一種攪拌摩擦點焊機和攪拌摩擦點焊方法與流程
2023-07-28 04:02:16 6
本發明涉及攪拌摩擦焊接，特別是一種帶有控冷靜止軸肩的攪拌摩擦點焊機和使用該點焊機進行攪拌摩擦點焊的方法。
背景技術：
攪拌摩擦點焊(Friction stir spot welding,FSSW)是在攪拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)基礎上發展起來的固相點連接技術。因FSSW具有工藝簡單、節能、焊接質量穩定、接頭性能高、變形小等優點，在航空、航天、汽車、船舶等製造業具有廣泛的應用前景。攪拌摩擦點焊包括三個過程：一、旋轉攪拌頭的下扎；二、下扎結束後停留一定時間；三、攪拌頭回抽，完成焊接。
用現有的攪拌摩擦點焊機和焊接工藝方法進行焊接，在攪拌頭下扎過程與停留階段，攪拌針尖端會出現材料聚集區，堆積的塑性材料會對搭接界面產生向上的擠壓力，使得搭接界面向上彎曲，形成通常所說的二次鉤狀缺陷。二次鉤狀缺陷是影響攪拌摩擦點焊接頭力學性能的重要因素，它是在攪拌針下扎至軸肩壓入材料這一過程中產生的。在攪拌針下扎過程中，材料在螺紋的帶動下由攪拌針底部向上流動，向上流動的材料會擠壓上板與下板的接觸面，導致搭接界面和上板向上翹曲；軸肩接觸上板後，開始擠壓上板向下移動，導致原來的界面「折斷」，從而形成二次鉤狀缺陷。二次鉤狀缺陷的出現為裂紋的擴展增加了途徑，對攪拌摩擦點焊接頭的性能極為不利。
技術實現要素：
為了去除二次鉤狀缺陷和提高攪拌摩擦點焊接頭的性能，本發明提供一種攪拌摩擦點焊機和使用該點焊機進行攪拌摩擦點焊的方法。
本發明提供的攪拌摩擦點焊機，包括安裝在焊機機身上的攪拌頭和置於攪拌頭外部的靜止軸肩；所述靜止軸肩由單獨一臺電機通過傳動裝置驅動上下運動；靜止軸肩的底部有由厚度為0.5—12mm的高熱導率金屬板材製成的靜止軸肩底蓋封閉的冷卻介質通道。
2.用權利要求1所述攪拌摩擦點焊機進行攪拌摩擦點焊的方法，包括以下步驟：
步驟1、將待焊接工件的上板和下板以搭接的方式放在工作檯上，並固定好；
步驟2、在工件焊接區域的下部設置超聲振動裝置，超聲振動裝置由超聲發生器、超聲換能器和超聲變幅杆組成，其中超聲變幅杆與工件的下板相接觸；
步驟3、用上述超聲振動裝置輔助進行攪拌摩擦點焊：
電機通過傳動裝置驅動靜止軸肩向下移動，當靜止軸肩接觸上板後給出1KN～50KN(根據工件材質和靜止軸肩大小確定)的下壓力，以保證焊接過程中上板不會翹起，靜止軸肩下壓後，使冷卻介質(水冷或氣冷)通過靜止軸肩中的冷卻介質通道，對焊接區表面進行冷卻；
然後開啟超聲發生器，根據工件的材質和厚度，超聲波頻率選取範圍為20～80KZ，振幅選取範圍為20～60μm，調節超聲變幅杆與工件下板的夾角，使工件板面產生的振動最大；
然後使攪拌頭以100～7000轉/分的轉速轉動並下扎穿透上板；同時靜止軸肩壓入工件0.1～0.5mm；攪拌頭穿透上板後繼續轉動並停留0～500秒；然後攪拌頭停止轉動並以0.1～100mm/min速度回抽，此時靜止軸肩與工件的上板繼續保持接觸，冷卻介質繼續施加0～200s；然後使靜止軸肩回撤，回撤速度為0.1～100mm/min；超聲振動裝置自靜止軸肩開始回撤起繼續振動0～500s後停止振動，完成點焊全過程。
本發明的有益效果：
1、通過靜止軸肩對上板的預壓作用，使攪拌頭在扎入下板時向上擠壓的材料無法使上板翹起，從而避免了二次鉤狀缺陷的產生，減少了裂紋擴展的路徑，有利於提升接頭的力學性能。
2、靜止軸肩與工件上表面接觸後，冷卻介質通過靜止軸肩下部由高熱導率材料(如銅)製成的底蓋封閉的環形冷卻介質通道對焊接區表面進行冷卻，在接觸熱傳導及冷卻介質的雙重作用下，焊點近表面的熱量可被迅速帶走，使沿板厚方向溫度均勻，溫度梯度減小，殘餘應力減小，變形降低。
3、靜止軸肩包圍著攪拌頭的動軸肩，焊接過程中起到「圍欄」作用，可有效減少外溢的材料，減小飛邊；在靜止軸肩的下壓作用下，搭接界面間的作用力增強，促進界面間原子擴散結合，有利於提高接頭的力學性能。
