一种搅拌摩擦点焊机和搅拌摩擦点焊方法与流程

本发明涉及搅拌摩擦焊接，特别是一种带有控冷静止轴肩的搅拌摩擦点焊机和使用该点焊机进行搅拌摩擦点焊的方法。

背景技术：

搅拌摩擦点焊(Friction stir spot welding,FSSW)是在搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)基础上发展起来的固相点连接技术。因FSSW具有工艺简单、节能、焊接质量稳定、接头性能高、变形小等优点，在航空、航天、汽车、船舶等制造业具有广泛的应用前景。搅拌摩擦点焊包括三个过程：一、旋转搅拌头的下扎；二、下扎结束后停留一定时间；三、搅拌头回抽，完成焊接。

用现有的搅拌摩擦点焊机和焊接工艺方法进行焊接，在搅拌头下扎过程与停留阶段，搅拌针尖端会出现材料聚集区，堆积的塑性材料会对搭接界面产生向上的挤压力，使得搭接界面向上弯曲，形成通常所说的二次钩状缺陷。二次钩状缺陷是影响搅拌摩擦点焊接头力学性能的重要因素，它是在搅拌针下扎至轴肩压入材料这一过程中产生的。在搅拌针下扎过程中，材料在螺纹的带动下由搅拌针底部向上流动，向上流动的材料会挤压上板与下板的接触面，导致搭接界面和上板向上翘曲；轴肩接触上板后，开始挤压上板向下移动，导致原来的界面“折断”，从而形成二次钩状缺陷。二次钩状缺陷的出现为裂纹的扩展增加了途径，对搅拌摩擦点焊接头的性能极为不利。

技术实现要素：

为了去除二次钩状缺陷和提高搅拌摩擦点焊接头的性能，本发明提供一种搅拌摩擦点焊机和使用该点焊机进行搅拌摩擦点焊的方法。

本发明提供的搅拌摩擦点焊机，包括安装在焊机机身上的搅拌头和置于搅拌头外部的静止轴肩；所述静止轴肩由单独一台电机通过传动装置驱动上下运动；静止轴肩的底部有由厚度为0.5—12mm的高热导率金属板材制成的静止轴肩底盖封闭的冷却介质通道。

2.用权利要求1所述搅拌摩擦点焊机进行搅拌摩擦点焊的方法，包括以下步骤：

步骤1、将待焊接工件的上板和下板以搭接的方式放在工作台上，并固定好；

步骤2、在工件焊接区域的下部设置超声振动装置，超声振动装置由超声发生器、超声换能器和超声变幅杆组成，其中超声变幅杆与工件的下板相接触；

步骤3、用上述超声振动装置辅助进行搅拌摩擦点焊：

电机通过传动装置驱动静止轴肩向下移动，当静止轴肩接触上板后给出1KN～50KN(根据工件材质和静止轴肩大小确定)的下压力，以保证焊接过程中上板不会翘起，静止轴肩下压后，使冷却介质(水冷或气冷)通过静止轴肩中的冷却介质通道，对焊接区表面进行冷却；

然后开启超声发生器，根据工件的材质和厚度，超声波频率选取范围为20～80KZ，振幅选取范围为20～60μm，调节超声变幅杆与工件下板的夹角，使工件板面产生的振动最大；

然后使搅拌头以100～7000转/分的转速转动并下扎穿透上板；同时静止轴肩压入工件0.1～0.5mm；搅拌头穿透上板后继续转动并停留0～500秒；然后搅拌头停止转动并以0.1～100mm/min速度回抽，此时静止轴肩与工件的上板继续保持接触，冷却介质继续施加0～200s；然后使静止轴肩回撤，回撤速度为0.1～100mm/min；超声振动装置自静止轴肩开始回撤起继续振动0～500s后停止振动，完成点焊全过程。

本发明的有益效果：

1、通过静止轴肩对上板的预压作用，使搅拌头在扎入下板时向上挤压的材料无法使上板翘起，从而避免了二次钩状缺陷的产生，减少了裂纹扩展的路径，有利于提升接头的力学性能。

2、静止轴肩与工件上表面接触后，冷却介质通过静止轴肩下部由高热导率材料(如铜)制成的底盖封闭的环形冷却介质通道对焊接区表面进行冷却，在接触热传导及冷却介质的双重作用下，焊点近表面的热量可被迅速带走，使沿板厚方向温度均匀，温度梯度减小，残余应力减小，变形降低。

