一种多点搅拌摩擦焊与多点搅拌摩擦钎焊的方法及装置与流程

本发明涉及多点搅拌摩擦点焊与多点搅拌摩擦点钎焊的方法及实现装置。

背景技术：

与传统电阻点焊相比，由日本川崎公司发明的搅拌摩擦点焊(fssw：frictionstirspotwelding)工艺用于薄板铝材搭接点焊时，具有节约电能、避免频繁更换电极的明显优点(文献1)，但是所需摩擦时间长达数秒(通常为5～10s)，远大于电阻点焊的通电加热时间。搅拌摩擦点钎焊(fssb：frictionstirspotbrazing)专利技术采用无针工具，不但消除了传统搅拌摩擦点焊的针孔，还扩展了单点焊合面积(fssw的焊合区呈环状，而fssb的焊合区呈圆片状，且直径接近于轴肩直径，文献2、3)，但也存在所需摩擦时间较长的问题。较长的摩擦时间影响了生产效率。

在搅拌摩擦点焊(fssw)与搅拌摩擦点钎焊(fssb)中，造成摩擦时间较长的原因在于所用搅拌头轴肩的直径都较小，导致搅拌头线速度较小，产热速率慢，因此，摩擦时间延长。对于既定材质与板厚，缩短摩擦时间的思路有两条，一是增大搅拌头轴肩直径；二是增大电机转速。但增大搅拌头轴肩直径的思路受制于工件结构设计，也会使热输入过大，导致晶粒过热或金属间化合物过厚。而采用高转速的电机会增大设备投资。

利用搅拌摩擦点焊(fssw)、搅拌摩擦点钎焊(fssb)分次施焊，需要频繁调整母材位置，并多次调整搅拌头，使焊点置于搅拌头下，影响了生产效率(例如，对于长条状以及不规则状的母材上的多个焊点)。而更为严重的是，先后完成各焊点时，先焊位置(焊点)的钎料或其他组织流布至后焊位置，导致相邻两焊点处焊缝的性能出现差异，严重影响了多点搅拌摩擦焊及搅拌摩擦钎焊的焊接质量，同时，也导致了后续各焊点实际所需焊接时间无法有效控制。

2017年，印度的m.mahadevaswamy为提高al/steel搅拌摩擦点焊强度，提出了搅拌摩擦多点焊(frictionstirmultispotwelding)工艺(文献4)。其所用工具仍为传统的单头带针搅拌头，在一段短焊道不同位置焊三个点，但三个点的轴肩覆盖范围有一定重叠量，以此扩大“搅拌摩擦点焊”的总焊接面积，这样虽然采用的是“搅拌摩擦点焊”工艺，但焊点连起来形成的焊道与搅拌摩擦缝焊的结果相似。m.mahadevaswamy提出的搅拌摩擦多点焊工艺分三步：(1)摩擦压涂(frictionsurfacing)，即采用铝质消耗性工具，将al通过摩擦压涂于软钢预开的槽内(groovedmildsteel)；(2)摩擦锻压(frictionforming)，即使已压涂于钢表面的铝层更加致密化；(3)搅拌摩擦多点焊(frictionstirmultispotwelding)，即在槽上压覆有铝沉积层的区域，用非消耗性单头工具依次在不同位置实施薄铝板/沉积铝层之间的点焊。其优点在于使用非消耗性锥形尖端工具，显著增加了在沉积的铝(开槽底部前期沉积的铝)和顶部铝板之间的接触面积，以及沉积铝能够更好的压实钢的表面。但复杂的焊接工艺使其无法与实际的多点焊接任务相适应。

参考文献

[1]藤本光生，古賀信次，阿倍奈津美，佐藤裕，粉川博之.摩擦攪拌点接合で得られた6061アルミニウム合金攪拌領域の組織学的検討.溶接学会論文集,2007,25(4):553-559.

