本发明属于加工制造领域，具体涉及一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法。
背景技术：
1、随着社会对节能环保的日益重视，轻量化设计成为了航空航天、汽车、动车等工业领域的研究热点和发展方向。采用轻金属合金（如铝合金、镁合金）代替传统的钢材料是实现轻量化的有效措施。传统的点连接方法（如电阻点焊、铆接）存在焊接质量不佳、消耗能源多以及构件增重等缺点，制约了轻合金在工业领域的应用。因此，现有技术中采用搅拌摩擦点焊用于轻合金点焊。
2、搅拌摩擦点焊技术是在搅拌摩擦焊技术的基础上衍生而来的一种适用于轻金属合金连接的新型的固相点焊技术。采用搅拌摩擦点焊技术可以形成类似电阻点焊和铆接的搭接接头，并且具有接头质量高，焊接质量稳定，变形小以及高效节能等优点。但是，对于现有技术中采用的搅拌摩擦点焊而言，由于搅拌针外圆部分线速度较大，但搅拌针中心区域的线速速度小，甚至为零。这将造成工件与搅拌针边缘区域接触的部分所受摩擦力大，温度高；搅拌针中心区域接触的部分所受摩擦力小，温度低。因此容易在焊点中心残留一个匙孔，这会影响焊点的力学性能和外观。同时，受搅拌针的特殊结构和运动方式的限制，焊点中心的材料流动速度往往较低，从而导致晶粒较粗大、连接韧带与母材混合不充分等现象。
技术实现思路
1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法，该设备能够用于制备无匙孔、力学性能更佳的搭接接头。
2、为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
3、一种回填式搅拌摩擦点焊设备，包括由搅拌针、压紧套组成的搅拌头，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动；
4、所述回填式搅拌摩擦点焊设备还包括与所述搅拌针配合使用的回填套筒，所述回填套筒套设于所述搅拌针外周，并与所述容纳槽配合使用；其中，所述回填套筒包括依次设置的回填指、连接段和驱动段；所述驱动段与所述驱动装置连接，以带动所述回填套筒相对于所述搅拌针轴向移动；所述回填指滑动配合在所述容纳槽中，并且所述回填指的横截面形状与所述容纳槽的横截面形状相适配；当所述搅拌针回撤的同时，所述回填套筒沿轴向移动，以将所述容纳槽中的材料挤压至焊接表面。
5、优选地，所述工作段底部具备工作表面，在所述工作表面上设置有若干引导凹槽，所述引导凹槽与所述容纳槽之间一一对应设置，并且所述引导凹槽与所述容纳槽之间设置有引导面。
6、优选地，所述容纳槽的宽度w与所述工作段的外周面宽度l之比为0.25~0.3；所述容纳槽的深度d与所述容纳槽的宽度w之比为0.4~0.5，且所述容纳槽的底部距离所述工作段中心的距离s与所述容纳槽的深度d之比大于等于2；所述引导凹槽的宽度h与所述容纳槽的宽度w之比小于等于0.25。
7、一种采用上述回填式搅拌摩擦点焊设备的焊接方法，包括如下步骤：
8、步骤1：将待焊接的工件上板和工件下板搭接好，并放置于所述回填式搅拌摩擦点焊设备下方后，所述驱动装置控制所述压紧套抵靠在所述工件上板表面且保持固定不动；
9、步骤2：所述驱动装置控制所述搅拌针轴向移动至与所述工件上板表面抵接后，控制所述搅拌针沿所述压紧套的所述方孔内周先做低速的偏心旋转运动，使所述搅拌针预热，所述搅拌针的转速控制为80rpm ~120rpm，预热时间控制为50秒~80秒；
10、步骤3、所述搅拌针预热完成后，控制所述搅拌针做高速的偏心旋转运动，使得焊接区域的材料达到塑性变形，所述搅拌针的转速控制为1400rpm~1600rpm，旋转时间控制为180秒~200秒；
11、步骤4：在工件的焊接区域塑性变形后，使所述压紧套以不小于20kn的下压力压紧所述工件上板和所述工件下板，以防止材料溢出；
