本发明涉及摩擦点焊技术领域，具体而言，涉及一种可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法。
背景技术：
现回填式搅拌摩擦点焊(refillfrictionstirspotwelding，rfssw)是一种新型单点连接技术。该技术通过搅拌头的旋转摩擦使被焊板材升温塑化，并在搅拌头的搅拌作用下使搭接界面破碎并形成冶金结合。由于焊接过程中金属不发生熔化，因此特别适合焊接铝合金等低熔点金属。
该技术所用的组合式焊接工具由同轴设置的压紧环、搅拌套及搅拌针三部分组成。焊接过程分为下扎和回填两个阶段：在下扎阶段，搅拌套旋转扎入被焊板材，同时搅拌针旋转回抽，塑性金属被挤入搅拌套的空腔内；在回填阶段，搅拌套旋转回抽的同时搅拌针旋转下扎，将搅拌套空腔内的塑性金属回填至焊点。在整个焊接过程中搅拌套及搅拌针的转速恒定，因此可以把传统的回填式搅拌摩擦点焊称之为恒定转速回填式搅拌磨擦点焊。
虽然回填式搅拌摩擦点焊被认为是一种固相连接技术，但当焊接高强铝合金时(2xxx、7xxx系列铝合金)，由于材料的初始熔化温度较低，极易在晶界附近发生局部熔化。该现象的发生会在焊后接头内部形成共晶组织及液化裂纹，这极大的恶化了接头的抗腐蚀性能及力学性能。虽然传统恒定转速回填式搅拌磨擦点焊方法可以通过降低搅拌套及搅拌针的转速来降低焊接热输入，以实现控制焊接峰值温度低于材料初始熔化温度，但往往由于焊接热输入不足导致焊点成形不良。也就是说，传统恒定转速回填式搅拌摩擦点焊在控制焊接峰值温度与保证焊点成形之间形成了难以协调的矛盾。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法，该方法不仅可以控制焊接峰值温度在材料初始熔化温度以下，又可以保证工件获得足够焊接热输入以实现良好焊点成形。
本发明是这样实现的：
一种可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法，包括：
工件固定及预热：将压紧环的下表面与被焊板材的上表面紧密贴合，并将搅拌套与搅拌针的下表面均与压紧环的下表面处于同一水平面，并使搅拌套与搅拌针均以ω0的转速开始旋转，对焊接工件表面进行预热；
高转速扎入阶段：将搅拌套与搅拌针的转速从ω0提升至ω1，并将搅拌套以速度v1向下扎入被焊板材至深度p1，将搅拌针以速度v2向上回抽，且v2＝(d12-d22)v1/d22，其中d1为搅拌套的直径，d2为搅拌针的直径；
低转速扎入阶段：将搅拌套与搅拌针的转速从ω1降低至ω2，并将搅拌套继续以速度v1向下扎入被焊板材至深度p2，将搅拌针以速度v2向上回抽；
低转速回填阶段：将搅拌套与搅拌针的转速从ω2调整为ω3，且ω3<ω1，并将搅拌套以速度v1向上回抽至距离被焊板材上表面深度p3的位置，将搅拌针以速度v2向下压入；
高转速回填阶段：将搅拌套与搅拌针的转速从ω3调整为ω4，且ω4>ω2且ω4>ω3，并将搅拌套以速度v1向上回抽至被焊板材上表面，将搅拌针以速度v2向下压至搅拌针的下表面与搅拌套的下表面位于同一水平面；
焊接完成工件离开阶段：将搅拌套与搅拌针停止旋转，且将搅拌套与搅拌针抽离被焊板材表面。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在工件固定及预热步骤中，搅拌套与搅拌针的转速ω0为500～1500rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在高转速扎入阶段中，将搅拌套与搅拌针的转速从ω0提升至ω1，ω1为1500～5000rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在高转速扎入阶段中，将搅拌套与搅拌针的转速从ω0提升至ω1，ω1为2000rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在低转速扎入阶段中，将搅拌套与搅拌针的转速从ω1降低至ω2，ω2为800～3000rpm，且ω2<ω1。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在低转速扎入阶段中，将搅拌套与搅拌针的转速从ω1降低至ω2，ω2为1000rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在低转速回填阶段，将搅拌套与搅拌针的转速从ω2调整为ω3，且ω3<ω1，ω3为800～3000rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在低转速回填阶段，将搅拌套与搅拌针的转速从ω2调整为ω3，ω3为1200rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在高转速回填阶段，将搅拌套与搅拌针的转速从ω3调整为ω4，且ω4>ω2且ω4>ω3，ω4为1500～5000rpm。
进一步地，在本发明的较佳实施例中，在高转速回填阶段，将搅拌套与搅拌针的转速从ω3调整为ω4，且ω4>ω2且ω4>ω3，ω4为1500rpm。
上述方案的有益效果：
本发明提供了一种可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法，主要包括工件固定及预热、高转速扎入阶段、低转速扎入阶段、低转速回填阶段、高转速回填阶段以及焊接完成工件离开阶段。这几个阶段的设计使得本发明所提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法在焊接过程中采用变化的搅拌套及搅拌针转速来对焊接热输入进行精确控制。在焊接初始阶段采用相对高的转速，当被焊料获得足够的热输入以保证获得良好焊点成形的情况下，再降低转速来抑制焊接温度的上升。这样既保证了焊点成形，又可实现降低焊接峰值温度至材料初始熔化温度以下，避免了被焊材料发生局部熔化。进而增强接头的抗腐蚀性能及力学性能。
综上所述，该方法不仅可以控制焊接峰值温度在材料初始熔化温度以下，又可以保证工件获得足够焊接热输入以实现良好焊点成形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法的工件固定及预热步骤中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图；
图2为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法的高转速扎入阶段中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图；
图3为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法的低转速扎入阶段中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图；
图4为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法的低转速回填阶段中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图；
