專利名稱：異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，以及使用該裝置進(jìn)行攪拌點(diǎn)焊的方法。
背景技術(shù)：
隨著全球資源供應(yīng)與環(huán)境保護(hù)的日趨嚴(yán)峻，汽車輕量化越來(lái)越受到人們的關(guān)注，并成為當(dāng)今汽車工業(yè)發(fā)展的主要方向。采用鋁、鎂等輕合金以及高強(qiáng)鋼材料是實(shí)現(xiàn)輕量化的重要措施。然而鋁、鎂等輕合金與高強(qiáng)鋼材料的物理屬性差異較大，且焊接時(shí)容易生成硬而脆的金屬間化合物，因此，采用傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊方法時(shí)接頭焊接質(zhì)量較差。攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)是一種新型的固相連接技術(shù)，由德國(guó)GKSS研究中心于1999年發(fā)明，詳情見(jiàn)美國(guó)專利US6722556-B2。該技術(shù)采用由攪拌針、攪拌套和夾緊套組成的特殊的攪拌頭，通過(guò)精確控制攪拌頭各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭回撤的同時(shí)填充攪拌頭在焊接過(guò)程中形成的退出孔，從而形成表面平整的點(diǎn)焊接頭。由于焊接過(guò)程中材料處于熔融狀態(tài)，該工藝較好地克服了鋁、鋼等異種金屬因大量焊接熱量輸入而引起的焊接質(zhì)量問(wèn)題。然而，在攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中，當(dāng)下層板為強(qiáng)度較高的高強(qiáng)鋼時(shí)，由于焊接材料塑性變形阻力較大，需要采用較大的焊接力，從而對(duì)攪拌頭強(qiáng)度、硬度以及焊接系統(tǒng)提出更高的要求。而且，材料塑性流動(dòng)困難導(dǎo)致點(diǎn)焊接頭焊接質(zhì)量不高，焊接性能較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，以及使用該裝置進(jìn)行攪拌點(diǎn)焊的方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，包括攪拌套，在所述攪拌套中的攪拌針，夾持在攪拌套外的夾緊套，以及焊接墊塊，所述夾緊套和焊接墊塊之間為焊接工件，其特征在于，在焊接墊塊頂部設(shè)有環(huán)形電刷，在焊接墊塊中心設(shè)有T型通孔，安裝導(dǎo)電桿，導(dǎo)電桿與焊接墊塊上表面齊平，所述環(huán)形電刷和導(dǎo)電桿分別通過(guò)導(dǎo)線與可控直流電源的正極和負(fù)極相連。作為優(yōu)選方案，在焊接墊塊頂部設(shè)有圓柱凸臺(tái)，并通過(guò)螺紋連接環(huán)形電刷，所述圓柱凸臺(tái)的高度與直徑和環(huán)形電刷的內(nèi)環(huán)高度與直徑相匹配。作為進(jìn)一步的優(yōu)選方案，夾緊套和焊接墊塊由絕緣材料制成，或表面涂有絕緣涂料。本發(fā)明還提供一種采用上述裝置的異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，包括如下步驟A)夾緊套和焊接墊塊壓緊焊接工件，攪拌針和攪拌套貼緊工件表面同向擠壓旋轉(zhuǎn)，使金屬材料塑性軟化，在夾緊套壓緊焊接工件的同時(shí)，所述環(huán)形電刷和導(dǎo)電桿分別連通極性相反的直流電源，使焊接回路導(dǎo)通；B)攪拌套向下旋轉(zhuǎn)壓入焊接工件內(nèi)部，同時(shí)攪拌針旋轉(zhuǎn)上升，塑性材料向攪拌針下部區(qū)域流動(dòng)，當(dāng)達(dá)到所需焊接深度后，攪拌套旋轉(zhuǎn)上升，而攪拌針向下擠壓回填材料；
