[发明专利]三套环固相点焊方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种三套环固相点焊方法。

背景技术

在固相点焊领域，目前有两种焊接方法：一种为直插式搅拌摩擦点焊方法，即在搅拌摩擦焊技术的基础上，利用焊接工具的轴肩、搅拌针对材料进行原位摩擦搅拌，形成点焊接头。该点焊方法焊点表面存在搅拌针的退出孔，即匙孔，表面不平整。如中国专利CN101053923A于2007年10月17日公开的一种搅拌摩擦点焊技术采用的搅拌头专利即属于该技术领域。

另一种摩擦点焊方法为原位填充式摩擦点焊，为德国GKSS研究中心于1999年开发，其技术特征为采用中心轴，内套环和外套环三个部件组成的焊接工具进行焊接，即中心轴旋转下压材料，搅拌摩擦需要连接的界面，同时内套环旋转上升容纳挤出的塑性金属；随后中心轴上升，内套环下压形成平整的焊点，详见美国专利US006722556B2。

上述原位填充式摩擦点焊技术存在下列弊端：焊接热源主要由旋转的中心轴与母材摩擦产热提供，但越靠近焊点中心，焊接工具的旋转线速度越小(中心点线速度为零)，与母材的摩擦产热量也越小，这样会造成在靠近焊点中心处的材料温度低，材料的塑性流动性能差。并且中心轴下压时，要将其下方的材料整体挤压至内套环上升的空间，需要转移的材料量大。这样会出现两种不利情况：一种是被迫增加焊接时间，以获得较大的产热量，使焊点中心材料的温度达到易于塑性流动的高温状态，但此时焊点周围的材料也达到了高温，甚至造成外套环压入母材，形成成形缺陷，同时也使得焊点热影响区过大，损害母材和焊点力学性能，并且这种焊接过程需要的时间很长，焊接效率低下。另一种情况是将温度较低的材料进行强迫挤压锻造，这需要极大的中心轴顶锻力，往往造成中心轴被压弯失效，降低了焊接工具的使用寿命，该点焊方法难以实现应用。

另一种原位填充摩擦点焊方法是通过内套环下压，摩擦需要连接的界面，而中心轴回抽容纳塑性金属。该方法同样存在弊端，即内套环下压时，在外圈竖直界面上与母材有一个剪切作用，当材料回填其留下的空间时，填充的材料与该界面无法进行充分反应，形成了弱连接。该弱连接特征使得焊点容易被撕裂失效。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种三套环固相点焊方法，该方法解决了传统填充式摩擦点焊焊点竖直界面弱连接问题、焊接工具负载过大问题与焊接效率过低问题。本发明提供的方法使用包括内套环、中间套环、以及外套环的焊接工具，通过其内套环和中间套环的旋转与轴向运动实现焊接。由中间套环向下挤压塑性金属，将实现内套环外侧竖直界面上的材料流动，通过界面传质强化连接质量，完全避免传统填充式摩擦点焊的焊点与周围母材的竖直界面弱连接问题。

另一方面，内套环中心由可伸缩移动的圆柱滑块来保持该处母材不会在焊接过程中被迫挤压和流动，因此也无需进行额外的焊接热源提供，降低了焊接所需能量。此外，在内套环向下挤压和摩擦时，中心部分的材料将不需要被挤压和加热，大大降低了内套环下压时所需要的顶锻力，增加了焊接工具使用寿命。在内套环回抽时，中间套环下压塑性金属实现材料回填，此时在内套环内侧与中心圆柱滑块下方母材的竖直界面上不存在传质，仅通过扩散和再结晶实现连接，有可能出现类似于传统填充式摩擦点焊焊点外侧与母材竖直界面的弱连接问题。而在本发明中，由于在该界面位于焊点中心部位，一方面，此处的材料温度因焊接热积累的作用会比传统摩擦点焊外侧竖直界面要高很多，促进了界面之间的扩散与再结晶作用，大大降低弱连接倾向；另一方面，即便此处若出现弱连接，其界面因位于焊点内部，界面外侧的焊点材料与上板和下板均形成了良好的连接，此界面不会降低焊点的撕裂力和抗剪切力。

综上，本发明为解决传统填充式摩擦点焊的竖直界面弱连接问题、焊接效率与焊接工具使用寿命问题而采取的技术方案为：一种三套环填充式摩擦点焊方法，包括如下步骤：

1)外套环(3)压紧被焊工件表面，并使中间套环(2)、内套环(1)、中间圆柱滑块(8)同时处于工件表面，内套环与中间套环紧贴工件表面，摩擦待焊工件使金属材料塑性软化；

2)内套环旋转的同时，向下运动挤压被焊金属，将塑性金属(9)排挤至中间套环上升留下的空间，此时中间圆柱滑块不发生轴向运动，下方材料保持相对静止；

3)内套环摩擦挤压一段时间后，开始向上回抽，此时中间套环向下挤压，将塑性金属回填至内套环上升留下的空间，此时中心圆柱滑块在弹簧力的作用下，使下方母材不会随着内套环的上升而向上移动，当内套环、中间套环回到同一平面时，形成了表面平整的焊点。