一种铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法及装夹夹具

摘要

本发明提供了一种铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法及装夹夹具，所述铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法包括如下步骤：(一)对铝合金板的表面进行打磨并对其搭接界面进行激光刻蚀预处理；(二)利用装夹夹具将超声波震动头装配于焊接接头的下方并在焊接接头上表面进行搅拌摩擦焊；(三)对焊接后的样品进行激光后处理。该铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法采用超声波震动与搅拌摩擦焊和激光焊连接相结合的方式，将焊接过程中产生的气泡打散或震出熔池，超声波的震动使熔池中的热量均匀分布。所述装夹夹具既可以将焊接母材与超声波震动头紧密的装配在一起，又可保证焊接母材之间的紧密接触。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法及装夹夹具，属于铝/塑料异种材料焊接技术领域。

背景技术

铝合金由于其较轻的质量、良好的塑韧性以及良好的耐腐蚀性被广泛的应用于车辆、航空与船舶等领域，而热塑性塑料具有良好的可加工性能、抗疲劳性能、抗腐蚀性能以及更高的比强度。铝合金和热塑性塑料的连接不仅可以大幅度减少工程构件的质量，实现轻量化与绿色发展的理念，同时又可以将两者的优点相结合，在汽车及工程应用领域具有非常广泛的前景。近年来，针对铝合金与塑料的连接方法主要为胶粘连接、机械连接与焊接等，其中胶粘连接具有如较长的固化时间、对应用环境的温度较敏感以及胶粘剂污染环境等缺点，而机械连接如铆接等则具有如较强的应力集中以及额外的重量等缺陷，这些不足使得两种连接方法的广泛应用受到限制。采用焊接方法对两种材料进行连接，不仅可以保证接头的完整性和可靠性，还可以通过热作用使两种材料在界面产生一定的化学结合，有效提升接头的性能。近年来，众多研究学者提出了如激光焊、搅拌摩擦焊等多种针对铝合金与热塑性塑料焊接的焊接方法。焊接过程中界面的热作用同样会导致塑料分解产生气泡，界面中较多较大的气泡会导致接头成形性以及力学性能严重下降，故抑制焊接过程中气泡的积聚和生长是必要的。

在授权公告号为CN107414291B、授权公告日为2020.05.22的发明专利中公开了一种超声辅助激光焊接异种材料的方法，该方法利用超声波的能量辅助异种材料如高分子材料与陶瓷或金属材料的激光焊接过程，超声波震动头的震动持续作用于整个接头区域，但激光焊工艺热输入量较高，焊接过程中极易于产生大量气孔，较难消除，且激光焊接过程不具备跟踪加压效果，焊接母材受两侧夹具拘束，残余应力较大，不易释放，破坏接头性能。

在申请公布号为CN106238901A、申请公布日为2016.12.21的发明专利申请中公开了一种超声辅助搅拌摩擦焊焊接工具及焊接方法，该方法利用超声波的能量辅助搅拌摩擦焊焊接过程，将超声波震动头装配在搅拌头不旋转的部位，跟随搅拌头移动达到实时跟踪震动的功能，但该方法较为不稳定，震动头跟随搅拌头移动导致接头各部位震动能量分布不均，且作用时间较短，无法达到消除气泡的目的。

综上所述，超声波震动的能量可以有效加速熔池中气泡的分解和扩散，但激光焊工艺热输入量高且不能跟踪加压，导致气泡尺寸较大且较难消除，而搅拌摩擦焊工艺的超声波辅助装置的设计也存在能量不稳定等问题，金属与塑料搭接焊接工艺的弯曲界面导致界面结合力分布不均的问题也亟待解决。因此，现有工艺和技术还有待改进和发展。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法及装夹夹具，该方法中的焊接工艺完整，全过程中在装夹夹具的作用下母材时刻保持紧贴，且超声波震动利于气泡溢出，促进了焊缝成形，提高了生产效率，有效提升了焊接接头性能。

