專利名稱：異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種點(diǎn)焊方法，具體涉及一種異種材料攪拌摩擦點(diǎn)焊方法。
背景技術(shù)：
異種材料是指兩種屬性相差較大的材料，如銅合金和鋁合金、鈦合金和鋁合金、鋼 和鋁合金等。常規(guī)的攪拌摩擦點(diǎn)焊是在摩擦熱和塑性變形能的作用下，形成連接的點(diǎn)接頭。 其過程為一個(gè)非消耗的攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)，通過施加頂鍛壓力插入連接工件中，攪拌頭與工 件之間的摩擦，使金屬軟化并發(fā)生塑性流動(dòng)，保持?jǐn)嚢桀^壓力并使軸肩接觸工件表面，繼續(xù) 旋轉(zhuǎn)一定時(shí)間，完成連接后攪拌頭從工件中退出，在點(diǎn)焊縫中心留下典型的退出孔(匙孔)。 針對匙孔的問題，德國GKSS研究中心于1999年發(fā)明了無匙孔的攪拌摩擦點(diǎn)焊，采用特殊的 攪拌頭，該攪拌頭由最內(nèi)部的攪拌針、中間具有軸肩功能的套筒和最外側(cè)的夾套組成，夾套 在焊接時(shí)固定，不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，套筒和最內(nèi)層的攪拌針在焊接時(shí)既發(fā)生旋轉(zhuǎn)也發(fā)生沿軸向的 相對運(yùn)動(dòng)，通過精確控制攪拌頭各部件的相對運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭回抽的同時(shí)填充攪拌頭在焊 接過程中形成的匙 L。這種方法不但攪拌頭復(fù)雜，而且要完成復(fù)雜的相對運(yùn)動(dòng)，對設(shè)備的剛 性和控制精度要求嚴(yán)格，需要專門的焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，前期投入成本較大。采用上述攪拌 摩擦點(diǎn)焊方法對兩種屬性相差較大的材料點(diǎn)焊時(shí)，焊接難度更大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，以消除兩種屬性 相差較大材料的攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊縫表面的匙孔的問題。 本發(fā)明的方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、將兩種材料疊放在一起，熔點(diǎn)高的 或厚度小的材料置于上方，熔點(diǎn)低的或厚度大的材料置于下方，將兩種材料固定壓緊；步驟 二、點(diǎn)焊利用現(xiàn)有一體式焊具在上方的材料表面待焊位置處進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，一體式 焊具參數(shù)的選擇一體式焊具上的攪拌針的長度為3mm 9mm、一體式焊具的軸肩直徑為 10mm 28mm、一體式焊具的旋轉(zhuǎn)速度為400轉(zhuǎn)/分鐘 1000轉(zhuǎn)/分鐘、一體式焊具的軸 肩壓入量為0. lmm 0. 3mm，點(diǎn)焊時(shí)，焊具逐漸扎入被焊工件，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)2 秒 5秒，提起一體式焊具，形成點(diǎn)焊縫，且在點(diǎn)焊縫中心部位存在匙孔；步驟三、補(bǔ)焊利
用組合式焊具對攪拌摩擦點(diǎn)焊中心遺留的匙孔進(jìn)行補(bǔ)焊，組合式焊具參數(shù)的選擇組合式
焊具上的攪拌針的材質(zhì)與置于下方的被焊材料材質(zhì)相同，攪拌針前端的錐體部分的形狀與
匙孔的形狀吻合，組合式焊具上的軸肩的直徑為10mm 28mm，組合式焊具的旋轉(zhuǎn)速度為
600轉(zhuǎn)/分鐘 1200轉(zhuǎn)/分鐘，組合式焊具上的軸肩的壓入量為0. 05mm 0. lmm，補(bǔ)焊時(shí)，
焊具逐漸扎入匙孔內(nèi)，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3秒 5秒，提起組合式焊具，在匙孔處形
成點(diǎn)焊縫，補(bǔ)焊后，攪拌針上的圓柱部分留在夾持體上的夾持孔中，攪拌針上的錐體部分與
匙孔發(fā)生塑性變形并填充在匙孔內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法。 本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)一、異種材料無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊屬于固相連接，采用本發(fā)明方法對異種材料進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，焊接過程中不出現(xiàn)金屬熔化，焊縫內(nèi)部無氣孔、焊縫 殘余應(yīng)力低、工件變形小，并消除了焊縫中的匙孔。二、補(bǔ)焊時(shí)，焊具采用組合式焊具，由于 軸肩為非消耗件，可循環(huán)使用，攪拌針為消耗件，因此，組合式焊具方便更換。三、本發(fā)明方 法操作簡單，適應(yīng)性強(qiáng)。


