一种搅拌摩擦点焊装置和点焊连接接头的制作方法

本实用新型涉及焊接设备的技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦点焊装置。

背景技术：

搅拌摩擦点焊(frictionstirspotwelding，fssw)是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术具有接头质量高、缺陷少、变形小等优点。fssw可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。

目前，已公开的资料中报道了两种不同的fssw技术。第一种方法是日本mazda汽车公司于1993年发明的搅拌摩擦点焊，基本原理如图1所示。这种搅拌摩擦点焊又称为“带有退出孔的搅拌摩擦点焊”技术，采用的焊接设备与普通搅拌摩擦焊接设备类似，具体的焊接过程可分为3个阶段：

a.压入过程：搅拌头1不断旋转，通过施加顶锻压力插入连接工件中，在压力作用下工件与搅拌头之间产生摩擦热，软化周围材料，搅拌头进一步压入工件；

b.连接过程：搅拌头1完全镶嵌在工件中，保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面，继续旋转一定时间；

c.回撤过程：完成连接后搅拌头1从工件退出，在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。

第二种方法是德国gkss研究中心于1999年发明的搅拌摩擦点焊，采用特殊的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回撤的同时填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，采用该方法焊接的点焊缝平整，焊点中心没有凹孔。参照图2，搅拌摩擦点焊的搅拌头主要由三部分组成，分别为最内部的探针8、中间层的袖筒7以及最外层的夹套6。其中，夹套在焊接时固定，不发生旋转，而中间层的袖筒和最内层的探针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的相对运动。具体的，焊接时中间层袖筒和最内部探针转动，使得焊接点软化；当焊接点软化后，最内部探针向上运动，中间层袖筒向下运动并与焊接点继续摩擦，使得软化后的材料能够挤压至最内部探针与中间层袖筒形成的凹槽中；当焊接结束时，中间层袖筒向上运动，最内部探针向下运动，进而使得最内部探针与中间层袖筒形成凹槽中软化后的材料被挤压出来并将中间层袖筒留下的空洞填平，从而避免形成第一种方法中的退出凹孔。

与第一种焊接技术相比，第二种焊接技术要完成复杂的相对运动，填充退出孔将需要相对长的焊接时间，对设备的刚性和控制精度要求严格，需要专门的焊接设备进行焊接，前期投入成本较大；优点是焊接后无退出孔，接头强度高、质量好。第一种焊接技术的优点是焊接速度较快，并且焊接设备和控制系统比较简单，容易集成到大批量的汽车组装生产线中。

技术实现要素：

本实用新型的其中一个目的是提出一种搅拌摩擦点焊装置，解决了现有技术中无退出孔的焊接技术成本高，焊接效率低的技术问题。本实用新型优选技术方案所能够达到诸多有益技术效果，具体见下文阐述。

为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型的搅拌摩擦点焊装置包括搅拌头和焊接垫板，搅拌头通过旋转与上层板材相互摩擦；焊接垫板用于支撑下层板材和/或上层板材，且焊接垫板与下层板材接触的一面设置有内陷结构，以使焊接点的上层板材能够在搅拌头的挤压下嵌入下层板材中。