图5为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法的高转速回填阶段中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图；
图6为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法的焊接完成工件离开阶段中，焊接工具与被焊板材的剖面结构示意图；
图7为现有技术中的摩擦点焊方法所得到的产生液化裂纹及晶间共晶相的铝合金搅拌摩擦点焊接头横截面宏观形貌；
图8为本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊放方法所得到的未产生液化裂纹及晶间共晶相的铝合金搅拌摩擦点焊接头横截面宏观形貌。
图标：1-压紧环；2-搅拌套；3-搅拌针；4-被焊板材。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明的限制。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
参阅图1至图6，本实施例提供了一种可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法，包括：
工件固定及预热：将压紧环1的下表面与被焊板材4的上表面紧密贴合，并将搅拌套2与搅拌针3的下表面均与压紧环1的下表面处于同一水平面，并使搅拌套2与搅拌针3均以ω0的转速开始旋转，对焊接工件表面进行预热；其中，ω0为500～1500rpm；
高转速扎入阶段：将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω0提升至ω1，并将搅拌套2以速度v1向下扎入被焊板材4至深度p1，将搅拌针3以速度v2向上回抽，且v2＝(d12-d22)v1/d22，其中d1为搅拌套2的直径，d2为搅拌针3的直径；其中，ω1为1500～5000rpm；
低转速扎入阶段：将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω1降低至ω2，并将搅拌套2继续以速度v1向下扎入被焊板材4至深度p2，将搅拌针3以速度v2向上回抽；其中，ω2为800～3000rpm，且ω2<ω1；
低转速回填阶段：将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω2调整为ω3，且ω3<ω1，并将搅拌套2以速度v1向上回抽至距离被焊板材4上表面深度p3的位置，将搅拌针3以速度v2向下压入；其中，ω3为800～3000rpm；
高转速回填阶段：将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω3调整为ω4，且ω4>ω2且ω4>ω3，并将搅拌套2以速度v1向上回抽至被焊板材4上表面，将搅拌针3以速度v2向下压至搅拌针3的下表面与搅拌套2的下表面位于同一水平面；其中，ω4为1500～5000rpm；
焊接完成工件离开阶段：将搅拌套2与搅拌针3停止旋转，且将搅拌套2与搅拌针3抽离被焊板材4表面。
工件固定及预热主要是对焊接工具对被焊工件进行装卡，同时搅拌套2与搅拌针3开始旋转，对被焊工件进行预热。高转速扎入阶段主要是搅拌套2以较高的转速扎入被焊工件，使工件获得足够的热输入以进行后续焊点成形。低转速扎入阶段主要是将搅拌套2以较低转速扎入被焊工件，控制焊接温度的升高。低转速回填阶段主要是将搅拌套2以较低转速向上回抽，控制焊接温度升高；高转速回填阶段主要是将搅拌套2以较高的转速向上回抽，使工件获得足够的热输入以获得良好的焊点成形。最后焊接完成工件完成抽离。这几个阶段的设计使得本发明所提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法在焊接过程中采用变化的搅拌套2及搅拌针3转速来对焊接热输入进行精确控制。在焊接初始阶段采用相对高的转速，当被焊料获得足够的热输入以保证获得良好焊点成形的情况下，再降低转速来抑制焊接温度的上升。这样既保证了焊点成形，又可实现降低焊接峰值温度至材料初始熔化温度以下，避免了被焊材料发生局部熔化。进而增强接头的抗腐蚀性能及力学性能。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，在高转速扎入阶段中，将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω0提升至ω1，ω1为2000rpm。此转速可使被焊材料获得足够的热输入以进行后续焊点成形。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，在低转速扎入阶段中，将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω1降低至ω2，ω2为1000rpm。此转速可限制焊接峰值温度在材料初始熔化温度以下，同时使材料具有较好的流动性以进行焊点成形。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，在低转速回填阶段，将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω2调整为ω3，ω3为1200rpm。此转速可限制焊接峰值温度在材料初始熔化温度以下，同时使材料具有较好的流动性以进行焊点成形。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，在本实施例中，在高转速回填阶段，将搅拌套2与搅拌针3的转速从ω3调整为ω4，且ω4>ω2且ω4>ω3，ω4为1500rpm。此转速可使工件获得足够的热输入，从而获得良好的焊点成形。
实验例1
选取现有技术中存在的摩擦点焊方法与本实施例1至5提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法进行对比，且在相同条件下工作作用于铝合金。点焊结果如图7与图8所示，根据图7的记载可知，现有技术所提供的点焊方法的结果为得到产生液化裂纹及晶间共晶相的铝合金搅拌摩擦点焊接头。而根据图8的记载可知，本发明的实施例提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法可得到的未产生液化裂纹及晶间共晶相的铝合金搅拌摩擦点焊接头。
综上所述，本发明的实施例提供的可变转速回填式摩擦点焊方法的有益效果为：
本发明提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法，主要包括工件固定及预热、高转速扎入阶段、低转速扎入阶段、低转速回填阶段、高转速回填阶段以及焊接完成工件离开阶段。这几个阶段的设计使得本发明所提供的可变转速回填式搅拌摩擦点焊方法在焊接过程中采用变化的搅拌套2及搅拌针3转速来对焊接热输入进行精确控制。在焊接初始阶段采用相对高的转速，当被焊料获得足够的热输入以保证获得良好焊点成形的情况下，再降低转速来抑制焊接温度的上升。这样既保证了焊点成形，又可实现降低焊接峰值温度至材料初始熔化温度以下，避免了被焊材料发生局部熔化。进而增强接头的抗腐蚀性能及力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。