本方案是通过如下技术措施来实现的：该铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法包括如下步骤：

(一)用砂纸对铝合金板的表面进行打磨，并对其搭接界面进行激光刻蚀预处理：激光刻蚀后的铝合金板搭接界面呈现规律的沟槽状形貌；

(二)利用装夹夹具将超声波震动头装配于焊接接头的下方并在焊接接头上表面进行搅拌摩擦焊：所述焊接接头为铝合金板在上、热塑性塑料板在下的搭接形式，搅拌摩擦焊采用的搅拌头的下压量与其搅拌针的长度相等并小于铝合金板的板厚，熔化的热塑性塑料板由于搅拌头的加压作用会填入沟槽中，形成机械互锁，焊接过后焊接接头呈现弯曲界面，位于中心部位的沟槽被扩宽，位于边缘区域的沟槽被压缩；

(三)对焊接后的样品进行激光后处理：利用激光束对弯曲界面边缘区域进行低功率激光焊连接，使得沟槽处热塑性塑料板能够再次受热熔化填入被扩宽的沟槽中，激光后处理过程中超声波震动头持续工作。

优选的，所述激光刻蚀采用的激光功率为10-80W，频率为10-30KHz，扫描速度为500-2000mm/s，扫描间距为50-400μm。

优选的，所述搅拌摩擦焊的焊接速度为100-1000mm/min，所述搅拌头的旋转速度为1000-2000rpm，所述搅拌头相对于垂直方向的倾角为1-3°，所述搅拌头的插入停留时间为2-10s。

优选的，所述铝合金板和热塑性塑料板的板厚均为1.5-4mm，所述铝合金板和热塑性塑料板的长度为75-200mm、宽度为50-100mm。

优选的，所述激光后处理采用的激光功率为100-300W，扫描速度为100-300mm/min。

优选的，所述激光后处理的扫描位置位于搅拌摩擦焊的熔道两侧。

优选的，所述激光后处理的过程中保持超声波震动头与焊接接头紧密接触。

优选的，所述超声波震动头的频率为10-20kHz，功率为1000-3000W；所述超声波震动头的底部固连有连接杆，所述连接杆的底部固连有阶梯圆盘状接头，所述阶梯圆盘状接头的底部固连有超声波换能器，所述超声波换能器为超声波震动头提供能量。

本发明还提供了一种装夹夹具，它包括装夹壳体和设置在装夹壳体前后两侧的两个压头；

所述装夹壳体的底部固连有支撑立柱，所述装夹壳体的底部开设有与阶梯圆盘状接头的小端配合的安装孔，所述装夹壳体的右侧贯通开设有与超声波震动头形状相适应的贯穿口，所述装夹壳体的顶部开设有与超声波震动头的顶部配合的上条形口，所述上条形口的右端与贯穿口连通、左端与装夹壳体的左端之间留有间距，所述装夹壳体的底部开设有与连接杆配合的下条形口，所述下条形口的左右两端分别与安装孔和贯穿口连通；

所述压头包括龙门压板，所述龙门压板的左右两端分别固连有拉动销，所述装夹壳体左右两侧的前后两端分别固连有固定销，所述拉动销与相应的固定销之间连接有拉伸弹簧，所述龙门压板的左右两侧分别开设有与相应固定销滑动配合的条形滑动孔。

优选的，所述龙门压板的内宽大于铝合金板和热塑性塑料板沿焊接方向的尺寸；所述条形滑动孔长度方向的中心线通过固定销和拉动销的中心；所述装夹壳体的顶面、龙门压板的内侧面以及装夹壳体的内底面中位于安装孔的周边分别固定有橡胶垫。

本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法中，采用超声波震动与搅拌摩擦焊和激光焊连接相结合的方式，可以将焊接过程中由于热塑性塑料受热分解而产生的气泡打散或震出熔池，有效改善了焊接接头的成形性能，同时超声波的震动使熔池中的热量分布更加均匀，有利于提升焊接接头力学性能。本发明所述的装夹夹具，既可以将焊接母材与超声波震动头紧密的装配在一起，使得超声波震动可以对焊接熔池进行跟踪，免去人工手持超声波震动头的不稳定性，同时可以保证焊接母材之间的紧密接触，防止气泡的大量产生，可以有效提升焊接接头性能。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明中铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法中激光刻蚀的示意图。

