一種攪拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工藝方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于攪拌摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域，具體地說涉及一種攪拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]作為一種固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊有效避免了熔化焊中常見的氣孔、裂紋等常見缺陷，因而能夠?qū)崿F(xiàn)多種低熔點(diǎn)金屬材料的高質(zhì)量焊接。在過去二十幾年的時(shí)間里，攪拌摩擦焊主要被應(yīng)用于金屬板材的對接連接中，但實(shí)際上，在很多領(lǐng)域，諸如航空、航天和汽車制造業(yè)等，搭接接頭也是常見的結(jié)構(gòu)件連接形式，且搭接接頭的連接質(zhì)量往往直接影響著整個結(jié)構(gòu)件運(yùn)行的可靠性。鑒于攪拌摩擦焊在金屬板材對接連接中所表現(xiàn)出的特殊優(yōu)越性，近年來，這一技術(shù)逐漸被引入到金屬板材搭接結(jié)構(gòu)的連接制造中。大量研究結(jié)果表明，在搭接結(jié)構(gòu)的連接制造中，與熔化焊方法相比，攪拌摩擦搭接焊接技術(shù)具有更為優(yōu)異的接頭性能、更小的接頭焊接變形量、更低的成本以及更高的生產(chǎn)效率。目前，攪拌摩擦搭接焊接技術(shù)已被成功應(yīng)用到軌道交通、汽車制造、航空航天等各個行業(yè)的搭接結(jié)構(gòu)的制造業(yè)領(lǐng)域。
[0003]常規(guī)的攪拌摩擦搭接焊接工藝是一種單軸肩焊接工藝，也就是說，所用焊具僅包含一個軸肩，且在軸肩端面上加工有凸起的攪拌針。焊接時(shí)，焊具由上搭接板扎入，對搭接結(jié)構(gòu)施加熱機(jī)作用，為了保障焊縫的優(yōu)質(zhì)成形，此時(shí)需在搭接結(jié)構(gòu)背部放置一塊支撐墊板，以對下扎的焊具進(jìn)行頂鍛支撐。但實(shí)際上，在很多情況下，搭接結(jié)構(gòu)的位置特殊，幾何形態(tài)也可能比較復(fù)雜，不易于或根本不允許在其背部安置支撐墊板，導(dǎo)致無法采用攪拌摩擦搭接焊接技術(shù)對其實(shí)施搭接焊接，從而限制了攪拌摩擦搭接焊接技術(shù)在搭接結(jié)構(gòu)件制造中的應(yīng)用。
[0004]在中國專利申請(如:申請?zhí)枮?01010563148.8、201010296480.2和201210078214.1等)中公開的一些技術(shù)方案中，出現(xiàn)了自持式焊具的概念。自持式焊具的特點(diǎn)是它包含上、下兩個軸肩，焊接時(shí)下軸肩不僅參與摩擦產(chǎn)熱，還對被焊工件背部施加剛性支撐。這種焊具避免了常規(guī)攪拌摩擦焊中所必需的支撐墊板的使用，因而能夠解決結(jié)構(gòu)件背部無法放置支撐墊板時(shí)的焊接問題。但到目前為止，這種自持式焊具還僅被用于金屬板材的攪拌摩擦對接焊接當(dāng)中，有關(guān)其在金屬板材的攪拌摩擦搭接焊接方面的應(yīng)用研究還未見報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種攪拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工藝方法，用于解決背部無法放置支撐墊板的搭接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦搭接焊接問題。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0007]—種攪拌摩擦搭接焊接的自持式焊具，該自持式焊具包括上軸肩、下軸肩和攪拌針；其中:所述上軸肩的直徑Φ I為上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3的和的2-3.5倍，所述下軸肩的直徑Φ 3等于或小于上軸肩的直徑Φ I，所述攪拌針的長度dl比上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3的和小0-0.6mm,所述攪拌針的直徑Φ 2為上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3的和的1-1.5倍。