进一步优选的技术方案，内陷结构为圆形凹槽，且圆形凹槽的直径大于搅拌头的直径。

进一步优选的技术方案，内陷结构的深度为板材焊接处总厚度的25％～100％。

进一步优选的技术方案，搅拌头包括导流槽，导流槽位于搅拌头与待焊接物接触的一端的端面。

进一步优选的技术方案，导流槽为螺旋状和/或弧形，且导流槽的一端位于搅拌头端面的边缘，导流槽的另一端靠近搅拌头端面中心。

进一步优选的技术方案，导流槽的内旋方向与搅拌头焊接时的旋转方向相反。

进一步优选的技术方案，搅拌头包括两条或两条以上导流槽。

进一步优选的技术方案，导流槽的深度为0.5mm～1.5mm。

一种点焊连接接头，该点焊连接接头采用上述任意一种搅拌摩擦点焊装置焊接而成。

进一步优选的技术方案，点焊连接接头为同种材料焊接而成，或者是，点焊连接接头为异种材料焊接而成。

本实用新型提供的搅拌摩擦点焊装置至少具有如下有益技术效果：

本实用新型所述的搅拌摩擦点焊装置采用无针式搅拌头，能够有效避免焊接点出现退出孔。焊接垫板上设置内陷结构，使得焊接时上层板材能够在搅拌头的挤压下嵌入下层板材中，使得上层板材与下层板材的焊接点结合了搅拌摩擦焊工艺和自冲铆接结构的特点，进而能够有效增加焊接点的连接强度。并且，本实用新型所述的搅拌摩擦点焊装置操作简单，焊接时无需进行往复的相对运动，能够有效提高焊接效率。本实用新型所述搅拌摩擦点焊装置的结构简单，与现有技术中无退出孔的搅拌摩擦点焊装置相比，其制造成本更低。

本实用新型所述点焊连接接头，不仅通过摩擦点焊焊接固定，还利用上层板材凹陷于下层板材中，使得点焊连接接头出形成铆接结构，进而能够有效提高点焊连接接头的连接强度，提高焊接质量。

此外，本实用新型优选技术方案还可以产生如下技术效果：

本实用新型优选技术方案的搅拌头与上层板材接触端的端面上设置导流槽，使得待焊接的上层板材软化后的部分能在搅拌头的挤压下进入导流槽，进而避免焊接时上层板材软化后的部分沿着搅拌头的侧壁溢出；

本实用新型优选技术方案的导流槽设置为螺旋结构，使得导流槽能够利用搅拌头旋转将上层板材软化的部分向搅拌头中心部位聚集，进一步防止上层板材软化后的部分沿着搅拌头的侧壁溢出。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中带有退出孔的搅拌摩擦点焊装置的示意图；

图2是现有技术中无退出孔的搅拌摩擦点焊装置的示意图；

图3是本实用新型一种优选实施方式搅拌摩擦点焊装置的示意图；

图4是本实用新型一种优选实施方式焊接垫板的示意图；

图5是本实用新型一种优选实施方式搅拌头的示意图；

图6是本实用新型第一种优选实施方式导流槽的示意图；

图7是本实用新型第二种优选实施方式导流槽的示意图；

图8是本实用新型第三种优选实施方式导流槽的示意图。

图中：1-搅拌头；11-导流槽；2-焊接垫板；21-内陷结构；3-上层板材；4-下层板材；5-板材软化部；6-夹套；7-袖筒；8-探针。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。

需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

参照图3，一种搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌头1和焊接垫板2，搅拌头1位于上层板材3的上方，且搅拌头1通过旋转与上层板材3相互摩擦；焊接垫板2位于下层板材4的下方，用于支撑下层板材4和/或上层板材3，且焊接垫板2与下层板材4接触的一面设置有内陷结构21，以使焊接点的上层板材3能够在搅拌头1的挤压下嵌入下层板材4中。

在焊接的过程中，待焊的上层板材3和下层板材4采用搭接焊的形式.具体的，将待焊上层板材3与待焊的下层板材4相互固定，并将所需焊接的焊接点对应放置在焊接垫板2上。启动搅拌摩擦点焊装置，使得高速旋转的搅拌头1缓慢向下运动，即向待焊的上层板材3靠近。进一步的，搅拌头1与待焊的上层板材3接触，并与上层板材3相互摩擦。进一步的，搅拌头1继续旋转下降，待焊的上层板材3与下层板材4在搅拌头1的挤压下发生变形，并内陷于内陷结构21。当下层板材4与内陷结构21的底部紧密接触后，抬起搅拌头1，形成点焊接头。

