用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头及其焊接工艺的制作方法

本发明涉及新能源汽车电池箱薄板铝合金焊接领域，具体为一种用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头及其焊接工艺。

背景技术：

根据汽车工程学原理，考虑到车体重量对动力消耗的影响。目前，新能源汽车的电池箱体主要采用铝合金材质。综合考量了箱体结构、焊接工艺、焊后形变等多方面因素，确定了以搅拌摩擦焊作为箱体底板焊接的主要焊接方式。受限于底板加工精度以及边框折弯工艺的影响，在底板与边框的装配过程中往往会出现底板与边框的配合间隙不统一，出现变间隙的情况，局部位置的最大间隙甚至会达到2mm以上。搅拌摩擦焊作为一种自填充的固相焊接方法，焊接过程中通过搅拌头旋转带动金属流动，实现前端金属对后端腔体的填充进而实现工件的结合。其中关键在于必须要有足够的流动金属填充搅拌头运动过程中留下的空腔，一旦填充金属不足极易形成隧道或沟槽等缺陷。装配间隙的大小直接影响着填充金属的数量，因此搅拌摩擦焊对于工件装配的间隙具有较为严格的要求，通常要求装配间隙控制在0.5mm左右，对于薄板材料的装配间隙要求更为严格。电池箱的搅拌摩擦焊接部分的焊接深度一般在5mm以内，属薄板焊接范围，因此对装配间隙的要求相对严格，但现有工件的整体装配精度很难完全达到要求，导致焊接过程中间隙过大的位置很容易出现焊接缺陷。

目前，对电池箱搅拌摩擦焊过程中出现的缺陷通常采用手工弧焊的方式进行修复。但手工弧焊修复可能存在几方面问题：首先，弧焊修复过程增加电池箱的生产工序，对于量产化的产品来说增加一道制造工序其制造成本的提高是不容忽视的；其次，弧焊过程的热输入远大于搅拌摩擦焊的热输入，对于薄板铝合金构件来说热输入的增加就意味着工件的形变量增加，而电池箱结构作为电池组件和相关电驱部件的安装平台，其对进度精度具有非常严格的要求，这意味着要对电池的形变量做严格限制，增加弧焊工艺不利于对形变的控制；最后，弧焊工艺修复的仅是通过目测观察到的表面缺陷，对于搅拌摩擦焊过程中可能存在的内部孔洞或隧道灯缺陷无法观察到，也就意味着此类缺陷无法被修复，最终保留在焊缝内部。

技术实现要素：

本发明目的在于解决新能源汽车电池箱在装配过程中由于精度问题造成配合间隙不统一导致搅拌摩擦焊过程中容易产生缺陷的问题，提供了一种用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头及其焊接工艺。

实现本发明目的的技术方案为：

一种用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头，包括夹持端、轴肩、搅拌针；轴肩表面设置有逆时针渐变涡旋花样，轴肩下方设置有大直径搅拌针，搅拌针表面设置有逆时针螺旋沟槽；所述搅拌头用于实现装配间隙在0-2mm之间的2-5mm薄板铝合金的焊接。

进一步的，轴肩表面设置有2-6个渐变涡旋花样。

进一步的，搅拌头轴肩直径在10-15mm之间，搅拌针直径与轴肩直径的比在0.7-0.9之间。

进一步的，搅拌针表面设置有2-4个逆时针螺旋沟槽。

进一步的，搅拌头转速在400-600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150-250mm/min之间，搅拌头倾角在1-2.5°之间。

一种用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头的焊接工艺，包括具体步骤如下：

步骤1：清洗2-5mm厚的铝合金金属板材，固定板材并选择搅拌针；

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止；

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在400-600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150-250mm/min之间，搅拌头倾角在1-2.5°之间，搅拌头下压速度在8-15mm/min之间；焊前停留4-8s；焊后停留2-5s；

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

进一步的，焊接过程中搅拌头转速在400-600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150-250mm/min之间，搅拌头倾角在1-2.5°之间。

进一步的，将2-5mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度小于板厚0.3mm的搅拌头。

本发明相对于现有技术相比显著特点是：

1、本发明利用轴肩渐变涡旋花样结构在焊接过程中能有效聚集轴肩下部金属，配合特定工艺参数促使表面金属想轴肩中心聚集，为间隙提供填充金属。

2、本发明提供的加粗搅拌针增加焊缝宽度、促进金属流动、减低间隙在焊缝中所占的空间比例，使间隙更易被流动金属填充。

3、本发明提供的加粗搅拌针上的螺旋沟槽结构有利于将轴肩聚拢金属运送到焊缝内部以填充焊缝内部间隙。

4、本发明提供的搅拌头并配合相应工艺，能够实现大间隙以及变间隙的薄板铝合金的焊接，降低了薄板铝合金搅拌摩擦焊的装配精度要求，拓宽了搅拌摩擦焊的应用前景。

附图说明

图1搅拌摩擦焊搅拌头立体图。

图2搅拌头仰视图。

图3焊接过程中搅拌头与工件位置示意图。

图4焊接过程中搅拌头作用下的金属流动方向示意图。

图5工件装夹时的大间隙示意图。

图6大间隙造成的却下焊缝图。

图7采用本搅拌头获得成型良好的焊缝图。

图8为本发明实施例的搅拌头结构示意图。

其中，1为夹持端、2为轴肩、3为渐变涡旋花样、4为搅拌针、5为螺旋沟槽。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明

