一种插入式流动摩擦点焊方法及其工具的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种插入式流动摩擦点焊方法及其工具，该点焊工具包括由内至外依次套装且相对滑动设置的回填销、具有贯通腔的摩擦头和压紧套筒，在所述摩擦头端部的贯通腔内沿轴向设有至少一个隔板，形成至少两个内置空腔；在所述回填销的端部开槽，形成分别与各所述内置空腔相对应配合的销杈，所述销杈能沿所述内置空腔滑动，且所述销杈的端面能与所述摩擦头端部的端面及所述压紧套筒的端面处于同一个平面上。本发明既保留了回填式搅拌摩擦点焊焊点表面平整无匙孔，又消除了接头内部组织的不均匀性。
【专利说明】一种插入式流动摩擦点焊方法及其工具
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种无匙孔摩擦点焊，尤其涉及一种插入式流动摩擦点焊方法及其工具，属于点连接【技术领域】，适用于同种或异种可热塑化材料的点连接。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一项极具市场应用前景的新型固相连接技术。与电阻点焊、铆接等连接技术相比较，搅拌摩擦点焊方法具有以下优点:1、电能消耗少，成本低，已有研究表明，搅拌摩擦点焊与电阻点焊相比电能消耗可减少99% ；
2、与电阻点焊相比，接头质量高、缺陷率低、变形小，焊接质量稳定；3、工作环境清洁，搅拌摩擦点焊没有灰尘和烟雾，不需要大电流，生产过程清洁，不会产生电磁和噪声污染，属于绿色无污染工艺。
[0003]目前，搅拌摩擦点焊技术已经发展出多种形式，如常规搅拌摩擦点焊、流动摩擦点焊、回填式搅拌摩擦点焊等。流动摩擦点焊焊点表面光滑、完整，无匙孔，但可焊厚度较小。回填式搅拌摩擦点焊在保证焊点表面无匙孔的前提下，大大提高了可焊厚度。
[0004]然而，在现有的回填式搅拌摩擦点焊焊接过程中，由于扎入被焊材料的轴肩不能对整个焊点区域进行充分搅拌，导致焊接区内部组织分布较为复杂，并且容易出现疏松和弱连接等缺陷，这些问题导致回填式搅拌摩擦点焊接头疲劳性能尚不如带匙孔的常规搅拌摩擦点焊接头，而疲劳性能在航空结构件中显得尤为重要。因此有必要发明一种新的点焊方法及其工具，兼具回填式搅拌摩擦点焊和流动摩擦点焊的优点，同时摒弃两者的缺点，能够不受焊接厚度的限制而获得无匙孔、性能优越的点焊接头。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是针对现有流动摩擦点焊和回填式搅拌摩擦点焊技术中存在的问题，提供一种插入式流动摩擦点焊工具，该插入式流动摩擦点焊工具既保留了回填式搅拌摩擦点焊焊点表面平整无匙孔，又消除了接头内部组织的不均匀性。
[0006]本发明的另一目的是提供一种插入式流动摩擦点焊方法，该插入式流动摩擦点焊方法既保留了回填式搅拌摩擦点焊焊点表面平整无匙孔，又消除了接头内部组织的不均匀性。
[0007]为达到上述目的，本发明提出一种插入式流动摩擦点焊工具，包括由内至外依次套装且相对滑动设置的回填销、具有贯通腔的摩擦头和压紧套筒，在所述摩擦头端部的贯通腔内沿轴向设有至少一个隔板，形成至少两个内置空腔；在所述回填销的端部开槽，形成分别与各所述内置空腔相对应配合的销杈，所述销杈能沿所述内置空腔滑动，且所述销杈的端面能与所述摩擦头端部的端面及所述压紧套筒的端面处于同一个平面上。