[2]guifengzhang,linjiezhang,changweikang,jianxunzhang.developmentoffrictionstirspotbrazing(fssb).materialsanddesign,2016,94:502–514.

[3]张贵锋，康常威，倪显清，蔡杰.一种用于金属板材搭接组合的搅拌摩擦点钎焊方法.zl201410440848.6[p].2014-09-01；2017-02-01.

[4]m.mahadevaswamy,s.muthukumaran1,k.kiran1.astudyonfrictionstirmultispotweldingtechniquestojoincommercialpurealuminumandmildsteelsheets.transindianinstmet,2017,70(5):1221–1232.

技术实现要素：

为提高搅拌摩擦点焊(fssw)与搅拌摩擦点钎焊(fssb)在应用于多焊点、多道次焊接任务时的生产效率，本发明提出了一种利用多轴器同时带动多个搅拌工具头旋转摩擦的多点搅拌摩擦焊与多点搅拌摩擦钎焊的方法及装置。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多点搅拌摩擦焊接方法(多焊点)，该搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤：

针对摩擦区域互不交叠的多个焊点位置，利用多个搅拌工具头(简称搅拌头)在对应焊点位置同时进行搅拌摩擦点焊或搅拌摩擦点钎焊。

优选焊接方式一(多点搅拌摩擦点焊，multi-spotfssw)，即所述搅拌摩擦焊接方法具体包括以下步骤：

1)将驱动主轴与多轴器的输入端连接；

2)将相互独立的多个搅拌头(例如，带针工具)分别与所述多轴器的多个输出轴(即扭矩输出端子轴)对应连接；

3)启动所述驱动主轴，利用所述多轴器同时带动所述多个搅拌头旋转运动，并在对应焊点位置同时进行搅拌摩擦点焊(例如，直接在母材上指定焊点位置施焊)。

优选焊接方式二(多点搅拌摩擦点钎焊，multi-spotfssb)，即所述搅拌摩擦焊接方法具体包括以下步骤：

1)将驱动主轴与多轴器的输入端连接；

2)将相互独立的多个搅拌头(例如，无针或带针工具)分别与所述多轴器的多个输出轴对应连接；

3)在各焊点位置预置钎料(例如，将片状、粉末状或丝状钎料，参照圆盘状等摩擦区域形状，放置并固定于上下板之间)后启动所述驱动主轴，利用所述多轴器同时带动所述多个搅拌头旋转运动，并在对应焊点位置同时进行搅拌摩擦点钎焊(例如，上板施焊)。

优选焊接方式三，即所述搅拌摩擦焊接方法具体包括以下步骤：

1)将驱动主轴与多轴器的输入端连接；

2)将相互独立的多个搅拌头分别与所述多轴器的多个输出轴对应连接；

3)在其中一部分焊点位置预置钎料后启动所述驱动主轴，利用所述多轴器同时带动所述多个搅拌头旋转运动，并在对应焊点位置同时进行搅拌摩擦点焊或搅拌摩擦点钎焊(即其中一部分焊点位置进行的是搅拌摩擦点钎焊，另一部分焊点位置进行的是搅拌摩擦点焊)。

优选的，所述驱动主轴选自钻床、铣床、车床的电机主轴或搅拌摩擦焊机的工具驱动轴。

优选的，各焊接方式的步骤2)还包括以下步骤：调整多轴器对应输出轴的相对位置和间距，使得搅拌头与焊点位置的分布对应，其中，任意两个搅拌头的摩擦区域的中心距大于等于搅拌头的轴肩直径(在摩擦区域不交叠的情况下，两个搅拌头的摩擦区域越靠近，所形成的焊接接头的质量越高、均一性越好)。

优选的，所述搅拌头的轴肩直径为12mm～18mm，搅拌转速为950r/min～1180r/min，摩擦时间为5s～8s。

一种多点搅拌摩擦焊接方法(多道次)，包括以下步骤：

针对摩擦区域互不交叠的多个焊道位置，从对应焊道位置的一端开始，利用多个搅拌头在对应焊道位置同时进行连续的搅拌摩擦点焊或搅拌摩擦点钎焊，直至得到对应的多个完整焊道。

