专利名称：三动环搅拌摩擦点焊工具及其点焊方法
技术领域：
本发明设计一种焊接技术，具体是一种三动环搅拌摩擦点焊工具及其点焊方法。
背景技术：
填充式摩擦点焊技术是一种新兴的固相焊接技术，它是德国6KSS研究中心1999 年发明的一种固相点焊方法。美国专利US 6，722，556 B2中，焊点与母材之间形成了两个连接界面水平连接界面和竖直连接界面。水平连接界面即为搭接界面，材料在热和力的共同作用下变形、流动、界面接触并扩散融合，由平面分离状态变成曲面结合状态，因此水平连接界面连接质量较高。竖直连接界面是由于搅拌套向下摩擦挤压运动、剪切母材而形成的，搅拌套上升时，填入瞬时空腔的材料和外侧母材接触扩散连接，由于竖直连接界面外侧母材温度较低，该连接面形成可靠连接的条件比较苛刻，因此竖直连接界面成为焊点最薄弱的区域。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种三动环搅拌摩擦点焊工具及其点焊方法。本发明是通过以下技术方案实现的。一种三动环搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针、内套环、外套环、压紧套及下支撑，其中，待焊工件压紧在压紧套和下支撑之间，搅拌针设置在内套环内，内套环设置在外套环内，外套环设置在压紧套内。所述搅拌针、内套环及外套环与待焊工件摩擦形成塑性流动材料区域。所述待焊工件数量为若干个，依次压紧在压紧套和下支撑之间。一种三动环搅拌摩擦点焊方法，包括如下过程第一步，压紧套和下支撑将若干个待焊工件压紧，搅拌针、内套环、外套环高速旋转，在待焊工件表面摩擦，产生的摩擦热使待焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域；第二步，搅拌针、内套环、外套环处于高速旋转状态，同时搅拌针向上运动、内套环、外套环向下运动；外套环向下运动行程小于内套环向下运动行程，塑性流动材料区域逐渐扩大，内套环、外套环把塑性金属挤压到搅拌针和内套环相对运动形成的空间中；第三步，搅拌针、内套环、外套环处于高速旋转状态，搅拌针继续向上运动、内套环、外套环继续向下运动，外套环向下运动行程不超过第一待焊工件的厚度，内套环向下运动行程稍微超过第一待焊工件的厚度，使第二待焊工件上表面也开始塑化，形成的塑性流动材料区域继续扩大，塑性金属仍然储存在搅拌针和内套环相对运动形成的空间中；第四步，搅拌针、内套环、外套环处于高速旋转状态，内套环到达焊接深度后，开始向上运动，外套环也开始向上运动，搅拌针开始向下运动，塑性金属开始往回流动；第五步，内套环、外套环向上运动回到初始位置，搅拌针向下运动回到初始位置， 搅拌针、内套环、外套环停止旋转运动，冷却后，塑性流动材料区域形成了一个焊点；
第六步，搅拌针、内套环、外套环的轴向运动被精确控制，塑性流动材料完全回填到内套环、外套环上运动时留下的空间，保证了工件表面平整，点焊过程完成。所述第三步中第二待焊工件数量为若干个，内套环继续向下运动穿透第一个第二待焊工件，并在第若干个第二待焊工件上表面形成塑性流动材料区域。本发明为了提高焊点的强度，提供了一种三动环搅拌摩擦点焊工具及其点焊方法，该点焊工具包括压紧套、外套环、内套环和搅拌针，外套环、内套环和搅拌针高速旋转， 与工件摩擦，为系统提供热量。外套环向下剪切运动行程不超过上层工件厚度，内套环向下剪切运动行程稍微超出上层工件厚度，这样将形成两段不连续的阶梯状竖直连接界面，两个竖直连接界面由一水平连接界面连接，从而增强了焊点强度。
图1为本发明点焊工具的结构示意图；图2为本发明点焊方法的过程示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例1如图1所示，本实施例提供的三动环搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针1、内套环2、 外套环3、压紧套4、及下支撑8。第一待焊工件6、第二待焊工件7压紧在压紧套4和下支撑8之间，搅拌针1工作在内套环2内，内套环2工作在外套环3内，外套环3工作在压紧套4内，搅拌针1、内套环2、外套环3与第一待焊工件6、第二待焊工件7摩擦生热，使第一待焊工件6、第二待焊工件7的部分材料塑化，形成塑性流动材料区域5。实施例2如图2所示，本实施例为利用实施例1提供的三动环搅拌摩擦点焊工具的点焊方法，包括如下过程第一步，压紧套4和点焊下支撑8将第一待焊工件6及第二待焊工件7压紧，搅拌针1、内套环2、外套环3高速旋转，在第一待焊工件6表面摩擦，产生的摩擦热使第一待焊工件6表面塑化，形成塑性流动材料区域5，如图2(a)所示。第二步，搅拌针1、内套环2、外套环3处于高速旋转状态，同时搅拌针1向上运动、 内套环2、外套环3向下运动，外套环3向下运动行程小于内套环2向下运动行程。形成的塑性流动材料区域5逐渐扩大，内套环2、外套环3把塑性金属挤压到搅拌针1和内套环2 相对运动形成的空间中，如图2(b)所示。第三步，搅拌针1、内套环2、外套环3处于高速旋转状态，搅拌针1继续向上运动、 内套环2、外套环3继续向下运动，外套环3向下运动行程不超过第一待焊工件6的厚度，内套环2向下运动行程稍微超过第一待焊工件6的厚度，即内套环2穿过第二待焊工件7的上表面，使第二待焊工件7也开始塑化，形成的塑性流动材料区域5继续扩大，塑性金属仍然储存在搅拌针1和内套环2相对运动形成的空间中，如图2(c)所示。