[0008]如上所述的插入式流动摩擦点焊工具，其中，所述摩擦头端部的贯通腔内围绕所述贯通腔的中心轴并沿周向均匀设有三个隔板，形成三个内置空腔。
[0009]如上所述的插入式流动摩擦点焊工具，其中，所述摩擦头端部的贯通腔内呈十字交叉状设有四个隔板，形成四个内置空腔。
[0010]如上所述的插入式流动摩擦点焊工具，其中，在所述摩擦头端部的端面为光滑面。
[0011]如上所述的插入式流动摩擦点焊工具，其中，所述摩擦头端部的端面为带有同心环或螺纹线或涡状线的凸面。
[0012]本发明还提供了一种插入式流动摩擦点焊方法，采用如上所述的插入式流动摩擦点焊工具,所述方法包括:
[0013]步骤A:将摩擦头、回填销和压紧套筒的端面齐平，所述摩擦头、回填销和压紧套筒轴线与被焊工件表面相垂直，所述摩擦头、回填销和压紧套筒轴线指向所述被焊工件表面的待焊位置，此时所述摩擦头与所述回填销的位置为初始位置；将所述摩擦头、回填销和压紧套筒整体下压至所述被焊工件表面，保证压紧套筒将被焊工件压紧；之后，驱动所述摩擦头和回填销高速旋转，并与所述被焊工件表面相互摩擦，产生的摩擦热使被焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域；
[0014]步骤B:保持所述摩擦头和回填销高速旋转状态，同时驱动所述摩擦头沿轴线向下移动，并压入被焊工件，驱动所述回填销沿轴线向上移动；随着所述摩擦头端部的压入，所述塑性流动材料区域深度逐渐扩大，并将塑性流动材料区域内的塑化物挤压到所述回填销的销杈上移后留出的所述摩擦头的内置空腔中；
[0015]步骤C:继续保持所述摩擦头和所述回填销高速旋转状态，所述摩擦头继续向下移动，所述回填销继续向上移动，使得所述塑化物挤压到所述内置空腔中；
[0016]步骤D:当所述摩擦头的端部到达预定焊接深度后，驱动所述摩擦头向上移动，同时驱动所述回填销向下移动，使得所述内置空腔中的塑化物受反向挤压并逐渐回填至所述被焊工件表面形成的塑性流动材料区域内；
[0017]步骤E:驱动所述摩擦头向上移动且所述回填销向下移动回到初始位置，在所述回填销的销杈向下压力的作用下，所述内置空腔中的塑化物回填至所述塑性流动材料区域内，并与被焊工件表面齐平，所述摩擦头和回填销停止旋转运动，塑化物冷却后，在回填后的区域形成一个完整、无匙孔的焊点；
[0018]步骤F:将所述摩擦头、回填销和压紧套筒整体向上移动，与被焊工件分离，点焊过程完成。
[0019]如上所述的插入式流动摩擦点焊方法，其中，所述被焊工件为两块焊接件对接而成，所述预定焊接深度为所述摩擦头的端面下移至接近所述焊接件下表面0.1mm?0.3mm位置。
[0020]如上所述的插入式流动摩擦点焊工具，其中，所述被焊工件为至少两块焊接件搭接而成，所述预定焊接深度为所述摩擦头的端面向下移动至最下层焊接件的上表面以下的位置。
[0021]与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点:
[0022]本发明插入式流动摩擦点焊工具及其点焊方法克服了现有的流动摩擦点焊对可焊厚度的限制，完美保留了回填式搅拌摩擦点焊焊点表面平整无匙孔的优点，同时，由于摩擦头内部空腔偏离摩擦头轴线，从而使得塑化材料在轴向迁移的同时还具有周向迁移行为，保证了整个焊点区域热塑化材料的大范围充分迁移，无迁移死角，有效消除了回填式搅拌摩擦点焊由于轴肩搅拌区与搅拌针回填区相互分离而导致的接头组织不连续甚至产生空洞的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