以上三种优选焊接方式同样适用于该焊接方法(多道次)，为了进行连续的搅拌摩擦点焊或搅拌摩擦点钎焊，可以沿焊道延伸方向移动放置母材的焊接工作台或移动驱动主轴，即将焊道位置内的多个焊点连接为完整焊道。

一种多点搅拌摩擦焊接装置，包括主轴、与主轴相对设置的焊接工作台以及位于焊接工作台与主轴之间的由主轴驱动的多轴器，所述多轴器的多个输出轴上对应设置有相互独立的搅拌头，各搅拌头之间的相对位置和距离(即各搅拌头的分布)与多焊点焊接任务的焊点位置或多道次焊接任务的焊道位置对应。

优选的，所述搅拌头之间的相对位置和距离可通过设置在多轴器上的与对应输出轴相连的轮盘进行自由调节；所述主轴或焊接工作台可以沿焊道延伸方向移动。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用多个同步驱动的搅拌头对母材进行多点搅拌摩擦点焊和/或多点搅拌摩擦点钎焊，利用所提出的“多头多点”搅拌摩擦点焊及“多头多点”搅拌摩擦点钎焊的思路，实现了对多个焊点或多个道次同时进行搅拌摩擦焊或搅拌摩擦钎焊的高效生产，缩短多焊点、多道次焊接任务中单个焊点、单个道次的平均焊接时间，提高了焊接质量。

本发明利用多轴器及主轴和搅拌头组成多点搅拌摩擦焊接设备，保证了多点搅拌摩擦点焊与多点搅拌摩擦点钎焊工艺可以简单、经济的用于实现多焊点、多道次的焊接，缩短焊接时间，提高焊接质量。

进一步的，为降低设备成本，采用钻床、铣床、车床的电机主轴驱动分散的多个搅拌头。

附图说明

图1为多点搅拌摩擦点钎焊装置示意图。

图2为多轴器与电机主轴(钻床或铣床)的连接示意图。

图3为搅拌头位置(a)、(b)调整及搅拌头安装(c)示意图。

图4为预置钎料与母材的装配示意图：将内含助焊剂的管状sn-pb软钎料盘卷成螺旋状预置在两待焊点，两块薄铜板搭接装配后盘状焊丝夹置于薄铜板之间。

图5为同时进行cu/cu双点搅拌摩擦点钎焊的焊后铜板试样外观(主轴转速1045r/min；摩擦时间5s；两个无针搅拌头轴肩直径15mm)：焊后铜板试样点钎焊位置观测到sn-pb软钎料被顺利熔化并挤出。

图6为摩擦时间5s的双点搅拌摩擦点钎焊接头宏观形貌及微观组织。

图7为同时进行cu/cu双点搅拌摩擦点钎焊的焊后铜板试样外观(主轴转速1045r/min；摩擦时间8s；两个无针搅拌头轴肩直径15mm)：焊后铜板试样点钎焊位置观测到sn-pb软钎料被顺利熔化并挤出。

图8为摩擦时间8s的双点搅拌摩擦点钎焊接头宏观形貌(光滑)及微观组织(界面致密、已合金化)：能兼顾两个焊点，两个焊点组织几乎完全相同。

图9为实施例中(cu/cu双点搅拌摩擦点钎焊)所用无针搅拌头示意图。

图10为摩擦时间8s的双点搅拌摩擦点钎焊摩擦区域中心(即摩擦中心区)的微观组织：(a)左侧点钎焊的摩擦中心区放大2000倍的微观组织，(b)左侧点钎焊的摩擦中心区放大4000倍的微观组织，(c)右侧点钎焊的摩擦中心区放大2000倍的微观组织，(d)右侧点钎焊的摩擦中心区放大4000倍的微观组织；界面润湿良好，钎缝致密。

