专利名称：异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法
技术领域：
本发明涉及一种点焊方法，具体涉及一种异种材料搅拌摩擦点焊方法。
背景技术：
异种材料是指两种属性相差较大的材料，如铜合金和铝合金、钛合金和铝合金、钢 和铝合金等。常规的搅拌摩擦点焊是在摩擦热和塑性变形能的作用下，形成连接的点接头。 其过程为一个非消耗的搅拌头高速旋转，通过施加顶锻压力插入连接工件中，搅拌头与工 件之间的摩擦，使金属软化并发生塑性流动，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，完成连接后搅拌头从工件中退出，在点焊缝中心留下典型的退出孔(匙孔)。 针对匙孔的问题，德国GKSS研究中心于1999年发明了无匙孔的搅拌摩擦点焊，采用特殊的 搅拌头，该搅拌头由最内部的搅拌针、中间具有轴肩功能的套筒和最外侧的夹套组成，夹套 在焊接时固定，不发生旋转，套筒和最内层的搅拌针在焊接时既发生旋转也发生沿轴向的 相对运动，通过精确控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回抽的同时填充搅拌头在焊 接过程中形成的匙 L。这种方法不但搅拌头复杂，而且要完成复杂的相对运动，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。采用上述搅拌 摩擦点焊方法对两种属性相差较大的材料点焊时，焊接难度更大。
发明内容
本发明的目的是提供一种异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法，以消除两种属性 相差较大材料的搅拌摩擦点焊的焊缝表面的匙孔的问题。 本发明的方法是通过以下步骤实现的步骤一、将两种材料叠放在一起，熔点高的 或厚度小的材料置于上方，熔点低的或厚度大的材料置于下方，将两种材料固定压紧；步骤 二、点焊利用现有一体式焊具在上方的材料表面待焊位置处进行搅拌摩擦点焊，一体式 焊具参数的选择一体式焊具上的搅拌针的长度为3mm 9mm、一体式焊具的轴肩直径为 10mm 28mm、一体式焊具的旋转速度为400转/分钟 1000转/分钟、一体式焊具的轴 肩压入量为0. lmm 0. 3mm，点焊时，焊具逐渐扎入被焊工件，焊具停止扎入后，继续旋转2 秒 5秒，提起一体式焊具，形成点焊缝，且在点焊缝中心部位存在匙孔；步骤三、补焊利
用组合式焊具对搅拌摩擦点焊中心遗留的匙孔进行补焊，组合式焊具参数的选择组合式
焊具上的搅拌针的材质与置于下方的被焊材料材质相同，搅拌针前端的锥体部分的形状与
匙孔的形状吻合，组合式焊具上的轴肩的直径为10mm 28mm，组合式焊具的旋转速度为
600转/分钟 1200转/分钟，组合式焊具上的轴肩的压入量为0. 05mm 0. lmm，补焊时，
焊具逐渐扎入匙孔内，焊具停止扎入后，继续旋转3秒 5秒，提起组合式焊具，在匙孔处形
成点焊缝，补焊后，搅拌针上的圆柱部分留在夹持体上的夹持孔中，搅拌针上的锥体部分与
匙孔发生塑性变形并填充在匙孔内，即实现异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法。 本发明具有以下优点一、异种材料无匙孔搅拌摩擦点焊属于固相连接，采用本发明方法对异种材料进行搅拌摩擦点焊，焊接过程中不出现金属熔化，焊缝内部无气孔、焊缝 残余应力低、工件变形小，并消除了焊缝中的匙孔。二、补焊时，焊具采用组合式焊具，由于 轴肩为非消耗件，可循环使用，搅拌针为消耗件，因此，组合式焊具方便更换。三、本发明方 法操作简单，适应性强。
图1是步骤二中组合式焊具的结构主剖视图，图中标记1为夹持体、1-1为夹持体 上的夹持孔、2为轴肩、3为搅拌针、3-l为搅拌针上的圆柱部分、3-2为搅拌针上的锥体部 分、4为环形隔热槽；图2是步骤一完成后，形成点焊缝中心部位的形貌图，图中M为匙孔； 图3是步骤二完成后，形成补焊缝中心部位的形貌图。
