一种随焊填充式无匙孔搅拌摩擦焊接工具及方法

摘要

一种随焊填充式无匙孔搅拌摩擦焊接工具及方法，焊接工具包括轴肩、插接在轴肩的中心通孔内的搅拌针及插接在搅拌针的中心通孔内的压杆，所述轴肩、搅拌针和压杆均为回转体，所述轴肩的中心通孔直径与搅拌针的外径相同，所述搅拌针的中心通孔直径与压杆的直径相同，所述搅拌针的下端部开设有螺纹，并沿水平方向开设有至少一个水平通孔。焊接方法包括：1.调整焊接工具相对位置；2.预装填充材料；3.焊接工具下压；4.进行焊接；5.匙孔填补；6.匙孔铣平。本发明的结构简单可靠、制造容易、使用效果好，生产效率高，能够有效地实现搅拌摩擦焊接缺陷的随焊消除及尾部匙孔的自动填补。

说明书

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体是涉及一种能够实现随焊材料填充的无匙孔搅拌摩擦焊接工具及焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，具有焊接质量高，焊接变形小，无环境污染等诸多优势，特别适合于焊接铝合金、镁合金等低熔点金属。但该技术应用于实际生产时存在两个关键技术问题难以克服：1.由于实际工况的限制，被焊工件装卡不严格、焊接工具及工艺选择不当，导致焊接时塑性材料不足以填满搅拌针所形成的瞬时空腔，从而形成表面沟槽或内部孔洞缺陷。2.在焊接结束阶段，搅拌头的抽出会在焊缝尾部会留有一定尺寸的匙孔。以上两个问题将严重降低接头力学性能，不利于搅拌摩擦焊接头承载可靠性。

为了修补焊接缺陷或焊缝尾部匙孔，通常在焊后采用固相或熔化焊接的方法对缺陷或匙孔进行重新填补。例如，申请号为CN201610725054.3的中国发明专利申请，公开了一种在焊后采用与被焊材料等强填补塞头的方法对匙孔进行填补的方法，但该方法需要额外独立的的填补工序及专用塞头。专利号为CN201410679611.3的中国发明专利，提出焊后在缺陷位置采用摩擦塞棒对缺陷进行固相填补，但该方法工序及设备结构复杂，成本较高。申请号为CN201610624939.4的中国发明专利申请采用电子束焊接的方法对搅拌摩擦焊所产生的缺陷进行补焊，但该方法属于熔化焊方法，与搅拌摩擦焊形成的固相焊接组织不同，对接头力学性能不利，此外电子束焊接需要在真空环境下焊接，这限制了被焊工件的尺寸，同时增加成产成本。可见，以上方法均要在焊后采用专用设备对焊接缺陷或匙孔进行二次处理，增加了生产工序及成本，降低了生产效率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种生产效率高，使用效果好，能够有效消除及避免焊接缺陷的产生及并对焊缝尾部匙孔进行连续填充的搅拌摩擦焊接工具及焊接方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的随焊填充式无匙孔搅拌摩擦焊接工具，其特点是：包括轴肩、插接在轴肩的中心通孔内的搅拌针及插接在搅拌针的中心通孔内的压杆，所述轴肩、搅拌针和压杆均为回转体，其中所述轴肩的中心通孔直径与搅拌针的外径相同，所述搅拌针的中心通孔直径与压杆的直径相同，所述搅拌针的下端部开设有螺纹，并沿水平方向开设有至少一个水平通孔，所述轴肩、搅拌针及压杆分别与焊机相连并在焊机的驱动下实现旋转及移动。

为了使本发明具有最佳的使用效果，所述水平通孔只设置有一个。

本发明所述的随焊填充式无匙孔搅拌摩擦焊接方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、调整焊接工具相对位置：将轴肩及搅拌针的下端面调节到同一水平面，根据被焊板材的厚度T，调节压杆的位置，使压杆的下端面与搅拌针的中心通孔形成高度为H的空腔，H≥(D₁²-D₂²)T/D₂²；

步骤二、预装填充材料：在搅拌针的中心通孔与压杆形成的空腔内填入与被焊板材相同材料且高度为H的棒状填充材料，棒状填充材料与搅拌针的中心通孔呈过盈配合连接，同时棒状填充材料的上端面与压杆的下端面紧密接触；