本发明提供了一种用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头，包括夹持端1、轴肩2、搅拌针4；轴肩表面设置有逆时针渐变涡旋花样3，轴肩下方设置有大直径搅拌针，搅拌针表面设置有逆时针螺旋沟槽5；所述搅拌头用于实现装配间隙在0-2mm之间的2-5mm薄板铝合金的焊接。

轴肩设置n个逆时针渐变涡旋花样用于焊接过程中搅拌针下压挤出的金属以作为焊缝间隙的填充金属；所述搅拌针表面设置n个大尺寸螺旋沟槽以便将渐变涡旋沟槽聚拢的金属转移值焊缝内部；所述搅拌针直径d与轴肩直径d的比值在0.7～0.9之间，通过大尺寸搅拌针直径的设置增减焊缝中金属的流动总量，以减小焊缝间隙在焊缝金属中所占比例从而实现大间隙铝合金薄板的焊接；所述搅拌头用于2～5mm的铝合金板材的焊接，铝合金板材的装配间隙在0～2mm之间。

一种用于大间隙薄板铝合金搅拌摩擦焊的焊接工艺，包括具体步骤如下：

步骤1：将2-5mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度效果与板厚0.2-0.5mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在400-600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150-250mm/min之间，搅拌头倾角在1-2.5°之间，搅拌头下压速度在8-15mm/min之间；焊前停留4-8s；焊后停留2-5s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例1

选用板材厚度为2.5mm，选用搅拌头的轴肩之间为10mm，搅拌针直径为8mm，搅拌针直径与轴肩直径的比值为0.8，搅拌针长度为2.3mm，选用搅拌头的轴肩上设置有3个逆时针建表涡旋花样，搅拌针上设置有2个螺旋沟槽。

所述具体步骤如下：

步骤1：将2.5mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度为2.3mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在400rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在10mm/min之间；焊前停留5s；焊后停留4s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例2

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例1相同。

具体实施步骤如下：

步骤1：将2.5mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度位2.3mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在500rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在10mm/min之间；焊前停留5s；焊后停留4s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例3

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例1相同。

具体实施步骤如下：

步骤1：将2.5mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度为2.3mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在400rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在200mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在10mm/min之间；焊前停留5s；焊后停留4s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例4

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例1相同。

具体实施步骤如下：

步骤1：将2.5mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度位2.3mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在200mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在10mm/min之间；焊前停留5s；焊后停留4s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例5

选用板材厚度为4mm，选用搅拌头的轴肩之间为12mm，搅拌针直径为9mm，搅拌针直径与轴肩直径的比值为0.75，搅拌针长度为3.7mm，选用搅拌头的轴肩上设置有4个逆时针建表涡旋花样，搅拌针上设置有3个螺旋沟槽。

具体实施步骤如下：

步骤1：将4mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度位3.7mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在500rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在8mm/min之间；焊前停留6s；焊后停留5s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例6

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例5相同。

步骤1：将4mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度为3.7mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在500rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在200mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在8mm/min之间；焊前停留6s；焊后停留5s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例7

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例5相同。

步骤1：将4mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度为3.7mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在150mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在8mm/min之间；焊前停留6s；焊后停留5s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

图7所示为搅拌头转速为600rpm，焊接速度为150mm/min，搅拌头下压速度在8mm/min之间；焊前停留6s；焊后停留5s，获得的试样，焊缝表面成形良好，表面无沟槽等缺陷。

实施例8

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例5相同。

步骤1：将4mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度为3.7mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在200mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在8mm/min之间；焊前停留6s；焊后停留5s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。

实施例9

选用的板材厚度和搅拌针尺寸与实施例5相同。

步骤1：将4mm厚的铝合金用酒精清洗金属板材表面以及界面界面的油污以及氧化物等有碍焊接过程的物质，将清洗处理后的板材放置在工作台上，并通过压板及其他工装将板材固定在工作台上，根据需要焊接的板材厚度选用搅拌针长度为3.7mm的搅拌头。

步骤2：移动搅拌头至焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。

步骤3：设置焊接参数，搅拌头转速在600rpm之间，搅拌头为顺时针旋转，焊接速度在250mm/min之间，搅拌头倾角在2°，搅拌头下压速度在8mm/min之间；焊前停留6s；焊后停留5s。

步骤4：焊接参数设定完毕后，启动焊接进行焊接，焊接完成后松开压板，取下焊接试板，完成整个焊接过程。