一种用于顶锻式摩擦塞焊的垫板的制作方法

本实用新型涉及一种用于顶锻式摩擦塞焊的垫板，属于焊接领域。

背景技术：

摩擦塞焊技术是一种新型材料固相连接的焊接技术，出现在搅拌摩擦焊之后，由英国焊接研究所于二十世纪末实用新型。摩擦塞焊(FPW)最初提出是对搅拌摩擦焊接接头的缺陷进行修补，由于摩擦塞焊成形机理和搅拌摩擦焊接类似，也具有焊接接头质量高、焊接接头变形小等优点。依据焊接压力加载的方式不同，摩擦塞补焊分为顶锻式和拉锻式两种。其中顶锻式摩擦塞补焊时焊机和背部支撑垫板位于被焊工件的两侧。顶锻式摩擦塞焊，在焊前需要用垫板支撑待焊接工件，而目前对顶锻式摩擦塞焊的支撑垫板的研究较少，一般都是在支撑垫板上钻一个通孔，其直径大于待焊接工件塞孔的最小直径，在实验研究中发现：支撑垫板上通孔的大小对摩擦塞焊过程中塑性变形产热和材料塑性流动行为有很大的关系，一般选择通孔直径比待焊接工件上塞孔最小直径大10mm左右，但是这样摩擦塞焊结束，待焊接工件底部会出现飞边，有时候可能会出现凹陷的缺陷。因此，普通垫板容易造成焊接区出现缺陷，导致焊接质量差，浪费时间、生产效率低。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种用于顶锻式摩擦塞焊的垫板。采用本实用新型所述的垫板可以有效减少待焊接工件底部出现凹陷的缺陷，而且提高焊接区的连接强度。

实现上述实用新型目的的技术解决方案是：

一种用于顶锻式摩擦塞焊的垫板，所述支撑垫板中心处设置一个凹槽，所述凹槽分为上下两部分，其上部分的锥度大于下部分的锥度。

所述支撑垫板材料为钢铁。

所述顶锻式摩擦塞焊中焊接塞棒锥度、待焊接工件上塞孔锥度和垫板凹槽下部锥面角度相同，支撑垫板凹槽上部锥面角度大于下部锥面。

基于上述垫板用于顶锻式摩擦塞焊的焊接方法，所述焊接塞棒、待焊接工件和支撑垫板都是通过机加工的方法加工成形的。具体包括以下步骤：

1.焊接前，待焊接工件和支撑垫板固定在加工平台上，焊接塞棒、待焊接工件上塞孔和支撑垫板三者的中心轴在一条直线上；

2.焊接开始，焊接塞棒边旋转边向下进给，焊接塞棒上的锥头侧面首先和待焊接工件上塞孔表面接触，在轴向力和旋转扭矩的作用下，接触面摩擦产热，随着焊接继续，产热量急剧增大，焊接塞棒和待焊接塞孔接触的区域材料塑化，塑化的材料在轴向力和旋转扭矩的作用下开始流动，支撑垫板凹槽开始堆积塑化的铝合金材料、待焊接工件向下变形的部分和焊接塞棒的塞头部分；

3.支撑垫板凹槽上部逐渐被填充完全，焊接塞棒继续高速旋转、向下进给，等到焊接塞棒和支撑垫板凹槽底部接触摩擦开始，焊接塞棒迅速停止旋转和向下进给，但是要保证足够的轴向力，对焊接接头顶锻，是为了得到使组织晶粒更细，提高焊接区的强度；

4.顶锻结束后，焊接塞棒向上进给，由于铝合金比钢铁软，支撑垫板不会和焊接塞棒焊在一起，很容易就将它们分离开；

5.该支撑垫板用在顶锻式摩擦塞焊上，很好的避免了待焊接工件底部易出现未焊合的缺陷，同时提高了焊接区的连接强度。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