[0008]利用上述自持式焊具進(jìn)行攪拌摩擦搭接焊接的工藝方法，該方法包括如下步驟:
[0009](I)被焊搭接結(jié)構(gòu)組建及定位:將上搭接板和下搭接板組成被焊搭接結(jié)構(gòu)后，用夾具對其進(jìn)行緊固定位，保證上搭接板和下搭接板的待焊接表面緊密接觸，且在焊接中不會發(fā)生相對滑動。
[0010](2)焊接實(shí)施:將自持式焊具安裝到焊機(jī)主軸上，啟動焊機(jī)，移動自持式焊具至焊接起始位置，并使其上軸肩低于上搭接板上表面的距離δ為0-0.3mm，隨后主軸以150r/min-3000r/min的旋轉(zhuǎn)速度開始旋轉(zhuǎn)，自持式焊具以10mm/min-1000mm/min的焊接速度沿著既定焊接路徑行進(jìn)，對由上搭接板和下搭接板所組成的搭接結(jié)構(gòu)實(shí)施攪拌摩擦搭接焊接。
[0011]步驟(I)中，所述被焊搭接結(jié)構(gòu)是由上搭接板和下搭接板從上至下依次疊放組成。
[0012]所述上搭接板的厚度d2和下搭接板的厚度d3為l_15mm，d2和d3可以相等，也可以不等。
[0013]所述上搭接板和下搭接板的材質(zhì)為鋁、鋁合金、鎂、鎂合金、銅或銅合金。
[0014]所述上搭接板和下搭接板可以為同種材料，也可以為異種材料。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]第一，本發(fā)明的一種攪拌摩擦搭接焊接的自持式焊具和工藝方法，在無需放置背部支撐墊板的情況下即可實(shí)現(xiàn)搭接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦搭接焊接，從而解決了無法放置背部支撐墊板的搭接結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦搭接焊接問題，拓寬了攪拌摩擦焊技術(shù)在結(jié)構(gòu)制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。
[0017]第二，本發(fā)明中，自持式焊具的上、下軸肩在焊接中同時(shí)對被焊搭接結(jié)構(gòu)施加熱機(jī)作用，二者所引起的沿工件厚度方向的熱應(yīng)力方向相反，導(dǎo)致熱應(yīng)力在很大程度上能夠相互抵消，因而與常規(guī)攪拌摩擦搭接焊接中單軸肩的單側(cè)熱機(jī)作用相比，這種雙側(cè)熱機(jī)作用能夠顯著控制由焊接熱應(yīng)力所引起的焊接變形。這一點(diǎn)對于薄板搭接結(jié)構(gòu)的焊接意義尤為重大。
[0018]第三，攪拌摩擦搭接焊接過程中，采用常規(guī)焊具時(shí)，搭接界面將在焊具軸向力作用下沿工件厚度方向發(fā)生遷移，造成焊縫有效厚度的減薄，并會降低接頭性能。當(dāng)采用本發(fā)明自持式焊具實(shí)施攪拌摩擦搭接焊接時(shí)，焊具的上、下軸肩同時(shí)分別對上、下搭接板施加方向相反的軸向力作用，二者在很大程度上可以相互抵消，使得搭接結(jié)構(gòu)所受軸向力顯著減小，從而抑制了搭接界面的遷移，并有助于提高搭接接頭的力學(xué)性能。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明自持式焊具的結(jié)構(gòu)主視圖。
[0020]圖2為本發(fā)明攪拌摩擦搭接焊接過程中自持式焊具I與上搭接板2和下搭接板3的相對位置示意圖。
[0021]其中:1為自持式焊具，11為上軸肩，12為攪拌針，13為下軸肩，Φ I為上軸肩11的直徑，Φ 2為攪拌針12的直徑，dl為攪拌針12的長度，Φ 3為下軸肩13的直徑，2為上搭接板，3為下搭接板，d2為上搭接板2的厚度，d3為下搭接板3的厚度，δ為上軸肩11低于上搭接板2上表面的距離。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0023]如圖1-2所示，本發(fā)明自持式焊具I包括上軸肩11、下軸肩13和攪拌針12 ;自持式焊具I的尺寸根據(jù)上搭接板2的厚度d2和下搭接板3的厚度d3來確定。自持式焊具I中，上軸肩11