图2为铝合金板和热塑性塑料板的焊接接头的结构示意图。

图3为本发明中装夹夹具的局部剖切结构示意图。

图4为本发明中铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法中激光后处理的位置示意图。

图中，1-橡胶垫，2-龙门压板，3-装夹壳体，4-支撑立柱，5-铝合金板，6-热塑性塑料板，7-超声波震动头，8-超声波换能器，9-搅拌头，10-激光束，11-安装孔，12-条形滑动孔，13-拉伸弹簧，14-拉动销，15-固定销，16-下条形口，17-贯穿口，18-上条形口，19-阶梯圆盘状接头，20-连接杆。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

一种铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法，它包括如下步骤：

(一)用砂纸对铝合金板5的表面进行打磨，并对铝合金板5的搭接界面进行激光刻蚀预处理，如图1所示，激光刻蚀后的铝合金板5搭接界面呈现规律的沟槽状形貌；所述激光刻蚀采用的激光功率为10-80W，频率为10-30KHz，扫描速度为500-2000mm/s，扫描间距为50-400μm；

(二)利用装夹夹具将超声波震动头7装配于焊接接头的下方并在焊接接头上表面进行搅拌摩擦焊：

所述超声波震动头7的频率为10-20kHz，功率为1000-3000W，所述超声波震动头7的底部固连有连接杆20，所述连接杆20的底部固连有阶梯圆盘状接头19，所述阶梯圆盘状接头19的底部固连有超声波换能器8，所述超声波换能器8为超声波震动头7提供能量；

所述铝合金板5和热塑性塑料板6的板厚均为1.5-4mm，所述铝合金板5和热塑性塑料板6的长度为75-200mm、宽度为50-100mm；所述焊接接头为铝合金板5在上、热塑性塑料板6在下的搭接形式，利用本发明中的装夹夹具将铝合金板5、热塑性塑料板6与超声波震动头7进行装配，使三者紧密结合；

搅拌摩擦焊采用的搅拌头9的下压量与其搅拌针的长度相等并小于铝合金板5的板厚，所述搅拌摩擦焊的焊接速度为100-1000mm/min，所述搅拌头9的旋转速度为1000-2000rpm，所述搅拌头9相对于垂直方向的倾角为1-3°，所述搅拌头9的插入停留时间为2-10s；熔化的热塑性塑料板6由于搅拌头9的加压作用会填入沟槽中，形成机械互锁，焊接过后焊接接头呈现弯曲界面，位于中心部位的沟槽被扩宽，位于边缘区域的沟槽被压缩；

(三)对焊接后的样品进行激光后处理：

所述激光后处理的扫描位置位于搅拌摩擦焊的熔道两侧，且过程中保持超声波震动头7与焊接接头紧密接触，所述激光后处理采用的激光功率为100-300W，扫描速度为100-300mm/min；利用激光束10对弯曲界面边缘区域进行低功率激光焊连接，使得沟槽处热塑性塑料板6能够再次受热熔化填入被扩宽的沟槽中，激光后处理过程中超声波震动头7持续工作，所述激光后处理的过程中保持超声波震动头7与焊接接头紧密接触。

本发明中的铝合金塑料搅拌摩擦焊连接的方法采用了铝合金板5在上、热塑性塑料板6在下的搭接接头形式，利用装夹夹具将搭接接头与超声波震动头7装配在一起。搅拌摩擦焊过程中超声波震动头7由于超声波换能器8提供的能量持续震动，有利于将焊接过程中由于热的作用导致热塑性塑料板6分解产生的气泡打散或溢出界面，有效提升焊接接头的力学性能。如图1所示，激光刻蚀过后的铝合金板5界面呈现规律的沟槽状形貌，熔化的热塑性塑料板6由于搅拌头9的加压作用会填入沟槽中，形成机械互锁，然而搅拌针的长度小于铝合金板5的板厚，导致焊接过后焊接接头呈现弯曲界面，如图3所示，使得原本规律的沟槽形貌出现不同程度的扭曲，位于中心部位的沟槽被扩宽，而位于边缘区域的沟槽被压缩，使得塑料难以填入，造成了焊接接头的薄弱区域。采用激光后处理工艺，利用激光束10对如图3所示的弯曲界面边缘区域进行低功率激光焊连接，使得沟槽处热塑性塑料板6能够再次受热熔化填入被激光扩宽的沟槽中，增强焊接接头性能，激光处理过程中超声波震动头7持续工作。