(1)焊接过程中材料塑化变形、流动性增强，不易出现飞边；

(2)焊接接头处的组织晶粒更细，提高了焊接接头的强度；

(3)焊接铝板产生的弯曲变形小，焊接接头不易出现凹陷等缺陷。

附图说明

图1为顶锻式摩擦塞焊焊前的焊接塞棒、待焊接工件、支撑垫板三者各部分细节示意图；

图2为顶锻式摩擦塞焊初始阶段的示意图；

图3为稳定焊接阶段的示意图；

图4为焊接结束阶段的示意图。

图中中：11-焊接塞棒；111-焊接塞棒锥头侧面；112-焊接塞棒锥头底面；12-待焊接工件；121-待焊接工件锥孔表面；122-待焊接工件底面；123-待焊接工件锥孔侧下部；13-支撑垫板；131-支撑垫板上表面；132-支撑垫板凹槽下部锥面；133-支撑垫板凹槽底面；134-支撑垫板凹槽上部锥面；20-焊接塞棒作旋转运动；30-焊接塞棒有向下的进给运动；40-支撑垫板凹槽。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本实用新型的内容，但并不限定本实用新型的保护范围。

实施例1：

一种用于顶锻式摩擦塞焊的垫板，如图1所示：所述支撑垫板13上设置一个凹槽40，所述凹槽分为上下两部分，其上部分的锥度大于下部分的锥度。所述顶锻式摩擦塞焊中焊接塞棒锥度、待焊接工件上塞孔锥度和垫板凹槽下部锥面角度相同，支撑垫板凹槽上部锥面角度134大于下部锥面132。所述支撑垫板材料为钢铁。所述顶锻式摩擦塞焊中焊接塞棒锥度、待焊接工件上塞孔锥度和垫板凹槽下部锥度角度相同，支撑垫板凹槽上部锥度大于下部锥度。

一种用于顶锻式摩擦塞焊的焊接方法，所述焊接塞棒、待焊接工件和支撑垫板都是通过机加工的方法加工成形的。具体包括以下步骤：

1、顶锻式摩擦塞焊开始前，待焊接工件12的下表面122和支撑垫板13的上表面131紧密贴合，且保证待焊接工件12的锥孔轴线和支撑垫板13的凹槽轴线在一条直线上，将它们一起固定装夹在工作平台上；保证焊接塞棒11的轴线和待焊接工件12上锥孔的轴线在一条直线上，使焊接塞棒11有高速旋转运动20和轴向进给运动30，顶锻式摩擦塞焊进入初始阶段。

2、随着焊接塞棒11的下降，如图2所示，焊接塞棒锥头侧面111和待焊接工件锥孔表面121接触，由于焊接塞棒11的高速旋转，加上轴向的压力，摩擦界面A处产热量急剧增大，焊接塞棒和待焊接塞孔接触的区域材料塑化，塑化的材料在轴向力和旋转扭矩的作用下开始流动，支撑垫板凹槽40上部开始有流动塑化的材料填充。由于塑性变形产热和轴向压力的作用，待焊接工件锥孔侧下部123产生向下的变形，如图3所示，支撑垫板凹槽40上部基本上被填充，之后待焊接工件锥孔侧下部123和支撑垫板凹槽上部锥面134完全接触，支撑垫板凹槽40上部被完全填充。由于支撑垫板凹槽上部锥面134对待焊接工件12起到部分支撑，待焊接工件锥孔侧下部123材料被塑化比之前更充分，使得此处待焊接工件12和焊接塞棒11的连接强度更高。

3、最后焊接塞棒锥头底面112接触到支撑垫板凹槽底面133，同时焊接塞棒锥头侧面111和支撑垫板凹槽下部锥面132接触，此时塑化的铝合金材料、焊接塞棒、向下变形的待焊接工件铝板共同填满支撑垫板凹槽40，如图4所示。然后停止焊接塞棒旋转和向下的进给，并施加向下的顶锻力，顶锻几秒后，至此顶锻式摩擦塞焊加工完成焊接塞棒和待焊接工件的连接，实现了对待焊接工件上孔的修补。