3、静止轴肩包围着搅拌头的动轴肩，焊接过程中起到“围栏”作用，可有效减少外溢的材料，减小飞边；在静止轴肩的下压作用下，搭接界面间的作用力增强，促进界面间原子扩散结合，有利于提高接头的力学性能。

4、在工件的背部施加超声，可促进焊接过程中焊核底部材料的流动，增加底部区域焊核区的宽度，减小沿板厚方向焊核区的宽度差；由于超声施加在下板，下板的超声振动较强，下板塑性材料体积增加，底部材料堆积量增加，材料堆积区对搭接界面的挤压作用增强，有利于改善原子扩散。

5、将超声变幅杆设计成可移动式，在焊接不同材料或者不同板厚的材料时可找到施加超声的最佳位置，使超声振动达到最佳效果。

6、通过静止轴肩施加控冷条件，可提高焊接的降温速率，有效避免晶粒的异常长大，减小热影响区的范围及软化程度，有利于提高接头性能。

7、静止轴肩的底盖由足够薄的高热导率材料制成，可确保冷却效果，并使冷却介质不能与工件接触，避免工件受到污染。

8、搅拌头与静止轴肩撤离焊板后，超声振动继续维持一段时间，可消除焊后残余应力，提高焊接质量。

附图说明

图1为本发明搅拌摩擦点焊机的结构及其使用示意图；

图2为图1中静止轴肩的剖视图；

图3为图2静止轴肩去掉静止轴肩底盖后的俯视图；

图4为图2中静止轴肩底盖的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

如图1至图4所示，本发明搅拌摩擦点焊机，包括安装在焊机机身1上的搅拌头2和置于搅拌头外部的静止轴肩3。搅拌头的针长为5mm，静止轴肩的直径为13mm。静止轴肩由单独一台电机4通过传动装置驱动可上下运动。在静止轴肩的底部设有由静止轴肩底盖17封闭的冷却介质通道18，冷却介质通道由四组相互连通的环形孔道组成，并由静止轴肩底盖封闭，冷却介质通道与开设在静止轴肩两侧壁上的L形冷却介质进口5和冷却介质出口6相接。静止轴肩底盖由厚度为1mm的铜板制成，用紧固螺栓19固定在静止轴肩的底面。

以下为使用上述搅拌摩擦点焊机对厚度为3mm的铝合金板进行搅拌摩擦点焊的实施例。

实施例1

其操作步骤如下：

步骤1、将待焊工件(所述铝合金板)的上板11和下板12的待焊接部位上下搭接，用压块10、压条8、支撑块9、垫块13和垫板14固定在工作台7上。.为了防止组成搅拌头的动轴肩(未图示)与静止轴肩接触，并尽量减少材料进入其间隙中，静止轴肩与动轴肩的间隙选取0.1mm。

步骤2、在工件焊接区域的下部设置超声振动装置，超声振动装置由超声发生器16、超声换能器和超声变幅杆15组成，其中的超声变幅杆与工件的下板相接触。

步骤3、用上述超声振动装置辅助进行搅拌摩擦点焊：

开启电机，驱动静止轴肩向下运动，与上板紧密接触，并以20KN的下压力对上板施压，保证焊接过程中上板不会翘起；静止轴肩下压后，打开供水阀门，使冷却水由输水管(未图示)通过静止轴肩中的冷却介质进口和冷却介质出口流经静止轴肩中的冷却介质通道，对焊接区表面进行冷却。为了增强冷却效果，在单次焊接中冷却水不循环利用。

然后开启超声发生器，超声频率选30KHz，振幅选40μm，调整超声变幅杆的位置和角度，使工件板面产生的振动最大。

然后使搅拌头以1000转/分的转速转动并下扎穿透上板，同时静止轴肩扎进工件0.2mm；搅拌头穿透上板后继续转动并停留20秒；然后使搅拌头停止转动并回抽，回抽速度为50mm/min，此时静止轴肩与工件的上板继续保持接触；冷却介质继续施加100s后将静止轴肩回撤，回撤速度为10mm/min；超声振动装置自静止轴肩开始回撤起继续振动300s后停止振动，结束工件的焊接。

实施例2

本实施例与实施例1不同的是，其步骤3中所述搅拌头的旋转速度为2000转/分，其它与实施例1相同。

实施例3

本实施例与实施例1不同的是，其步骤3中所述的超声波频率为60KHz，其它与实施例1相同。

实施例4

本实施例与实施例1不同的是，其步骤3中所述的冷却方式为气冷，其它与实施例1相同。

实施例5

本实施例与实施例4不同的是，其步骤3中所述搅拌头穿透上板后的停留时间为50s，其它与实施例4相同。