具体实施例方式
具体实施方式
一 结合图1 3说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现 的步骤一、将两种材料叠放在一起，熔点高的或厚度小的材料置于上方，熔点低的或厚度 大的材料置于下方，将两种材料固定压紧；步骤二、点焊利用现有一体式焊具在上方的材 料表面待焊位置处进行搅拌摩擦点焊， 一体式焊具参数的选择一体式焊具上的搅拌针的 长度为3mm 9mm、一体式焊具的轴肩直径为10mm 28mm、一体式焊具的旋转速度为400 转/分钟 1000转/分钟、一体式焊具的轴肩压入量为0. lmm 0. 3mm，点焊时，焊具逐渐 扎入被焊工件，焊具停止扎入后，继续旋转2秒 5秒，提起一体式焊具，形成点焊缝，且在 点焊缝中心部位存在匙孔M，如图2所示，匙孔形状规则，内壁光滑；步骤三、补焊利用组合 式焊具对搅拌摩擦点焊中心遗留的匙孔M进行补焊，组合式焊具参数的选择组合式焊具 上的搅拌针3的材质与置于下方的被焊材料材质相同，搅拌针3前端的锥体部分3-2的形 状与匙孔M的形状吻合，搅拌针3为消耗件，搅拌针3的材质与置于下方的被焊材料材质相 同，便于搅拌摩擦补焊过程中，搅拌针3前端的锥体部分3-2与匙孔M周围的金属发生塑性 化后填充于匙孔M内，组合式焊具上的轴肩2的直径为10mm 28mm，组合式焊具的旋转速 度为600转/分钟 1200转/分钟，组合式焊具上的轴肩2的压入量为0. 05mm 0. lmm， 补焊时，焊具逐渐扎入匙孔M内，焊具停止扎入后，继续旋转3秒 5秒，提起组合式焊具， 在匙孔M处形成点焊缝，补焊后，搅拌针3上的圆柱部分3-1留在夹持体1上的夹持孔1-1 中，搅拌针上的锥体部分3-2与匙孔M发生塑性变形并填充在匙孔M内，如图3所示，即实 现异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法。经上述方法点焊后的匙孔表面成形好、无宏观缺 陷，补焊位置剖面界面结合良好，搅拌针3上的锥体部分3-2与匙孔M间无未焊合现象，并 发生了充分的材料塑性流动，且在上下两工件搭接界面处也发生了充分的材料塑性流动。
具体实施方式
二 结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中一体式焊具 的材质为淬火热处理高速钢。上述材质可以重复使用。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中组合式焊具 上的轴肩2的材质为淬火热处理高速钢。上述材质可以重复使用。其它步骤与具体实施方 式一或二相同。
具体实施方式
四以被焊接工件为3mm厚的铜合金板材和7. 5mm厚的铝合金板材 为例来说明本实施方式的实现步骤步骤一、将3mm厚的铜合金板材置于上方，7. 5mm厚的铝合金板材置于下方，两种合金板材叠放在一起，固定压紧；步骤二、点焊利用现有一体 式焊具在3mm厚的铜合金板材的上表面待焊位置处进行搅拌摩擦点焊， 一体式焊具参数的 选择一体式焊具上的搅拌针的长度为7. 4mm、一体式焊具的轴肩直径为23mm、一体式焊具 的旋转速度为800转/分钟、一体式焊具的轴肩压入量为0. lmm，点焊时，焊具逐渐扎入被焊 工件，焊具停止扎入后，继续旋转2 5秒，提起一体式焊具，形成点焊缝，且在点焊缝中心 部位存在匙孔M，如图2所示，匙孔形状规则，内壁光滑； 骤三、补焊利用组合式焊具对搅 拌摩擦点焊中心遗留的匙孔M进行补焊，组合式焊具参数的选择组合式焊具上的搅拌针3 的材质与置于下方的7. 5mm厚的铝合金板材材质相同，搅拌针3前端的锥体部分3_2的形 状与匙孔M的形状吻合，搅拌针3的材质与7. 5mm厚的铝合金板材材质相同，便于搅拌摩擦 补焊过程中，搅拌针3前端的锥体部分3-2与匙孔M周围的金属发生塑性化后填充于匙孔 M内，组合式焊具上的轴肩2的直径为23mm，组合式焊具的旋转速度为1200转/分钟，组合 式焊具上的轴肩2的压入量为0. 