步骤三、焊接工具下压：将焊接工具移至被焊板材的上方，使焊接工具轴线与被焊板材的对接面处于同一平面；启动焊机，使轴肩、搅拌针及压杆分别以ω₁、ω₂及ω₃的转速开始旋转，同时焊接工具整体以V₁的速度下压；当轴肩的下端面压入被焊板材的上表面0~0.5mm的深度后，轴肩停止向下运动，此时搅拌针以V₂的速度下扎，同时压杆以V₃的速度向上回抽，V₂/V₃≥D₂²/(D₁²-D₂²)；当搅拌针下扎距离为L时，搅拌针及压杆停止竖直方向运动，根据被焊板材的厚度T，确定搅拌针的下扎距离L=0.95T～0.99T；

步骤四、进行焊接：保持焊接工具旋转，焊接工具整体沿被焊板材的对接面以V₄的速度运动，同时压杆以V₅的速度旋转下压，V₅/V₄=0.001～0.1；

步骤五、匙孔填补：当焊接工具到达焊接终止点时，保持焊接工具旋转，此时搅拌针以V₆的速度向上回抽，同时压杆以V₇的速度下压，并满足V₆/V₇≤D₂²/(D₁²-D₂²)；当搅拌针回抽至其下端面与轴肩下端面处于同一平面时，搅拌针及压杆停止竖直方向的运动；

步骤六、匙孔铣平：保持焊接工具旋转，同时整体以V₈的速度沿被焊板材的对接面方向运动，直至轴肩的整体铣过匙孔初始位置后，焊接工具整体向上移动离开焊缝，焊接完成。

进一步地，上述步骤一中，H=2(D₁²-D₂²)T/D₂²。

进一步地，上述步骤三中，轴肩、搅拌针及压杆的旋向相同，且ω₁=ω₂=ω₃。

进一步地，上述步骤三中，当轴肩的下端面压入被焊板材的上表面0.2mm的深度后，轴肩停止向下运动。

进一步地，上述步骤三中，V₂/V₃=1.1D₂²/(D₁²-D₂²)。

进一步地，上述步骤三中，搅拌针的下扎距离L=0.98T。

进一步地，上述步骤四中，V₅/V₄=0.01。

进一步地，上述步骤五中，V₆/V₇=0.9D₂²/(D₁²-D₂²)。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：

1、本发明在焊接过程中采用压杆下压的方式将搅拌针中心通孔内的填充材料随焊连续填入焊缝的拌区域，以弥补焊缝材料的不足，有效避免焊接缺陷或对焊接缺陷实现随焊填补，可拓宽焊接工艺区间，降低对被焊板材的装卡要求，提高焊接效率；

2、本发明焊前在搅拌针中心通孔内预装填充材料，可保证有足够的材料弥补焊接过程中塑性材料溢出所造成的材料损失；

3、本发明在搅拌针端部设计了水平通孔，可较好的实现对焊缝中上部缺陷的随焊填补，同时搅拌针竖直中心通孔的设计，可较好的实现对焊缝底部缺陷的随焊填补，从而实现对焊接缺陷全方位填充；

4、本发明不需要额外工序，在焊接过程中过对组合式焊接工具相对位置的控制，能够实现对缺陷及匙孔的连续填充，并可自动进行匙孔铣平，填补效果好，生产效率高；

5、本发明搅拌针的中心通孔设计可显著降低搅拌针扎入被焊板材时所承受的压力，降低搅拌针磨损，增加其使用寿命；

6、本发明将轴肩及搅拌针采用分体式设计，可实现二者的同速、差速及逆向旋转，从而实现降低焊接载荷，改善接头组织及性能。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明焊接工具的整体结构示意图。

图2为本发明焊接工具的剖面图。

图3为本发明焊接工具下压阶段中焊接工具整体下压过程示意图。

图4为本发明焊接工具下压阶段中搅拌针下扎过程示意图。

图5为本发明焊接工具进行焊接阶段的示意图。

图6为本发明焊接工具进行匙孔填补阶段示意图。

图7为本发明焊接工具进行匙孔铣平阶段示意图。

具体实施方式

如图1-图2所示，本发明所述的随焊填充式无匙孔搅拌摩擦焊接工具，包括轴肩1、插接在轴肩1的中心通孔6内的搅拌针2及插接在搅拌针2的中心通孔4内的压杆3，所述轴肩1、搅拌针2和压杆3均为回转体，其中所述轴肩1的中心通孔6直径与搅拌针2的外径相同，所述搅拌针2的中心通孔4直径与压杆3的直径相同，所述搅拌针2的下端部开设有螺纹9，并沿水平方向开设有至少一个水平通孔5，所述轴肩1、搅拌针2及压杆3分别与焊机相连并在焊机的驱动下实现旋转及移动。为了使本发明具有最佳的使用效果，在本实施方式中，所述水平通孔5只设置有一个。当然，也可以根据实际的使用需要，设置二个或多个水平通孔5。