[0024]图1为本发明插入式流动摩擦点焊工具的结构示意图；
[0025]图2A为本发明的回填销的局部结构示意图；
[0026]图2B为本发明的摩擦头的局部结构示意图；
[0027]图2C为本发明的压紧套筒的局部结构示意图；
[0028]图3A为本发明的插入式流动摩擦点焊工具实施例一的端面结构示意图；
[0029]图3B为本发明的插入式流动摩擦点焊工具实施例二的端面结构示意图；
[0030]图3C为本发明的插入式流动摩擦点焊工具实施例三的端面结构示意图；
[0031]图4为本发明的插入式流动摩擦点焊工具在点焊搭接工件时的使用状态示意图；
[0032]图5为本发明的插入式流动摩擦点焊工具在点焊对接工件时的使用状态示意图。
[0033]附图标记说明:
[0034]1-回填销；11_销杈；12_开槽；2_摩擦头；21_隔板；22_内置空腔；3_压紧套筒；
[0035]4-被焊工件；41、42_搭接焊接件；43、44_对接焊接件；5_塑性流动材料区域。
【具体实施方式】
[0036]结合附图和本发明【具体实施方式】的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的【具体实施方式】，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
[0037]请参考图1、图2A、图2B、图2C，图1为本发明插入式流动摩擦点焊工具的结构示意图；图2A为本发明的回填销的局部结构示意图；图2B为本发明的摩擦头的局部结构示意图；图2C为本发明的压紧套筒的局部结构示意图。如图所示，本发明提出的插入式流动摩擦点焊工具，包括由内至外依次套装且相对滑动设置的回填销1、具有贯通腔的摩擦头2和压紧套筒3，在摩擦头2端部的贯通腔内沿轴向设有至少一个隔板21，形成至少两个内置空腔22 ;在回填销I的端部开槽12，形成分别与各内置空腔22相对应配合的销杈11，销杈11插入各自对应的内置空腔22内且能沿内置空腔22滑动，实现在点焊过程中销杈11相对于内置空腔22的插拔功能。在初始状态时，销杈11的端面与摩擦头2端部的端面及压紧套筒3的端面处于同一个平面上，随着销杈11与摩擦头2的背向移动，摩擦头2的端部可扎入被焊工件，对整个焊点区域进行充分搅拌，有效消除回填式搅拌摩擦点焊接头组织分布复杂的缺点；随着摩擦头2与销杈11相向移动，使得摩擦头2回缩的过程中塑化材料物回填至焊点区域，以保留回填式搅拌摩擦点焊接头表面无匙孔的优点。
[0038]如图3A所示，在本发明一种可选的实施例中，在摩擦头2端部设有一个隔板21，该隔板21将摩擦头2端部的空腔分隔为两个内置空腔22，相应的，回填销I的端部开设有一开槽12，形成与两个内置空腔22相配合插接的销杈11。如图3B所示，在本发明另一种可选的实施例中，摩擦头2端部的内置空腔22由围绕摩擦头2贯通腔的中心轴沿周向均匀布设的三个隔板21构成，形成三叉形的内置空腔22 ;相应的，回填销I的端部开槽形成三叉形的销杈11。如图3C所示，在本发明再一种可选的实施例中，摩擦头2端部的内置空腔22由呈十字交叉状设有四个隔板21形成四个内置空腔22，相应的，回填销I的端部开槽形成四个与内置空腔22相对应的四个隔板21。
[0039]在本实施例中，摩擦头2端部的端面为光滑面。为了加强搅拌效果，在摩擦头2端部的端面为带有同心环或螺纹线或涡状线的凸面。
