專利名稱：一種攪拌摩擦點焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的金屬材料連接方法，尤其是金屬材料之間的拌摩擦點焊方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，各種有色金屬材料逐漸在汽車制造業(yè)得到了應(yīng)用，但是有 色金屬焊接性較差，使得有色金屬在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用得到了限制。英國焊接研究所 (The Welding Institute,簡稱TWI)于1991年提出的一種固態(tài)連接方法——攪拌摩擦焊 (Friction Stir Welding,簡稱FSW)，此方法原理簡單、控制參數(shù)少、易于自動化、無輻射、 可將焊接過程中的人為因素降到最低。該方法為一種低溫固相連接方法，焊接過程中不產(chǎn) 生金屬的熔化，適用于難以用熔化焊焊接的低熔點合金，目前各國都在競相研發(fā)，在航空、 船舶、高速列車、裝甲戰(zhàn)車等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著攪拌摩擦焊方法研究的進(jìn)一步深 入，在此方法基礎(chǔ)之上，提出了攪拌摩擦焊點焊方法(Friction Stir SpotWelding，簡稱 FSSW)。攪拌摩擦點焊方法與攪拌摩擦焊方法區(qū)別在于攪拌摩擦點焊沒有沿焊縫縱向的移 動，并且在點焊過程中攪拌頭無(焊接方向)傾角。攪拌摩擦點焊方法綜合了傳統(tǒng)點焊過 程及攪拌摩擦焊方法的熱源產(chǎn)生方式，在摩擦熱及塑性變形能的作用下，形成了牢固連接 的點接頭。過去，車身板材的連接采用電阻點焊方法，焊接過程需要大型專用設(shè)備來提供持 續(xù)的大電流。而采用攪拌摩擦點焊只需要一個非消耗的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入待焊工件，通過 攪拌頭與工件之間的摩擦，使金屬軟化并發(fā)生塑性流動，通過攪拌頭施加的鍛壓力形成可 靠的連接。采用攪拌摩擦點焊唯一的能量消耗是驅(qū)動攪拌頭旋轉(zhuǎn)以及施加鍛壓力所消耗的 電能，整個焊接過程不需要傳統(tǒng)電阻點焊所必須的大電流以及壓縮空氣。采用攪拌摩擦點 焊方法焊接鋁合金節(jié)約了99%的能量消耗，并且由于不需要大型的供電設(shè)備以及專用的點 焊設(shè)備，設(shè)備成本降低了 40% 。并且焊接過程中無飛濺、煙塵，使焊接過程更綠色環(huán)保、焊接 環(huán)境更安全。攪拌摩擦點焊也存在一些缺點其一，焊后壓入坑深；其二，表面擠出物多；因 此給后續(xù)處理工作帶來了巨大的麻煩。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有方法中存在焊后壓入坑深、表面擠出物多的問題，提出一種攪拌 摩擦點焊方法，以解決了攪拌摩擦點焊壓入坑深、擠出物多的缺點，大大降低了后續(xù)處理的