利用上述结构的焊接工具进行焊接的方法，包括以下步骤：

步骤一、调整焊接工具相对位置：将轴肩1及搅拌针2的下端面调节到同一水平面，根据被焊板材8的厚度T，调节压杆3的位置，使压杆3的下端面与搅拌针2的中心通孔4形成高度为H的空腔，H≥(D₁²-D₂²)T/D₂²，如图3所示，其中D₁为搅拌针2的外径，D₂为压杆3的直径；

步骤二、预装填充材料：在搅拌针2的中心通孔4与压杆3形成的空腔内填入与被焊板材8相同材料且高度为H的棒状填充材料7，棒状填充材料7与搅拌针2的中心通孔4呈过盈配合连接，同时棒状填充材料7的上端面与压杆3的下端面紧密接触，如图3所示；

步骤三、焊接工具下压：将焊接工具移至被焊板材8的上方，使焊接工具轴线与被焊板材8的对接面处于同一平面；启动焊机，使轴肩1、搅拌针2及压杆3分别以ω₁、ω₂及ω₃的转速开始旋转，同时焊接工具整体以V₁的速度下压；当轴肩1的下端面压入被焊板材8的上表面0~0.5mm的深度后，轴肩1停止向下运动，此时搅拌针2以V₂的速度下扎，同时压杆3以V₃的速度向上回抽，V₂/V₃≥D₂²/(D₁²-D₂²)；当搅拌针2下扎距离为L时，搅拌针2及压杆3停止竖直方向运动，根据被焊板材8的厚度T，确定搅拌针2的下扎距离L=0.95T～0.99T，如图4所示；

步骤四、进行焊接：保持焊接工具旋转，焊接工具整体沿被焊板材8的对接面以V₄的速度运动，同时压杆3以V₅的速度旋转下压，V₅/V₄=0.001～0.1，如图5所示；

步骤五、匙孔填补：当焊接工具到达焊接终止点时，保持焊接工具旋转，此时搅拌针2以V₆的速度向上回抽，同时压杆3以V₇的速度下压，并满足V₆/V₇≤D₂²/(D₁²-D₂²)；当搅拌针2回抽至其下端面与轴肩1下端面处于同一平面时，搅拌针2及压杆3停止竖直方向的运动，如图6所示；

步骤六、匙孔铣平：保持焊接工具旋转，同时整体以V₈的速度沿被焊板材8的对接面方向运动，直至轴肩1的整体铣过匙孔初始位置后，焊接工具整体向上移动离开焊缝，焊接完成，如图7所示。

为了使本发明具有最佳的使用效果，在本实施方式中，可将上述焊接方法中的参数进行以下设置。

上述步骤一中，H=2(D₁²-D₂²)T/D₂²。如此设计，可保证搅拌针2与压杆3形成的空腔可容纳足够的填充材料来进行焊接缺陷及焊缝尾端匙孔的填补，同时又可使搅拌针2的轴向尺寸不至过大，进而增加其焊接时的稳定性。

上述步骤三中，轴肩1、搅拌针2及压杆3的旋向相同，且ω₁=ω₂=ω₃。如此设计，在可增强焊缝材料的流动性，又可降低对焊机的要求。

上述步骤三中，是当轴肩1的下端面压入被焊板材8的上表面0.2mm的深度后，轴肩停止向下运动。如此设计，可保证轴肩对焊缝金属施加足够的锻压力，以保证焊缝成形。

上述步骤三中，V₂/V₃=1.1D₂²/(D₁²-D₂²)。如此设计，可保证被搅拌针2所挤入搅拌针2的中心通孔4的塑性材料与预置的填充材料之间形成一定压力并紧密接触，有助于预置的填充材料发生塑化。

上述步骤三中，根据被焊板材8的厚度T，确定搅拌针2的下扎距离L=0.98T。如此设计，可保将被焊板材8焊透，又不会使搅拌针2将被焊板材8穿透。

上述步骤五中，V₆/V₇=0.9D₂²/(D₁²-D₂²)。如此设计，可保证搅拌针2的中心通孔4内的填充材料被压杆3以足够的压力压入搅拌针2回抽所产生的瞬时空腔内，从而使被填补的匙孔具有致密的组织。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。