[0040]在本发明中，销杈11与内置空腔22无间隙配合，并保证摩擦头2与销杈11前端面可以处于同一个平面上。同时，摩擦头2与回填销I又可以产生沿轴向的相对运动，使销杈11在摩擦头2的内置空腔22内形成活塞运动。
[0041]如图4、图5所示，本发明还提供了一种插入式流动摩擦点焊方法，采用如上所述的插入式流动摩擦点焊工具。焊接前，将被焊工件4置于焊接平台上，回填销I置于摩擦头2，摩擦头2置于压紧套筒3内，销杈11与内置空腔22无间隙配合，销杈11的端面与摩擦头2端部的端面及压紧套筒3的端面处于同一个平面上，并使得回填销1、摩擦头2和压紧套筒3的端面压置于被焊工件4表面待焊位置，并施加一定的压力。
[0042]所述方法包括:
[0043]步骤A:将摩擦头2、回填销I和压紧套筒3的端面齐平，摩擦头2、回填销I和压紧套筒3轴线与被焊工件表面相垂直，摩擦头2、回填销I和压紧套筒3轴线指向被焊工件4表面的待焊位置，此时摩擦头2与回填销I的位置为初始位置；将摩擦头2、回填销I和压紧套筒3整体下压至被焊工件4表面，保证压紧套筒3将被焊工件压紧；之后，驱动摩擦头2和回填销I高速旋转，并与被焊工件4表面相互摩擦，产生的摩擦热使被焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域5 ；
[0044]步骤B:保持摩擦头2和回填销I高速旋转状态，同时驱动摩擦头2沿轴线向下移动，并压入被焊工件4，驱动回填销I沿轴线向上移动；随着摩擦头2端部的压入，塑性流动材料区域5深度逐渐扩大，并将塑性流动材料区域5内的塑化物挤压到回填销I的销杈上移后留出的摩擦头I的内置空腔22中；
[0045]步骤C:继续保持摩擦头2和回填销I高速旋转状态，摩擦头2继续向下移动，回填销I继续向上移动，使得塑性流动材料区域5内的塑化物被挤压到内置空腔22中；
[0046]步骤D:当摩擦头2的端部到达预定焊接深度后，驱动摩擦头2向上移动，同时驱动回填销I向下移动，使得内置空腔22中的塑化物受反向挤压并逐渐回填至被焊工件4表面形成的塑性流动材料区域5内；
[0047]步骤E:驱动摩擦头2向上移动且回填销I向下移动回到初始位置，在回填销I的销杈11向下压力的作用下，内置空腔22中的塑化物回填至塑性流动材料区域5内，并与被焊工件4表面齐平，摩擦头2和回填销I停止旋转运动，塑化物冷却后，在回填后的区域形成一个完整、无匙孔的焊点；
[0048]步骤F:将摩擦头2、回填销I和压紧套筒3整体向上移动，与被焊工件4分离，点焊过程完成。
[0049]如图4所示，作为本发明一种可选的实施方式，被焊工件4为两块焊接件41、42搭接而成，焊接件41、42按照搭接要求装夹固定，摩擦头2、回填销I和压紧套筒3同步移动，下压至被焊工件4上表面并施加一定的压力，摩擦头2、回填销I以相同的旋转方向和旋转速度高速旋转，并与被焊工件4表面相互摩擦；摩擦头2在高速旋转状态下沿轴线向下移动，插入被焊工件4，同时回填销I在高速旋转状态下向上移动，摩擦头2、回填销I沿轴向的移动速度满足如下先后顺序关系:摩擦头2挤出的塑化材料体积与回填销I上移形成的空间体积相同；摩擦头2向下移动至下端面越过焊接件41、42之间的界面0.1mm?0.2mm时停止向下移动，但保持高速旋转，停留I秒左右时间后，摩擦头2、回填销I开始沿轴线反方向移动；摩擦头2、回填销I下端面移动至与被焊工件4上表面齐平时停止轴向移动和旋转运动；摩擦头2、回填销I和压紧套筒3同步上移，完成焊接件41、42之间的搭接点焊。即预定焊接深度为所述摩擦头的端面向下移动至最下层焊接件的上表面以下的位置，以保证两块焊接件焊接在一起。被焊工件4也可以由三块、四块或更多块焊接件搭接而成，本发明对此不作限制。