图11为摩擦时间8s的双点搅拌摩擦点钎焊两个摩擦点之间位置(即未摩擦区)的微观组织：(a)铜板中间的未摩擦区放大2000倍的微观组织，(b)铜板中间的未摩擦区放大4000倍的微观组织；界面润湿良好，钎缝致密。

图12为摩擦时间5s的双点搅拌摩擦点钎焊摩擦区域中心(即摩擦中心区)的微观组织：(a)左侧点钎焊的摩擦中心区放大1000倍的微观组织，(b)左侧点钎焊的摩擦中心区放大2000倍的微观组织，(c)右侧点钎焊的摩擦中心区放大2000倍的微观组织，(d)右侧点钎焊的摩擦中心区放大4000倍的微观组织；界面润湿良好，钎缝致密。

图13为摩擦时间5s的双点搅拌摩擦点钎焊摩擦区域边缘(即摩擦边缘区)的微观组织：(a)左侧点钎焊的摩擦边缘区放大1000倍的微观组织，(b)右侧点钎焊的摩擦边缘区放大2000倍的微观组织；大部分焊接区已实现消除原始间隙。

图14为摩擦时间5s的双点搅拌摩擦点钎焊两个摩擦点之间位置的微观组织：大部分焊接区已实现消除原始间隙。

图中：1-电机，2-主轴，3-多轴器，4-子轴，5-搅拌头，6-母材，7-夹具，8-套筒，9-锥柄主动轴，10-长方形键，11-键槽，12-轮盘，13-锁紧螺母。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

(一)多点搅拌摩擦点焊与多点搅拌摩擦点钎焊

本发明针对传统搅拌摩擦点焊存在只能进行单点焊接而影响生产效率的不足(当摩擦时间较长时生产效率更低)，提出同时进行多头多点搅拌摩擦点焊(multi-spotfssw)或同时进行多头多点搅拌摩擦点钎焊(multi-spotfssb)的高效工艺方法。

1、工艺工序

(1)多轴器与电机主轴的安装连接：采用扭矩输出端子轴间距连续可调的多轴器，通过电机主轴2上的“键”(或电机主轴所带的连接轴上的键)与多轴器3上的“键槽”相配合，达到分散传递电机1扭矩的目的。

(2)搅拌头的安装：将母材6利用夹具7固定于工作台后，参照母材6上的待焊点位置，将各个独立的的搅拌头5(带针工具或无针工具)安装于多轴器扭矩输出端的各个子轴4上，即制得了“一拖二(1个主轴带动2个搅拌头同步旋转)”或“一拖三”之类的多头搅拌摩擦焊接设备(参见图1)。

(3)多头多点的同时施焊：启动电机1，主轴2旋转后，同时带动多个搅拌头5也一并旋转运动，采用多个带针工具同时进行多点搅拌摩擦点焊(multi-spotfssw)；或预置钎料后，再采用无针工具同时进行多点搅拌摩擦点钎焊(multi-spotfssb)。

2、焊接实例

采用多轴器对2mm厚铜板(cu/cu搭接组合、界面预置软钎料)同时进行双点搅拌摩擦点钎焊：

(1)多轴器与搅拌头的安装：在钻铣机床上(型号zx32)安装多轴器(st108，双子轴多轴器，双子轴轴心距的理论可调范围：25mm-125mm)，转速比1:1，具体安装过程中，将连接轴(锥柄主动轴9)的上部沿图2中箭头方向装入主轴内并固定，将多轴器上端内的键槽11与连接轴下端的长方形键10连接，将电机机头上的套筒8嵌入多轴器上端，从而使主轴的扭矩可以经两个子轴输出；在多轴器的两个子轴上用螺纹连接同轴固定两个无针搅拌头；搅拌头材质为45钢，上表面直径φ25mm，侧圆柱面高5mm(侧面总高为25mm)，下表面(即轴肩)直径φ15mm(参见图9)。