本发明还提供了一种装夹夹具，如图2所示，它包括装夹壳体3和设置在装夹壳体3前后两侧的两个压头。

其中，所述装夹壳体3的底部固连有支撑立柱4，通过支撑立柱4对整个装夹夹具3进行支撑，所述装夹壳体3的底部开设有与阶梯圆盘状接头19的小端配合的安装孔11，所述装夹壳体3的右侧贯通开设有与超声波震动头7形状相适应的贯穿口17，所述装夹壳体3的顶部开设有与超声波震动头7的顶部配合的上条形口18，所述上条形口18的右端与贯穿口17连通、左端与装夹壳体3的左端之间留有间距，所述装夹壳体3的底部开设有与连接杆20配合的下条形口16，所述下条形口16的左右两端分别与安装孔11和贯穿口17连通；超声波震动头7通过贯穿口17滑入装夹壳体3内，并通过上条形口18对超声波震动头7进行导向限位，保证超声波震动头7移动的稳定性，下条形口16对连接杆20进行导向限位，安装孔11用于容置阶梯圆盘状接头19的小端，阶梯圆盘状接头19的大端底部与装夹壳体3的内底面接触。

所述压头包括龙门压板2，所述龙门压板2的左右两端分别固连有拉动销14，所述装夹壳体3左右两侧的前后两端分别固连有固定销15，所述拉动销14与相应的固定销15之间连接有拉伸弹簧13，所述龙门压板2的左右两侧分别开设有与相应固定销15滑动配合的条形滑动孔12。

所述龙门压板2的内宽大于铝合金板5和热塑性塑料板6沿焊接方向的尺寸，以保证两龙门压板2能够绕至装夹壳体3的上方对铝合金板5和热塑性塑料板6进行压紧。

所述条形滑动孔12长度方向的中心线通过固定销15和拉动销14的中心，以保证当龙门压板2绕至装夹壳体3的上方时，在拉伸弹簧13的复位作用下龙门压板2能够竖向向下移动，使龙门压板2的内顶面能够与铝合金板5和热塑性塑料板6的上端面紧密贴合，避免出现龙门压板2偏斜而无法与铝合金板5和热塑性塑料板6紧密贴合的情况，从而保证了龙门压板2对铝合金板5和热塑性塑料板6的压紧效果。

所述装夹壳体3的顶面、龙门压板2的内侧面以及装夹壳体3的内底面中位于安装孔11的周边分别固定有橡胶垫1，橡胶垫1可减少超声波震动对装夹夹具的影响，还能够增大龙门压板2与铝合金板5和热塑性塑料板6接触面之间的摩擦力，进一步保证了龙门压板2对铝合金板5和热塑性塑料板6的压紧效果。

未使用状态时，两龙门压板2分别置于装夹壳体3的前后两侧，超声波震动头7可以沿装夹壳体3侧面的贯穿口17滑入装夹壳体3内部，使阶梯圆盘状接头19的小端进入安装孔11内、大端卡在安装孔11的边沿处，以此来限制超声波震动头7的水平位移，此时将铝合金板5与热塑性塑料板6沿铝合金板5在上热塑性塑料板6在下的搭接接头形式装配于超声波震动头7上方，限制超声波震动头7的垂直位移，达到使样品(铝合金板5和热塑性塑料板6)震动的效果。之后通过拉动销14向外拉动龙门压板2，使固定销15移动至条形滑动孔12的端部，然后旋转龙门压板2到装夹壳体3的正上方，松开拉动销14，拉伸弹簧13复位收紧使龙门压板2与装夹壳体3紧固在一起，将铝合金板(5)和热塑性塑料板(6)夹紧，且该夹紧力的大小几乎不受焊接过程中夹具震动和热塑性塑料板6软化的影响，同时，龙门压板2的左右两侧面可以抵住铝合金板5与热塑性塑料板6的侧面，防止两种材料在焊接过程中跟随搅拌头9发生移动。超声波换能器8为超声波震动头7提供能量。该装夹夹具同时适用于搅拌摩擦焊与激光焊连接工艺。

本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。