4、在工件的背部施加超聲，可促進焊接過程中焊核底部材料的流動，增加底部區域焊核區的寬度，減小沿板厚方向焊核區的寬度差；由於超聲施加在下板，下板的超聲振動較強，下板塑性材料體積增加，底部材料堆積量增加，材料堆積區對搭接界面的擠壓作用增強，有利於改善原子擴散。
5、將超聲變幅杆設計成可移動式，在焊接不同材料或者不同板厚的材料時可找到施加超聲的最佳位置，使超聲振動達到最佳效果。
6、通過靜止軸肩施加控冷條件，可提高焊接的降溫速率，有效避免晶粒的異常長大，減小熱影響區的範圍及軟化程度，有利於提高接頭性能。
7、靜止軸肩的底蓋由足夠薄的高熱導率材料製成，可確保冷卻效果，並使冷卻介質不能與工件接觸，避免工件受到汙染。
8、攪拌頭與靜止軸肩撤離焊板後，超聲振動繼續維持一段時間，可消除焊後殘餘應力，提高焊接質量。
附圖說明
圖1為本發明攪拌摩擦點焊機的結構及其使用示意圖；
圖2為圖1中靜止軸肩的剖視圖；
圖3為圖2靜止軸肩去掉靜止軸肩底蓋後的俯視圖；
圖4為圖2中靜止軸肩底蓋的俯視圖。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。
如圖1至圖4所示，本發明攪拌摩擦點焊機，包括安裝在焊機機身1上的攪拌頭2和置於攪拌頭外部的靜止軸肩3。攪拌頭的針長為5mm，靜止軸肩的直徑為13mm。靜止軸肩由單獨一臺電機4通過傳動裝置驅動可上下運動。在靜止軸肩的底部設有由靜止軸肩底蓋17封閉的冷卻介質通道18，冷卻介質通道由四組相互連通的環形孔道組成，並由靜止軸肩底蓋封閉，冷卻介質通道與開設在靜止軸肩兩側壁上的L形冷卻介質進口5和冷卻介質出口6相接。靜止軸肩底蓋由厚度為1mm的銅板製成，用緊固螺栓19固定在靜止軸肩的底面。
以下為使用上述攪拌摩擦點焊機對厚度為3mm的鋁合金板進行攪拌摩擦點焊的實施例。
實施例1
其操作步驟如下：
步驟1、將待焊工件(所述鋁合金板)的上板11和下板12的待焊接部位上下搭接，用壓塊10、壓條8、支撐塊9、墊塊13和墊板14固定在工作檯7上。.為了防止組成攪拌頭的動軸肩(未圖示)與靜止軸肩接觸，並儘量減少材料進入其間隙中，靜止軸肩與動軸肩的間隙選取0.1mm。
步驟2、在工件焊接區域的下部設置超聲振動裝置，超聲振動裝置由超聲發生器16、超聲換能器和超聲變幅杆15組成，其中的超聲變幅杆與工件的下板相接觸。
步驟3、用上述超聲振動裝置輔助進行攪拌摩擦點焊：
開啟電機，驅動靜止軸肩向下運動，與上板緊密接觸，並以20KN的下壓力對上板施壓，保證焊接過程中上板不會翹起；靜止軸肩下壓後，打開供水閥門，使冷卻水由輸水管(未圖示)通過靜止軸肩中的冷卻介質進口和冷卻介質出口流經靜止軸肩中的冷卻介質通道，對焊接區表面進行冷卻。為了增強冷卻效果，在單次焊接中冷卻水不循環利用。
然後開啟超聲發生器，超聲頻率選30KHz，振幅選40μm，調整超聲變幅杆的位置和角度，使工件板面產生的振動最大。
然後使攪拌頭以1000轉/分的轉速轉動並下扎穿透上板，同時靜止軸肩扎進工件0.2mm；攪拌頭穿透上板後繼續轉動並停留20秒；然後使攪拌頭停止轉動並回抽，回抽速度為50mm/min，此時靜止軸肩與工件的上板繼續保持接觸；冷卻介質繼續施加100s後將靜止軸肩回撤，回撤速度為10mm/min；超聲振動裝置自靜止軸肩開始回撤起繼續振動300s後停止振動，結束工件的焊接。
實施例2
本實施例與實施例1不同的是，其步驟3中所述攪拌頭的旋轉速度為2000轉/分，其它與實施例1相同。
實施例3
本實施例與實施例1不同的是，其步驟3中所述的超聲波頻率為60KHz，其它與實施例1相同。
實施例4
本實施例與實施例1不同的是，其步驟3中所述的冷卻方式為氣冷，其它與實施例1相同。
實施例5
本實施例與實施例4不同的是，其步驟3中所述攪拌頭穿透上板後的停留時間為50s，其它與實施例4相同。