s，使工件的焊接區域塑化(以保證套筒能夠順利扎入)。步驟6、、如圖4(a)和圖4(b)所示，工件的焊接區域塑化后，在保持攪拌針和套筒繼續旋轉的同時，使套筒以0.6mm/min的速度下扎，套筒的下扎量為2.4本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種回填式攪拌摩擦點焊方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、在待焊工件的上板(2)的焊點位置設置圓形凸塊(1)，該圓形凸塊可在上板加工時預留或在焊接時外置；圓形凸塊的高度可根據不同工件的上板和下板(3)的厚度及焊接過程中不同下壓量所導致的材料損失量在0.1mm?2mm范圍內選??；準備攪拌摩擦點焊所用攪拌頭：攪拌頭包括攪拌針(4)，套在攪拌針上的套筒(5)和套在套筒外的壓緊環(6)；所述圓形凸塊的直徑與套筒的外徑相同；步驟2、將待焊工件的上板和下板的焊接區域用砂紙打磨干凈，然后將上板和下板的焊接區域上下搭接固定在工作臺上；步驟3、將攪拌頭移到上板和下板的待焊區域，使攪拌頭的壓緊環的下端面與上板的上表面接觸，并包圍所述圓形凸塊，套筒和攪拌針的下端面與圓形凸塊的上表面相接觸；步驟4、將四個超聲振動裝置的超聲振幅桿(7)與壓緊環外側的上板表面相接觸，使超聲波直接作用在上板表面的該區域，超聲波的頻率為20～80KHz、振幅為20～60μm，調整超聲振幅桿與上板表面間的夾角，使其在橫向和豎向的振動效果達到最大；步驟5、使攪拌頭的套筒和攪拌針以100～7000rpm的轉速旋轉1～500s，使工件的焊接區域塑化；步驟6、工件的焊接區域塑化后，在保持攪拌針和套筒繼續旋轉的同時，使套筒以0.1～10mm/min的速度下扎，穿透上板并扎入下板一定深度，攪拌針則伴隨套筒的下扎回抽，回抽速度與套筒內被套筒下扎擠入的塑化材料的上升速度相同；與此同時，壓緊環以5～30kN的下壓力壓緊上板和下板，以防止塑化材料溢出；步驟7、當套筒達到設定下扎深度時停止下扎，攪拌針同時停止回抽；套筒和攪拌針以100～3000rpm的轉速繼續旋轉0～5min，使工件的整個焊接區域得到充分加熱，呈良好塑化狀態；步驟8、然后使套筒和攪拌針以100～7000rpm的轉速同時向其初始位置移動，此時套筒內被套筒向上擠入的塑性材料被攪拌針向下壓入上板和下板接頭部位；步驟9、套筒和攪拌針回到初始位置后原地繼續旋轉0～5min，然后使旋轉的套筒和攪拌針一起下壓，下壓量與圓形凸塊的高度相同，使套筒和攪拌針的下端面與上板的上表面一平；套筒和攪拌針繼續旋轉0～5min，使工件焊接部位表面成型平整；步驟10、攪拌頭停止旋轉并移走；超聲振動裝置繼續施加1～1000s超聲振動后亦移走，整個焊接過程到此結束。...

【技術特征摘要】
1.一種回填式攪拌摩擦點焊方法，其特征在于，包括以下步驟：步驟1、在待焊工件的上板(2)的焊點位置設置圓形凸塊(1)，該圓形凸塊可在上板加工時預留或在焊接時外置；圓形凸塊的高度可根據不同工件的上板和下板(3)的厚度及焊接過程中不同下壓量所導致的材料損失量在0.1mm-2mm范圍內選取；準備攪拌摩擦點焊所用攪拌頭：攪拌頭包括攪拌針(4)，套在攪拌針上的套筒(5)和套在套筒外的壓緊環(6)；所述圓形凸塊的直徑與套筒的外徑相同；步驟2、將待焊工件的上板和下板的焊接區域用砂紙打磨干凈，然后將上板和下板的焊接區域上下搭接固定在工作臺上；步驟3、將攪拌頭移到上板和下板的待焊區域，使攪拌頭的壓緊環的下端面與上板的上表面接觸，并包圍所述圓形凸塊，套筒和攪拌針的下端面與圓形凸塊的上表面相接觸；步驟4、將四個超聲振動裝置的超聲振幅桿(7)與壓緊環外側的上板表面相接觸，使超聲波直接作用在上板表面的該區域，超聲波的頻率為20～80KHz、振幅為20～60μm，調整超聲振幅桿與上板表面間的夾角，使其在橫向和豎向的振動效果達到最大；步驟5、使攪拌頭的套筒和攪拌針以100～7000rpm的轉速旋轉1...

【專利技術屬性】
技術研發人員：姬書得，李政瑋，岳玉梅，馬琳，張利國，呂贊，
申請(專利權)人：沈陽航空航天大學，
類型：發明
國別省市：遼寧,21