圖1是步驟二中組合式焊具的結(jié)構(gòu)主剖視圖，圖中標(biāo)記1為夾持體、1-1為夾持體 上的夾持孔、2為軸肩、3為攪拌針、3-l為攪拌針上的圓柱部分、3-2為攪拌針上的錐體部 分、4為環(huán)形隔熱槽；圖2是步驟一完成后，形成點(diǎn)焊縫中心部位的形貌圖，圖中M為匙孔； 圖3是步驟二完成后，形成補(bǔ)焊縫中心部位的形貌圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一 結(jié)合圖1 3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式是通過以下步驟實(shí)現(xiàn) 的步驟一、將兩種材料疊放在一起，熔點(diǎn)高的或厚度小的材料置于上方，熔點(diǎn)低的或厚度 大的材料置于下方，將兩種材料固定壓緊；步驟二、點(diǎn)焊利用現(xiàn)有一體式焊具在上方的材 料表面待焊位置處進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊， 一體式焊具參數(shù)的選擇一體式焊具上的攪拌針的 長度為3mm 9mm、一體式焊具的軸肩直徑為10mm 28mm、一體式焊具的旋轉(zhuǎn)速度為400 轉(zhuǎn)/分鐘 1000轉(zhuǎn)/分鐘、一體式焊具的軸肩壓入量為0. lmm 0. 3mm，點(diǎn)焊時(shí)，焊具逐漸 扎入被焊工件，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)2秒 5秒，提起一體式焊具，形成點(diǎn)焊縫，且在 點(diǎn)焊縫中心部位存在匙孔M，如圖2所示，匙孔形狀規(guī)則，內(nèi)壁光滑；步驟三、補(bǔ)焊利用組合 式焊具對攪拌摩擦點(diǎn)焊中心遺留的匙孔M進(jìn)行補(bǔ)焊，組合式焊具參數(shù)的選擇組合式焊具 上的攪拌針3的材質(zhì)與置于下方的被焊材料材質(zhì)相同，攪拌針3前端的錐體部分3-2的形 狀與匙孔M的形狀吻合，攪拌針3為消耗件，攪拌針3的材質(zhì)與置于下方的被焊材料材質(zhì)相 同，便于攪拌摩擦補(bǔ)焊過程中，攪拌針3前端的錐體部分3-2與匙孔M周圍的金屬發(fā)生塑性 化后填充于匙孔M內(nèi)，組合式焊具上的軸肩2的直徑為10mm 28mm，組合式焊具的旋轉(zhuǎn)速 度為600轉(zhuǎn)/分鐘 1200轉(zhuǎn)/分鐘，組合式焊具上的軸肩2的壓入量為0. 05mm 0. lmm， 補(bǔ)焊時(shí)，焊具逐漸扎入匙孔M內(nèi)，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3秒 5秒，提起組合式焊具， 在匙孔M處形成點(diǎn)焊縫，補(bǔ)焊后，攪拌針3上的圓柱部分3-1留在夾持體1上的夾持孔1-1 中，攪拌針上的錐體部分3-2與匙孔M發(fā)生塑性變形并填充在匙孔M內(nèi)，如圖3所示，即實(shí) 現(xiàn)異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法。經(jīng)上述方法點(diǎn)焊后的匙孔表面成形好、無宏觀缺 陷，補(bǔ)焊位置剖面界面結(jié)合良好，攪拌針3上的錐體部分3-2與匙孔M間無未焊合現(xiàn)象，并 發(fā)生了充分的材料塑性流動(dòng)，且在上下兩工件搭接界面處也發(fā)生了充分的材料塑性流動(dòng)。
具體實(shí)施方式
二 結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟二中一體式焊具 的材質(zhì)為淬火熱處理高速鋼。上述材質(zhì)可以重復(fù)使用。其它步驟與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟三中組合式焊具 上的軸肩2的材質(zhì)為淬火熱處理高速鋼。上述材質(zhì)可以重復(fù)使用。其它步驟與具體實(shí)施方 式一或二相同。
具體實(shí)施方式
四以被焊接工件為3mm厚的銅合金板材和7. 5mm厚的鋁合金板材 為例來說明本實(shí)施方式的實(shí)現(xiàn)步驟步驟一、將3mm厚的銅合金板材置于上方，7. 5mm厚的鋁合金板材置于下方，兩種合金板材疊放在一起，固定壓緊；步驟二、點(diǎn)焊利用現(xiàn)有一體 式焊具在3mm厚的銅合金板材的上表面待焊位置處進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊， 一體式焊具參數(shù)的 選擇一體式焊具上的攪拌針的長度為7. 4mm、一體式焊具的軸肩直徑為23mm、一體式焊具 的旋轉(zhuǎn)速度為800轉(zhuǎn)/分鐘、一體式焊具的軸肩壓入量為0. lmm，點(diǎn)焊時(shí)，焊具逐漸扎入被焊 工件，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)2 5秒，提起一體式焊具，形成點(diǎn)焊縫，且在點(diǎn)焊縫中心 部位存在匙孔M，如圖2所示，匙孔形狀規(guī)則，內(nèi)壁光滑； 驟三、補(bǔ)焊利用組合式焊具對攪 拌摩擦點(diǎn)焊中心遺留的匙孔M進(jìn)行補(bǔ)焊，組合式焊具參數(shù)的選擇組合式焊具上的攪拌針3 的材質(zhì)與置于下方的7. 5mm厚的鋁合金板材材質(zhì)相同，攪拌針3前端的錐體部分3_2的形 狀與匙孔M的形狀吻合，攪拌針3的材質(zhì)與7. 5mm厚的鋁合金板材材質(zhì)相同，便于攪拌摩擦 補(bǔ)焊過程中，攪拌針3前端的錐體部分3-2與匙孔M周圍的金屬發(fā)生塑性化后填充于匙孔 M內(nèi)，組合式焊具上的軸肩2的直徑為23mm，組合式焊具的旋轉(zhuǎn)速度為1200轉(zhuǎn)/分鐘，組合 式焊具上的軸肩2的壓入量為0. 