(2)母材与钎料：母材为两块薄铜板(25mm×60mm×2mm)；钎料为内含助焊剂的管状sn-pb软钎料丝，将长110mm、直径1mm的钎料丝盘卷成螺旋状；放置于两块薄铜板之间，两焊点圆心相距30mm；两块薄铜板与钎料采用搭接装配方式(cu/sn-pb/cu，参见图4)，盘卷后的钎料夹置于薄铜板之间。

(3)装夹并施焊：将装配好的薄铜板固定在工作台，盘卷有钎料的位置与搅拌头下表面正对，两个搅拌头的相对位置和距离旋转多轴器上的轮盘12(直径50mm)进行调整，调整后用锁紧螺母13固定轮盘12(参见图3)，手动操作手柄使主轴带动搅拌头下压并接触上铜板表面，持续施加一定压力作为摩擦压力，两子轴转速与主轴转速相同：1045r/min；轴肩直径为φ15mm的钢质无针工具仅在上铜板表面摩擦，选取摩擦时间分别为5s与8s。

(4)外观与界面组织金相检查：用扫描电子显微镜(sem)观测其微观形貌。所得结果如下(参见图5、图6、图7、图8)：

外观成形：表面较为光滑，压痕浅，成形良好。

界面显微组织：钎料顺利熔化，界面润湿良好，低强度sn-pb软钎料被挤出，cu/cu之间实现了紧密接触焊合。

与摩擦5s相比，摩擦时间8s所焊接头外部sn-pb钎料熔化流布范围广，甚至能由界面上爬至上板表面，接触角明显小于90度，表明润湿良好。两个焊点的组织几乎完全一样，界面组织更为理想，未出现焊合差的点：不但摩擦区域的中心致密(见图10)、摩擦区域的边缘也致密，甚至位于两个焊点摩擦区域之间的位置，钎料也能很好润湿上下铜板(见图11)。

参见图12、图13及图14，摩擦时间5s所焊接头外部sn-pb钎料也能够顺利熔化，接触角明显小于90度，润湿良好。两个焊点中心区域的组织几乎完全一样，界面组织理想，摩擦区域的中心致密，摩擦区域的边缘也致密，两个焊点摩擦区域之间的位置，钎料也顺利熔化，但致密性较差。

经多个实例验证，本发明可成倍甚至3倍以上地提高生产效率。

此外，本发明相较于传统搅拌摩擦点焊(fssw)和搅拌摩擦点钎焊(fssb)，对于位置相近的焊点，避免了先焊位置对后焊位置所带来的影响，可保证焊点质量的均一性；对于焊点较少而形状特殊(焊点分布不规则)的复杂构件，通过调整子轴相对位置甚至可以一次焊完所有焊点，避免频繁移动与拆装，从而对于长条状以及不规则状的母材，能够更高效地施焊。例如，本发明可预先按焊点位置分布(如呈五角星状分布)，旋转多轴器轮盘以调节搅拌头的相对位置(前后错开、并排间距都可调)，多个搅拌头(如5头)布置完毕后，一次性完成错开分布(并非并排分布)的所有焊点的施焊。

(二)当配用移动工作台或电机机头可移动时，以上(一)中工艺还可实现同时进行多道搅拌摩擦焊与多道搅拌摩擦钎焊。

总之，通过钻床或铣床驱动多轴器同时带动多个搅拌头对母材进行搅拌摩擦点焊和/或搅拌摩擦点钎焊，对于相近的焊点，可保证焊点质量，对于焊点较少而分布形状不规则的复杂构件，可减少焊接次数甚至一次焊完所有焊点，避免频繁移动与拆装；母材配用移动工作台或多轴器的驱动机头可移动时，还可同时实现多道次的搅拌摩擦焊和/或搅拌摩擦钎焊。本发明装置构成及工艺简单、经济、实用，对生产单位设备改造的投资小，可迅速实现工业应用，大幅提高生产效率，提高焊接质量，降低人力成本。