[0050]如图5所示，作为本发明另一种可选的实施方式，被焊工件4为两块焊接件43、44对接而成，预定焊接深度为摩擦头2的端面下移至接近焊接件43、44下表面0.1mm?0.3mm位置，以保证两块焊接件焊接在一起。具体过程为:焊接件43、44按照对接要求装夹固定，摩擦头2、回填销I和压紧套筒3轴线对准焊接件43、44对接缝，下压至焊接件43、44上表面并施加一定的压力，摩擦头2、回填销I以相同的旋转方向和旋转速度高速旋转，并与被焊工件43、44表面相互摩擦；摩擦头2在高速旋转状态下沿轴线向下移动，插入被焊工件4，同时回填销I在高速旋转状态下向上移动，摩擦头2、回填销I移动速度满足如下先后顺序关系:摩擦头2挤出的塑化材料体积与回填销I上移形成的空间体积相同；摩擦头2向下移动至距离焊接件43、44下表面0.1mm时停止向下移动，但保持高速旋转，停留I秒左右时间后，摩擦头2、回填销I开始沿轴线反方向移动；摩擦头2、回填销I下端面移动至与焊接件43、44上表面齐平时停止轴向移动和旋转运动；摩擦头2、回填销I和压紧套筒3同步上移，完成焊接件43、44之间的对接点焊。
[0051]另外，本发明还可以在摩擦焊匙孔位置塞入同质材料，使塞入材料体积大于或等于匙孔体积，按照图5所示的方式对匙孔位置进行点焊，从而实现对搅拌摩擦焊匙孔的消除。
[0052]本发明插入式流动摩擦点焊工具及其点焊方法，采用包括带有2至4个内置空腔的摩擦头、带有2至4个销杈的回填销摩擦头和回填销高速旋转，与工件摩擦，为焊接过程提供热量。摩擦头整体插入热塑化的被焊材料，随着回填销向上移动，热塑化的材料沿摩擦头内部空腔全部被挤出。由于摩擦头内部空腔偏离轴线，因此挤入空腔的塑化材料在轴向迁移的同时还将形成周向迁移，从而保证了被焊材料原始对接面的有效消除。本发明改善点焊接头组织，提高接头性能，是一种全新的固相点连接技术，在壁板结构件，如飞机带筋壁板、汽车壳体等的点连接，以及长焊缝对接前的定位焊、缺陷修补等工程应用领域拥有巨大潜力。
[0053]本发明插入式流动摩擦点焊工具及其点焊方法克服了现有的流动摩擦点焊对可焊厚度的限制，完美保留了回填式搅拌摩擦点焊焊点表面平整无匙孔的优点，同时，由于摩擦头内部空腔偏离摩擦头轴线，从而使得塑化材料在轴向迁移的同时还具有周向迁移行为，保证了整个焊点区域热塑化材料的大范围充分迁移，无迁移死角，有效消除了回填式搅拌摩擦点焊由于轴肩搅拌区与搅拌针回填区相互分离而导致的接头组织不连续甚至产生空洞的缺点。
[0054]综上所述，本发明插入式流动摩擦点焊与现有搅拌摩擦点焊相比没有匙孔，与现有流动摩擦点焊相比可焊接厚度更大，与现有回填式搅拌摩擦点焊相比接头成形过程更加合理，因此本发明插入式流动摩擦点焊是在现有搅拌摩擦点焊技术基础上的又一次提升，具有显著的进步。
[0055]针对上述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。
【权利要求】