05mm，補(bǔ)焊時(shí)，焊具逐漸扎入匙孔M內(nèi)，焊具停止扎入后，繼 續(xù)旋轉(zhuǎn)5秒，提起組合式焊具，在匙孔M處形成點(diǎn)焊縫，補(bǔ)焊后，攪拌針3上的圓柱部分3-1 留在夾持體1上的夾持孔1-1中，攪拌針上的錐體部分3-2與匙孔M發(fā)生塑性變形并填充 在匙孔M內(nèi)，如圖3所示，即實(shí)現(xiàn)異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法。經(jīng)上述方法點(diǎn)焊 后的匙孔M表面成形好、無宏觀缺陷，補(bǔ)焊位置剖面界面結(jié)合良好，攪拌針3上的錐體部分 3-2與匙孔M間無未焊合現(xiàn)象，并發(fā)生了充分的材料塑性流動(dòng)，且在3mm厚的銅合金板材與 7. 5mm厚的鋁合金板材搭接界面處也發(fā)生了充分的材料塑性流動(dòng)。
權(quán)利要求
一種異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，其特征在于所述方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、將兩種材料疊放在一起，熔點(diǎn)高的或厚度小的材料置于上方，熔點(diǎn)低的或厚度大的材料置于下方，將兩種材料固定壓緊；步驟二、點(diǎn)焊利用現(xiàn)有一體式焊具在上方的材料表面待焊位置處進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，一體式焊具參數(shù)的選擇一體式焊具上的攪拌針的長度為3mm～9mm、一體式焊具的軸肩直徑為10mm～28mm、一體式焊具的旋轉(zhuǎn)速度為400轉(zhuǎn)/分鐘～1000轉(zhuǎn)/分鐘、一體式焊具的軸肩壓入量為0.1mm～0.3mm，點(diǎn)焊時(shí)，焊具逐漸扎入被焊工件，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)2秒～5秒，提起一體式焊具，形成點(diǎn)焊縫，且在點(diǎn)焊縫中心部位存在匙孔(M)；步驟三、補(bǔ)焊利用組合式焊具對攪拌摩擦點(diǎn)焊中心遺留的匙孔(M)進(jìn)行補(bǔ)焊，組合式焊具參數(shù)的選擇組合式焊具上的攪拌針(3)的材質(zhì)與置于下方的被焊材料材質(zhì)相同，攪拌針(3)前端的錐體部分(3-2)的形狀與匙孔(M)的形狀吻合，組合式焊具上的軸肩(2)的直徑為10mm～28mm，組合式焊具的旋轉(zhuǎn)速度為600轉(zhuǎn)/分鐘～1200轉(zhuǎn)/分鐘，組合式焊具上的軸肩(2)的壓入量為0.05mm～0.1mm，補(bǔ)焊時(shí)，焊具逐漸扎入匙孔(M)內(nèi)，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3秒～5秒，提起組合式焊具，在匙孔(M)處形成點(diǎn)焊縫，補(bǔ)焊后，攪拌針(3)上的圓柱部分(3-1)留在夾持體(1)上的夾持孔(1-1)中，攪拌針上的錐體部分(3-2)與匙孔(M)發(fā)生塑性變形并填充在匙孔(M)內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，其特征在于所述步驟 二中一體式焊具的材質(zhì)為淬火熱處理高速鋼。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，其特征在于所述 步驟三中組合式焊具上的軸肩(2)的材質(zhì)為淬火熱處理高速鋼。
全文摘要
異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法，它涉及一種點(diǎn)焊方法。本發(fā)明為消除兩種屬性相差較大的材料攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊縫表面的匙孔的問題。方法步驟一、將兩種材料疊放在一起，熔點(diǎn)高的或厚度小的材料置于上方，熔點(diǎn)低的或厚度大的材料置于下方；二、利用現(xiàn)有一體式焊具在上方的材料表面待焊位置處進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)3秒，提起一體式焊具，在點(diǎn)焊縫中心部位存在匙孔；三、利用組合式焊具對步驟二中的匙孔進(jìn)行補(bǔ)焊，焊具逐漸扎入匙孔內(nèi)，焊具停止扎入后，繼續(xù)旋轉(zhuǎn)4秒，提起組合式焊具，在匙孔處形成點(diǎn)焊縫，即實(shí)現(xiàn)異種材料的無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊方法。本發(fā)明用于異種材料無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊和常規(guī)攪拌摩擦點(diǎn)焊縫匙孔的補(bǔ)焊。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101791743SQ201010136898
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月31日
發(fā)明者劉會(huì)杰, 李金全, 田英, 韓冰, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)