作为本实用新型一种优选的实施方式，内陷结构21为圆形凹槽，且圆形凹槽的直径大于搅拌头1的直径。优选的，圆形凹槽的直径不小于搅拌头1直径与两倍焊接点厚度之和。进一步优选的，圆形凹槽的直径等于搅拌头1直径与两倍焊接点厚度之和，以便焊接点的上层板材3和下层板材4能够更好地内陷于圆形凹槽。

作为本实用新型一种优选的实施方式，内陷结构21的深度为板材焊接处总厚度的25％～100％。

参照图5至图8，搅拌头1包括导流槽11，导流槽11位于搅拌头1与待焊接物接触的一端的端面。当搅拌头1与待焊接的板材接触摩擦时，因摩擦产生的热量会使得待焊接的板材软化，并形成板材软化部5，当搅拌头1继续挤压时，板材软化部5会在挤压的过程中进入搅拌头1上的导流槽11中，进而避免板材软化部5从搅拌头1端面的边缘沿着搅拌头1的侧壁溢流。

参照图6，导流槽11为螺旋状和/或弧形，且导流槽11的一端位于搅拌头1端面的边缘，导流槽11的另一端靠近搅拌头1端面中心。

作为本实用新型一种优选的实施方式，导流槽11的内旋方向与搅拌头1焊接时的旋转方向相反。需要说明的是，导流槽11的内旋方向是指由导流槽11靠近搅拌头1端面边缘的一端沿着导流槽11向导流槽11靠近搅拌头1端面中心部位的一端移动时的旋转方向。

参照图6至图8，搅拌头1包括两条或两条以上导流槽11。

作为本实用新型一种优选的实施方式，导流槽11的深度为0.5mm～1.5mm。

上述实施例中的导流槽11，在搅拌头1的高速旋转且下压的情况下能够利用导流槽11槽壁推压板材软化部5，使得板材软化部5能向靠近搅拌头1端面中心部位移动。当搅拌头1向上移动时，搅拌头1的端面与上层板材3的表面分离，导流槽11中板材软化部5能够在重力和导流槽11槽壁的推动下填补搅拌头1端面与上层板材3之间形成的缝隙，进而避免进入导流槽11的板材软化部5焊接后凸出于焊接点的表面。

参照图3，利用上述实施例中任意一种优选方案的搅拌摩擦点焊装置焊接上层板材3和下层板材4的过程中，搅拌头1通过旋转与上层板材3发生相对运动，进而产生摩擦热使得焊接点处的上层板材3和/或下层板材4出现软化，并形成板材软化部5，并且上层板材3和下层板材4通过板材软化部5实现冶金结合，即上层板材3与下层板材4焊接为一体，形成焊接结构。

同时，搅拌头1向下运动，使得上层板材3和下层板材4内陷于焊接垫板2上的内陷结构21中，进而使得上层板材3能够内嵌于下层板材4中，即上层板材3与下层板材4相互机械咬合，即形成自冲铆接结构。

因此，本实用新型所述的点焊连接接头同时具备摩擦点焊的特点，在外观上无退出孔，且具备铆接的结构特点，能有效提高上层板材3与下层板材4连接点的连接强度和抗剪切能力。

作为一种优选的实施方式，点焊连接接头可以为同种材料焊接，例如上层板材3和下层板材4均为铝合金材质板材。作另一种可实施的方案，点焊连接接头还可以为异种材料焊接，例如铝合金与镀锌钢连接。优选的，点焊连接接头为异种金属连接时，熔点较低的金属板位于靠近搅拌头1的一侧，熔点高的金属板位于靠近焊接垫板2的一侧。具体的，铝合金与镀锌钢进行异种金属焊接时，将铝合金板材置于上面，镀锌钢板置于下面，高速旋转的搅拌头1与铝合金接触，在摩擦热和压力作用下，铝与镀锌钢表面的锌结合，形成铝合金与镀锌钢异种金属连接。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。