1.一种插入式流动摩擦点焊工具，包括由内至外依次套装且相对滑动设置的回填销、具有贯通腔的摩擦头和压紧套筒，其特征在于，在所述摩擦头端部的贯通腔内沿轴向设有至少一个隔板，形成至少两个内置空腔；在所述回填销的端部开槽，形成分别与各所述内置空腔相对应配合的销杈，所述销杈能沿所述内置空腔滑动，且所述销杈的端面能与所述摩擦头端部的端面及所述压紧套筒的端面处于同一个平面上。
2.如权利要求1所述的插入式流动摩擦点焊工具，其特征在于，所述摩擦头端部的贯通腔内围绕所述贯通腔的中心轴并沿周向均匀设有三个隔板，形成三个内置空腔。
3.如权利要求1所述的插入式流动摩擦点焊工具，其特征在于，所述摩擦头端部的贯通腔内呈十字交叉状设有四个隔板，形成四个内置空腔。
4.如权利要求1至3中任一项所述的插入式流动摩擦点焊工具，其特征在于，在所述摩擦头端部的端面为光滑面。
5.如权利要求1至3中任一项所述的插入式流动摩擦点焊工具，其特征在于，所述摩擦头端部的端面为带有同心环或螺纹线或涡状线的凸面。
6.一种插入式流动摩擦点焊方法，其特征在于，采用如权利要求1至5中任一项所述的插入式流动摩擦点焊工具，所述方法包括: 步骤A:将摩擦头、回填销和压紧套筒的端面齐平，所述摩擦头、回填销和压紧套筒轴线与被焊工件表面相垂直，所述摩擦头、回填销和压紧套筒轴线指向所述被焊工件表面的待焊位置，此时所述摩擦头与所述回填销的位置为初始位置；将所述摩擦头、回填销和压紧套筒整体下压至所述被焊工件表面，保证压紧套筒将被焊工件压紧；之后，驱动所述摩擦头和回填销高速旋转，并与所述被焊工件表面相互摩擦，产生的摩擦热使被焊工件表面塑化，形成塑性流动材料区域； 步骤B:保持所述摩擦头和回填销高速旋转状态，同时驱动所述摩擦头沿轴线向下移动，并压入被焊工件，驱动所述回填销沿轴线向上移动；随着所述摩擦头端部的压入，所述塑性流动材料区域深度逐渐扩大，并将塑性流动材料区域内的塑化物挤压到所述回填销的销杈上移后留出的所述摩擦头的内置空腔中； 步骤C:继续保持所述摩擦头和所述回填销高速旋转状态，所述摩擦头继续向下移动，所述回填销继续向上移动，使得所述塑化物挤压到所述内置空腔中； 步骤D:当所述摩擦头的端部到达预定焊接深度后，驱动所述摩擦头向上移动，同时驱动所述回填销向下移动，使得所述内置空腔中的塑化物受反向挤压并逐渐回填至所述被焊工件表面形成的塑性流动材料区域内； 步骤E:驱动所述摩擦头向上移动且所述回填销向下移动回到初始位置，在所述回填销的销杈向下压力的作用下，所述内置空腔中的塑化物回填至所述塑性流动材料区域内，并与被焊工件表面齐平，所述摩擦头和回填销停止旋转运动，塑化物冷却后，在回填后的区域形成一个完整、无匙孔的焊点； 步骤F:将所述摩擦头、回填销和压紧套筒整体向上移动，与被焊工件分离，点焊过程完成。
7.如权利要求6所述的插入式流动摩擦点焊方法，其特征在于，所述被焊工件为两块焊接件对接而成，所述预定焊接深度为所述摩擦头的端面下移至接近所述焊接件下表面0.1mm~0.3mm位置。
8.如权利要求6所述的插入式流动摩擦点焊方法，其特征在于，所述被焊工件为至少两块焊接件搭接而成，所述预定焊接深度为所述摩擦头的端面向下移动至最下层焊接件的上 表面以下的位置。
【文档编号】B23K20/26GK103801818SQ201410077971
【公开日】2014年5月21日 申请日期:2014年3月5日 优先权日:2014年3月5日
【发明者】赵华夏, 董春林, 栾国红, 刘伟 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所