05mm，补焊时，焊具逐渐扎入匙孔M内，焊具停止扎入后，继 续旋转5秒，提起组合式焊具，在匙孔M处形成点焊缝，补焊后，搅拌针3上的圆柱部分3-1 留在夹持体1上的夹持孔1-1中，搅拌针上的锥体部分3-2与匙孔M发生塑性变形并填充 在匙孔M内，如图3所示，即实现异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法。经上述方法点焊 后的匙孔M表面成形好、无宏观缺陷，补焊位置剖面界面结合良好，搅拌针3上的锥体部分 3-2与匙孔M间无未焊合现象，并发生了充分的材料塑性流动，且在3mm厚的铜合金板材与 7. 5mm厚的铝合金板材搭接界面处也发生了充分的材料塑性流动。
权利要求
一种异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的步骤一、将两种材料叠放在一起，熔点高的或厚度小的材料置于上方，熔点低的或厚度大的材料置于下方，将两种材料固定压紧；步骤二、点焊利用现有一体式焊具在上方的材料表面待焊位置处进行搅拌摩擦点焊，一体式焊具参数的选择一体式焊具上的搅拌针的长度为3mm～9mm、一体式焊具的轴肩直径为10mm～28mm、一体式焊具的旋转速度为400转/分钟～1000转/分钟、一体式焊具的轴肩压入量为0.1mm～0.3mm，点焊时，焊具逐渐扎入被焊工件，焊具停止扎入后，继续旋转2秒～5秒，提起一体式焊具，形成点焊缝，且在点焊缝中心部位存在匙孔(M)；步骤三、补焊利用组合式焊具对搅拌摩擦点焊中心遗留的匙孔(M)进行补焊，组合式焊具参数的选择组合式焊具上的搅拌针(3)的材质与置于下方的被焊材料材质相同，搅拌针(3)前端的锥体部分(3-2)的形状与匙孔(M)的形状吻合，组合式焊具上的轴肩(2)的直径为10mm～28mm，组合式焊具的旋转速度为600转/分钟～1200转/分钟，组合式焊具上的轴肩(2)的压入量为0.05mm～0.1mm，补焊时，焊具逐渐扎入匙孔(M)内，焊具停止扎入后，继续旋转3秒～5秒，提起组合式焊具，在匙孔(M)处形成点焊缝，补焊后，搅拌针(3)上的圆柱部分(3-1)留在夹持体(1)上的夹持孔(1-1)中，搅拌针上的锥体部分(3-2)与匙孔(M)发生塑性变形并填充在匙孔(M)内，即实现异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法。
2. 根据权利要求1所述异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法，其特征在于所述步骤 二中一体式焊具的材质为淬火热处理高速钢。
3. 根据权利要求1或2所述异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法，其特征在于所述 步骤三中组合式焊具上的轴肩(2)的材质为淬火热处理高速钢。
全文摘要
异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法，它涉及一种点焊方法。本发明为消除两种属性相差较大的材料搅拌摩擦点焊的焊缝表面的匙孔的问题。方法步骤一、将两种材料叠放在一起，熔点高的或厚度小的材料置于上方，熔点低的或厚度大的材料置于下方；二、利用现有一体式焊具在上方的材料表面待焊位置处进行搅拌摩擦点焊，焊具停止扎入后，继续旋转3秒，提起一体式焊具，在点焊缝中心部位存在匙孔；三、利用组合式焊具对步骤二中的匙孔进行补焊，焊具逐渐扎入匙孔内，焊具停止扎入后，继续旋转4秒，提起组合式焊具，在匙孔处形成点焊缝，即实现异种材料的无匙孔搅拌摩擦点焊方法。本发明用于异种材料无匙孔搅拌摩擦点焊和常规搅拌摩擦点焊缝匙孔的补焊。
文档编号B23K20/12GK101791743SQ201010136898
公开日2010年8月4日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者刘会杰, 李金全, 田英, 韩冰, 黄永宪 申请人:哈尔滨工业大学