C)當(dāng)攪拌套和攪拌針?lè)謩e運(yùn)動(dòng)到同一水平面后，保持鍛壓一段時(shí)間后回撤至初始工位，切斷直流電。所述直流電的電流強(qiáng)度最好在500A 3000A之間。步驟C)中鍛壓時(shí)間最好為0. 2秒 I秒。當(dāng)夾緊套壓緊焊接工件時(shí)，焊接電流在下層板材內(nèi)流通。隨著壓入和回填階段的繼續(xù)，下層焊接工件受環(huán)形電致塑性效應(yīng)的影響在直流電導(dǎo)通方向上更容易發(fā)生塑性變形，從而減小了攪拌套的下壓阻力。同時(shí)焊接材料的塑性流動(dòng)能力得到提升，熔融狀態(tài)下材料的結(jié)合能力獲得加強(qiáng)，因而提聞了點(diǎn)焊接頭的綜合質(zhì)量。本發(fā)明利用材料的電致塑性效應(yīng)，在異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中對(duì)下層強(qiáng)度較高的焊接材料施加一定的焊接電流，使得材料更容易發(fā)生塑性變形，降低了焊接過(guò)程中的焊接壓力，同時(shí)提高了焊接過(guò)程中材料的塑性流動(dòng)能力，改善了攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的焊接質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是環(huán)形電刷5的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明點(diǎn)焊方法的實(shí)施流程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。如圖1所示，本發(fā)明一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，包括攪拌套2，在所述攪拌套2中的攪拌針I(yè)，夾持在攪拌套2外的夾緊套3，以及焊接墊塊4，所述夾緊套3和焊接墊塊4之間為焊接工件，其特征在于，在焊接墊塊4頂部設(shè)有環(huán)形電刷5，在焊接墊塊4中心設(shè)有T型通孔，安裝導(dǎo)電桿6，導(dǎo)電桿6與焊接墊塊4上表面齊平，所述環(huán)形電刷5和導(dǎo)電桿6分別通過(guò)導(dǎo)線與可控直流電源的正極和負(fù)極相連。優(yōu)選的，在焊接墊塊4頂部設(shè)有圓柱凸臺(tái)，并通過(guò)螺紋連接環(huán)形電刷5，所述圓柱凸臺(tái)的高度與直徑和環(huán)形電刷5的內(nèi)環(huán)高度與直徑相匹配。進(jìn)一步優(yōu)選的，夾緊套3和焊接墊塊4由絕緣材料制成，或表面涂有絕緣涂料。如圖2所示，本發(fā)明通過(guò)上述裝置實(shí)現(xiàn)異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法，包括如下步驟A)夾緊套3和焊接墊塊4壓緊焊接工件，攪拌針I(yè)和攪拌套2貼緊鋁合金或鎂合金板材7和高強(qiáng)鋼板材8表面同向擠壓旋轉(zhuǎn)，使金屬材料塑性軟化，在夾緊套3壓緊焊接工件的同時(shí)，所述環(huán)形電刷5和導(dǎo)電桿6分別連通極性相反的直流電源，使焊接回路導(dǎo)通，如圖 2a)；B)攪拌套2向下旋轉(zhuǎn)壓入焊接工件內(nèi)部，同時(shí)攪拌針旋轉(zhuǎn)上升，塑性材料向攪拌針下部區(qū)域流動(dòng)，當(dāng)達(dá)到所需焊接深度后，攪拌套和攪拌針的運(yùn)動(dòng)方向互換，既攪拌套旋轉(zhuǎn)上升，而攪拌針向下擠壓回填材料，如圖2b) d)；C)當(dāng)攪拌套2和攪拌針I(yè)分別運(yùn)動(dòng)到同一水平面后，保持鍛壓一段時(shí)間，攪拌頭回撤至初始工位，切斷直流電，焊接過(guò)程結(jié)束，如圖2e) f)。
所述直流電500A 3000A。步驟C)中鍛壓時(shí)間為0. 2秒 I秒。當(dāng)夾緊套壓緊焊接工件時(shí)，焊接電流在下層板材內(nèi)流通。隨著壓入和回填階段的繼續(xù)，下層焊接工件受環(huán)形電致塑性效應(yīng)的影響在直流電導(dǎo)通方向上更容易發(fā)生塑性變形，從而減小了攪拌套的下壓阻力。同時(shí)焊接材料的塑性流動(dòng)能力得到提升，熔融狀態(tài)下材料的結(jié)合能力獲得加強(qiáng)，因而提聞了點(diǎn)焊接頭的綜合質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，包括攪拌套(2)，在所述攪拌套(2)中的攪拌針(1)，夾持在攪拌套(2)外的夾緊套(3)，以及焊接墊塊(4)，所述夾緊套(3)和焊接墊塊(4)之間為焊接工件，其特征在于，在焊接墊塊(4)頂部設(shè)有環(huán)形電刷(5)，在焊接墊塊(4)中心設(shè)有T型通孔，安裝導(dǎo)電桿(6)，導(dǎo)電桿(6)與焊接墊塊(4)上表面齊平，所述環(huán)形電刷(5)和導(dǎo)電桿(6)分別通過(guò)導(dǎo)線與可控直流電源的正極和負(fù)極相連。