工作量。 本發(fā)明的技術(shù)方案為一種攪拌摩擦點焊方法，是采用攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入待焊工 件，通過攪拌頭與工件之間的摩擦，使金屬軟化并發(fā)生塑性流動，通過攪拌頭施加的鍛壓力 形成可靠的連接，其特征在于從兩面同時攪拌摩擦點焊加工；施焊部分包括上攪拌頭、下 攪拌頭和上軸肩、下軸肩四個部分，上軸肩、下軸肩設(shè)置在攪拌頭的周圍，在施焊時對待焊 件施加一定的壓力和高速旋轉(zhuǎn)；上軸肩及下軸肩的作用是一是防止塑性金屬外溢；二是 與待焊件表面摩擦產(chǎn)生熱量；焊接時，上軸肩、下軸肩按一定的方向旋轉(zhuǎn)，上軸肩的旋轉(zhuǎn)方向和下軸肩的旋轉(zhuǎn)方向可以是同向也可以是逆向；而上攪拌頭、下攪拌頭加載壓大于上軸 肩及下軸肩對待焊件的壓力，上攪拌頭德旋轉(zhuǎn)方向、下攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向與上軸肩及下軸 肩的旋轉(zhuǎn)方向相同或者相反，上攪拌頭、下攪拌頭分別插人待焊件，到一定的深度并維持一 段時間，通過上軸肩、下軸肩和上攪拌頭、下攪拌頭與待焊的件表面摩擦，把產(chǎn)生的熱量傳 入給待焊件，使待焊件接觸面處在機(jī)械摩擦熱的作用下形成高質(zhì)量焊點，焊接完成后，上攪 拌頭、下攪拌頭先卸載拔出，然后上軸肩、下軸肩卸載，并停止旋轉(zhuǎn)。 有益效果雙面攪拌摩擦點焊與現(xiàn)有的攪拌摩擦點焊方法的主要區(qū)別在于1、雙 面攪拌摩擦點焊過程的摩擦熱及塑性變形能是從上下兩面產(chǎn)生的；2、雙面攪拌摩擦點焊方 法上、下的攪拌頭周圍有可以自由旋轉(zhuǎn)的軸肩，軸肩的旋轉(zhuǎn)可以補(bǔ)充在雙面攪拌摩擦點焊 過程中攪拌頭產(chǎn)熱的不足；正是由于這些區(qū)別，不僅可以使焊接表面的壓入坑和擠出物都 減少一半而且使焊接過程的產(chǎn)熱提高一倍。因而雙面攪拌摩擦焊不僅可以克服單面攪拌摩 擦點焊的缺點還可以提高生產(chǎn)率。


圖1是雙面攪拌摩擦點焊前攪拌頭及軸肩與工件相對位置示意圖。 圖2是雙面攪拌摩擦點焊時攪拌頭及軸肩與工件相對位置及攪拌頭與軸肩旋轉(zhuǎn)
方向和加載壓力示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明是通過上、下兩個軸肩和上、下兩個攪拌頭，通過上、下軸肩與攪拌頭同時 旋轉(zhuǎn)與加壓，使被焊件在機(jī)械摩擦熱的作用下形成高質(zhì)量焊點。 如圖1所示，1和2為待焊件，3為上軸肩，4為上攪拌頭，5為下軸肩，6為下攪拌頭。 由圖1所示的雙面攪拌摩擦點焊焊接過程原理圖的設(shè)備參數(shù)包括壓力巳、F2 ;軸肩3、5旋 轉(zhuǎn)速度"1 ;攪拌頭4、6旋轉(zhuǎn)速度"2，及水平移動速度V;攪拌頭4、6及軸肩3、5上下移動 行程S ;攪拌頭4、6的插入深度h、插入速度vl、插入停留時間t、攪拌頭的回抽速度v2 ;以及 上下攪拌頭同軸度等參數(shù)。壓力巳(用于焊接)取值范圍為1470-5880N;壓力F2(用于產(chǎn) 熱和防止塑性金屬外溢)取值可略小，范圍可定為1000-5000N ;攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度"2范圍 0-4500RPM ;軸肩的旋轉(zhuǎn)速度"1 (旋轉(zhuǎn)方向和"2相反)范圍0-4500RPM ;攪拌頭及軸肩上 下移動行程S和攪拌摩擦點焊試樣的厚度有直接的關(guān)系，在試驗時一般用到的板材的厚度 范圍為lmm-10mm，因此在焊前軸肩之間的間距要大于20mm，焊接時間距能夾緊達(dá)到2mm左 右，故要求軸肩的間距在0-30mm之間可變化，即上、下軸肩上下移動的行程均選為0-15mm ; 上攪拌頭的插入深度h =上攪拌頭下移距離與上軸肩下移距離的差值；與板厚相關(guān)，板厚 度越大插入的深度可選擇越大。插入的時間可在0. 1-1. 0s變化；插入停留時間t指攪拌 頭到位后停留的時間，對接頭的質(zhì)量有直接的影響，可選擇插入停留時間可在0. 1-1. 0s變 化；由于雙面攪拌摩擦點焊時是上下點焊同時進(jìn)行，并且加載的力較大，因此在焊接時要求 上下攪拌頭的同軸度好。如圖1所示施焊前，將待焊件1和2搭接，通過上、下軸肩施加一 定的壓力F2于待焊件上；如圖2所示，施焊時，上、下軸肩按一定的方向旋轉(zhuǎn)，而上、下攪拌
