[发明专利]一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法

说明书

本发明提出了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法，属于金属焊接技术领域。本技术方案包括驱动装置，搅拌工具和加工平台；所述搅拌工具包括套筒和轴肩，所述轴肩装配在所述套筒内，所述轴肩端面无搅拌针；所述驱动装置包括两个：套筒驱动装置和轴肩驱动装置，分别与所述套筒和所述轴肩相连接，所述驱动装置装配在所述搅拌工具顶端；所述加工平台用于放置待焊工件并提供支撑。工作时，套筒与轴肩形成封闭结构，套筒一方面用于夹持工件，另一方面轴肩旋转下压，塑化的材料难以从焊点边缘溢出，材料受到充分挤压和搅拌形成成形良好的接头，本发明可以有效控制薄板焊接过程缺陷问题，又可以提高焊接热输入和塑性变形以实现接头的良好成形。

技术领域

本发明涉及金属焊接技术领域，具体涉及一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法。

背景技术

搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊基础上研发的一种点焊工艺，其连接机理是利用搅拌头旋转下压，使材料在高温摩擦热和塑性流动共同作用下形成焊点。搅拌摩擦点焊是一种固相连接工艺，可用于铜、铝、镍等有色金属材料的连接，可以解决气孔、裂纹、偏析、变形等有色金属熔化焊接头常见缺陷，并在焊接效率、接头质量、制造成本和作业环境等多方面体现出明显的优势。

然而，常规搅拌摩擦点焊工艺不可避免存在匙孔，影响接头的耐蚀性能和力学性能。为此，德国学者发明了回填式搅拌摩擦点焊工艺，该种工艺可以消除匙孔，但是回填搅拌摩擦点焊工艺设备结构复杂，且搅拌头的加工精度要求极高，否则极易在焊点边缘出现孔洞类缺陷。日本学者进一步的提出了无针搅拌摩擦点焊工艺，该工艺采用无针轴肩，只依靠轴肩端面旋转下压作用，使工件形成接头。然而，现有的无针搅拌摩擦点焊接头存在溢料飞边，被焊材料受力和塑性变形程度很弱，且无法避免焊点边缘出现严重的钩状缺陷和损伤缺陷。

发明内容

经发明人的认识和研究发现，焊点边缘材料的约束状态对点焊缺陷和接头质量具有重要影响，因此本发明提出了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置和方法。该发明在无针轴肩外部添加了可调节压力的压紧套筒，且套筒与无针轴肩间隙必须足够小到形成封闭点焊区域，旨在控制薄板焊接产生的溢料飞边、沟状缺陷和损伤缺陷问题。尽管国内外都会采用环状压紧夹具配合无针轴肩实现无针搅拌摩擦点焊，但是他们采用环状夹具的目的主要是为了控制工件变形和偏移，环状夹具与无针轴肩的间隙过大(≥1mm)无法形成封闭点焊区域，且压紧力一般不可调，无法控制无针搅拌摩擦点焊接头溢料飞边、沟状缺陷和损伤缺陷，与本发明采用的压紧套筒作用有本质区别。

为了达到上述目的，本发明提出了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊装置，其特征在于：包括驱动装置，搅拌工具和加工平台；所述搅拌工具包括套筒和轴肩，所述轴肩装配在所述套筒内并相互独立；所述驱动装置包括两个：套筒驱动装置和轴肩驱动装置，分别与所述套筒和所述轴肩相连接；所述加工平台用于放置待焊工件并提供支撑。

进一步的，所述轴肩驱动装置能控制所述轴肩的旋转和升降，所述套筒驱动装置能控制所述套筒的升降。

进一步的，所述轴肩采用圆柱形，其底部可加工各种形貌。

进一步的，所述轴肩与所述套筒的装配间隙不大于0.5mm。

进一步的，所述轴肩与所述套筒的装配间隙不大于0.1mm。

本发明还提供了一种封闭式无针搅拌摩擦点焊方法，基于上述封闭式无针搅拌摩擦点焊装置进行点焊，其特征在于包括以下步骤：

工件固定和预热步骤：将待焊工件放置于加工平台上，预设焊接参数，所述焊接参数包括；套筒下压力，轴肩预热转速，下压和停留旋转速度，轴肩下压时间，轴肩下压速度，停留时间，轴肩回撤转速，轴肩回撤速度，回撤时间；启动驱动装置，套筒以所述套筒下压力压紧固定所述待焊工件，轴肩以所述轴肩预热转速绕轴高速旋转，对所述待焊工件表面进行预热；

轴肩下压和停留步骤：所述轴肩以所述下压和停留旋转速度绕轴旋转，并且以所述轴肩下压速度下压插入所述待焊工件，当达到预设下压时间后保持所述停留时间的绕轴旋转；