第四步，搅拌针1、内套环2、外套环3处于高速旋转状态，内套环2到达焊接深度后，开始向上运动，外套环3也开始向上运动，搅拌针1开始向下运动，塑性金属开始往回流动，如图2(d)所示。第五步，内套环2、外套环3向上运动回到初始位置，搅拌针1向下运动回到初始位置，搅拌针1、内套环2、外套环3停止旋转运动，冷却后，塑性流动材料区域5形成了一个焊点，如图2(e)所示。第六步，搅拌针1、内套环2、外套环3的轴向运动被精确控制，塑性流动材料完全回填到内套环2、外套环3向上运动时留下的空间，保证了工件表面平整。在本实施例中，搅拌针1、内套环2同向旋转，外套环3反向旋转，避免在第一待焊工件6、第二待焊工件7上形成较大的旋转力矩。本实施例可以用于不同材质的工件的搅拌摩擦点焊连接。本实施例可以用于若干个待焊工件的搅拌摩擦点焊，只要内套环2继续向下运动穿透第一个第二待焊工件，并在第若干个第二待焊工件上表面形成塑性流动材料区域即可。
权利要求
1.一种三动环搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，包括搅拌针、内套环、外套环、压紧套、 塑性流动材料区域及下支撑，其中，待焊工件压紧在压紧套和下支撑之间，搅拌针设置在内套环内，内套环设置在外套环内，外套环设置在压紧套内。
2.根据权利要求1所述的三动环搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌针、内套环及外套环与待焊工件摩擦形成塑性流动材料区域。
3.根据权利要求1或2所述的三动环搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述待焊工件数量为若干个，依次压紧在压紧套和下支撑之间。
4.一种利用如权利1至3中任一项所述的三动环搅拌摩擦点焊工具的点焊方法，其特征在于，包括如下过程第一步，压紧套和下支撑将若干个待焊工件压紧，搅拌针、内套环、外套环高速旋转，在待焊工件表面摩擦，产生的摩擦热使待焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域；第二步，搅拌针、内套环、外套环处于高速旋转状态，同时搅拌针向上运动、内套环、外套环向下运动；外套环向下运动行程小于内套环向下运动行程，塑性流动材料区域逐渐扩大，内套环、外套环把塑性金属挤压到搅拌针和内套环相对运动形成的空间中；第三步，搅拌针、内套环、外套环处于高速旋转状态，搅拌针继续向上运动、内套环、外套环继续向下运动，外套环向下运动行程不超过第一待焊工件的厚度，内套环向下运动行程稍微超过第一待焊工件的厚度，使第二待焊工件上表面也开始塑化，形成的塑性流动材料区域继续扩大，塑性金属仍然储存在搅拌针和内套环相对运动形成的空间中；第四步，搅拌针、内套环、外套环处于高速旋转状态，内套环到达焊接深度后，开始向上运动，外套环也开始向上运动，搅拌针开始向下运动，塑性金属开始往回流动；第五步，内套环、外套环向上运动回到初始位置，搅拌针向下运动回到初始位置，搅拌针、内套环、外套环停止旋转运动，冷却后，塑性流动材料区域形成了一个焊点；第六步，搅拌针、内套环、外套环的轴向运动被精确控制，塑性流动材料完全回填到内套环、外套环上运动时留下的空间，保证了工件表面平整，点焊过程完成。
5.根据权利要求4所述的三动环搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述第三步中第二待焊工件数量为若干个，内套环继续向下运动穿透第一个第二待焊工件，并在第若干个第二待焊工件上表面形成塑性流动材料区域。
全文摘要
本发明涉及一种三动环搅拌摩擦点焊工具及其电焊方法，包括搅拌针、内套环、外套环、压紧套、塑性流动材料区域及下支撑，其中，待焊工件压紧在压紧套和下支撑之间，搅拌针设置在内套环内，内套环设置在外套环内，外套环设置在压紧套内，搅拌针、内套环及外套环与待焊工件摩擦形成塑性流动材料区域。外套环、内套环和搅拌针高速旋转，与工件摩擦，为系统提供热量，外套环向下剪切运动行程不超过上层工件厚度，内套环向下剪切运动行程稍微超出上层工件厚度，这样将形成两段不连续的阶梯状竖直连接界面，两个竖直连接界面由一水平连接界面连接，从而增强了焊点强度。
文档编号B23K20/26GK102554454SQ201110412849
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者乔凤斌, 郭立杰 申请人:上海航天设备制造总厂