頭加載壓力巳，巳大于&，且上、下攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與軸肩旋轉(zhuǎn)方向相反，使上、下攪拌頭插
人待焊件1、2到一定的深度并維持一段時間，通過上、下軸肩和上、下攪拌頭與1、2待焊件表面摩擦，把產(chǎn)生的熱量傳入給待焊件1、2，使待焊件1、2接觸面處在熱——機(jī)作用下形成 高質(zhì)量焊點；焊接完成后，上、下攪拌頭先卸載拔出，然后上、下軸肩卸載，并停止旋轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
一種攪拌摩擦點焊方法，是采用攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著插入待焊工件，通過攪拌頭與工件之間的摩擦，使金屬軟化并發(fā)生塑性流動，通過攪拌頭施加的鍛壓力形成可靠的連接，其特征在于從兩面同時攪拌摩擦點焊加工；施焊部分包括上攪拌頭、下攪拌頭和上軸肩、下軸肩四個部分，上軸肩、下軸肩設(shè)置在攪拌頭的周圍，在施焊時對待焊件施加一定的壓力和高速旋轉(zhuǎn)；上軸肩及下軸肩的作用是一是防止塑性金屬外溢；二是與待焊件表面摩擦產(chǎn)生熱量；焊接時，上軸肩、下軸肩按一定的方向旋轉(zhuǎn)，上軸肩的旋轉(zhuǎn)方向和下軸肩的旋轉(zhuǎn)方向可以是同向也可以是逆向；而上攪拌頭、下攪拌頭加載壓大于上軸肩及下軸肩對待焊件的壓力，上攪拌頭德旋轉(zhuǎn)方向、下攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向與上軸肩及下軸肩的旋轉(zhuǎn)方向相同或者相反，上攪拌頭、下攪拌頭分別插人待焊件，到一定的深度并維持一段時間，通過上軸肩、下軸肩和上攪拌頭、下攪拌頭與待焊的件表面摩擦，把產(chǎn)生的熱量傳入給待焊件，使待焊件接觸而處在機(jī)械摩擦熱的作用下形成高質(zhì)量焊點，焊接完成后，上攪拌頭、下攪拌頭先卸載拔出，然后上軸肩、下軸肩卸載，并停止旋轉(zhuǎn)。
全文摘要
一種攪拌摩擦點焊方法，采用攪拌頭，從兩面同時攪拌摩擦點焊加工；并且本發(fā)明的施焊部分主要包括四個部分，即上、下攪拌頭和上、下軸肩；雙面攪拌摩擦點焊過程的摩擦熱及塑性變形能是從上下兩面產(chǎn)生的；雙面攪拌摩擦點焊技術(shù)上、下的攪拌頭周圍有可以自由旋轉(zhuǎn)的軸肩，軸肩的旋轉(zhuǎn)可以補(bǔ)充在雙面攪拌摩擦點焊過程中攪拌頭產(chǎn)生熱量的不足。正是由于這些區(qū)別，不僅可以使焊接表面的壓入坑和擠出物都減少一半而且使焊接過程的產(chǎn)熱提高一倍，因而雙面攪拌摩擦焊不僅可以克服單面攪拌摩擦點焊的缺點還可以提高生產(chǎn)率。
文檔編號B23K20/12GK101722360SQ20091027344
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月29日
發(fā)明者董仕節(jié) 申請人:湖北工業(yè)大學(xué)