2.如權(quán)利要求1所述的異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，其特征在于，在焊接墊塊(4)頂部設(shè)有圓柱凸臺(tái)，并通過(guò)螺紋連接環(huán)形電刷(5)，所述圓柱凸臺(tái)的高度與直徑和環(huán)形電刷(5)的內(nèi)環(huán)高度與直徑相匹配。
3.如權(quán)利要求1所述的異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，其特征在于，夾緊套(3)和焊接墊塊(4)由絕緣材料制成,或表面涂有絕緣涂料。
4.一種采用如權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的裝置進(jìn)行異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法，其特征在于，包括如下步驟 A)夾緊套(3)和焊接墊塊(4)壓緊焊接工件，攪拌針(I)和攪拌套(2 )貼緊工件表面同向擠壓旋轉(zhuǎn)，使金屬材料塑性軟化，在夾緊套壓緊焊接工件的同時(shí)，所述環(huán)形電刷(5)和導(dǎo)電桿(6)分別連通極性相反的直流電源，使焊接回路導(dǎo)通； B)攪拌套(2)向下旋轉(zhuǎn)壓入焊接工件內(nèi)部，同時(shí)攪拌針(I)旋轉(zhuǎn)上升，塑性材料向攪拌針(I)下部區(qū)域流動(dòng)，當(dāng)達(dá)到所需焊接深度后，攪拌套(2 )旋轉(zhuǎn)上升，而攪拌針(I)向下擠壓回填材料； C)當(dāng)攪拌套(2)和攪拌針(I)分別運(yùn)動(dòng)到同一水平面后，保持鍛壓一段時(shí)間后回撤至初始工位，切斷直流電。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述直流電的電流強(qiáng)度為500-3000A。
6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，步驟C)中所述鍛壓時(shí)間為O.2-1秒。
全文摘要
本發(fā)明提供一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置，包括攪拌套，在攪拌套中的攪拌針，夾持在攪拌套外的夾緊套，以及焊接墊塊，夾緊套和焊接墊塊之間為焊接工件，在焊接墊塊頂部設(shè)有環(huán)形電刷，在焊接墊塊中心設(shè)有T型通孔，并安裝導(dǎo)電桿，導(dǎo)電桿與焊接墊塊上表面齊平，環(huán)形電刷和導(dǎo)電桿分別通過(guò)導(dǎo)線與可控直流電源的正極和負(fù)極相連。本發(fā)明還提供一種異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，包括使金屬材料塑性軟化，同時(shí)環(huán)形電刷和導(dǎo)電桿分別連通極性相反的直流電源，使焊接回路導(dǎo)通，然后采用點(diǎn)焊工藝完成焊接。本發(fā)明在異種金屬的攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中對(duì)下層強(qiáng)度較高的焊接材料施加一定的焊接電流，使材料更容易發(fā)生塑性變形，降低了焊接壓力，從而提升焊接質(zhì)量。
文檔編號(hào)B23K20/26GK103008874SQ201210568669
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月24日
發(fā)明者楊洪剛 申請(qǐng)人:上海電機(jī)學(xué)院