12、步骤5：控制所述搅拌针保持步骤3中的转速旋转的同时，使所述搅拌针以1mm/min～5mm/min的轴向进给速度下移，当所述搅拌针穿透所述工件上板并插入所述工件下板达到指定加工深度后，所述搅拌针沿反方向回撤，回撤速度与下移时的轴向进给速度相同；与此同时，控制所述回填套筒沿轴向进给，以将所述容纳槽中的材料挤压至焊接表面；所述回填套筒的进给速度控制为：当所述搅拌针回撤至与所述工件上板的表面持平时，所述回填套筒与所述搅拌针的所述工作表面持平；
13、步骤6：当所述回填套筒与所述搅拌针的所述工作表面持平后，控制所述搅拌针继续保持步骤3中的旋转速度，旋转时间控制为1min～2min；
14、步骤7：将所述搅拌针的转速逐渐降低至10rpm~50rpm后，控制旋转的所述搅拌针和所述回填套筒一起下压，使工件焊接部位表面成型平整。
15、与现有技术相比，本发明提供的一种回填式搅拌摩擦点焊设备及焊接方法具备如下有益的技术效果：
16、1、本发明提供的回填式搅拌摩擦点焊设备，搅拌针工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，因此当驱动搅拌针在方孔内转动时，搅拌针的中心做偏心旋转运动，避免了中心处旋转速度小，甚至为零的情况，使得焊接区域的工件温度更为均匀，显著提高了焊接处材料的力学性能。同时，在工作段上设置有若干容纳槽，为焊接过程中的焊接材料提供容纳空间。当搅拌针在压紧套内做偏心旋转运动时，容纳槽能够容纳因搅拌针偏心旋转运动而被挤出的焊接材料，保证了焊接过程安全。
17、2、同时，通过在搅拌针外侧套接回填套筒，使回填指的横截面形状与容纳槽的横截面形状相适配，并且回填套筒上的回填指与容纳槽滑动配合。在焊接过程中，当搅拌针回撤的同时，控制回填套筒沿轴向移动，以将容纳槽中的材料挤压至焊接表面，由此避免了搅拌针上残留焊接材料，使所有焊接材料均能回填至接头，保证焊接表面完整性。
18、3、本发明还在搅拌针的工作表面设置了与容纳槽连通的引导凹槽，使得焊接过程中焊接材料能够稳定地被引导至容纳槽，进一步提高了设备的安全性能。而特别设置的容纳槽和引导凹槽的尺寸，一方面能够保证工作表面具备足够的工作面积参与摩擦焊接，另一方面能有效引导焊接材料进入容纳槽。
19、4、本发明提供的回填式搅拌摩擦点焊设备结构简单有效，仅需要简单的驱动装置即可实现搅拌摩擦焊接，并使焊接区域的工件温度更均匀。
1.一种回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：包括由搅拌针、压紧套组成的搅拌头，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动；
2.如权利要求1所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述工作段底部具备工作表面，在所述工作表面上设置有若干引导凹槽，所述引导凹槽与所述容纳槽之间一一对应设置。
3.如权利要求2所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述引导凹槽与所述容纳槽之间设置有引导面。
4.如权利要求3所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述容纳槽的宽度w与所述工作段的外周面宽度l之比为0.25~0.3。
5.如权利要求4所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述容纳槽的深度d与所述容纳槽的宽度w之比为0.4~0.5，且所述容纳槽的底部距离所述工作段中心的距离s与所述容纳槽的深度d之比大于等于2。
6.如权利要求5所述的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述引导凹槽的宽度h与所述容纳槽的宽度w之比小于等于0.25。
7.一种采用如权利要求6所述的回填式搅拌摩擦点焊设备的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：