[发明专利]一种固相点焊方法

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种填充式固相点焊方法。 

背景技术

在固相点焊领域，目前有两种焊接方法：一种为直插式搅拌摩擦点焊方法，即在搅拌摩擦焊技术的基础上，利用焊接工具的轴肩、搅拌针对材料进行原位摩擦搅拌，形成点焊接头。该点焊方法焊点表面存在搅拌针的退出孔，即匙孔，表面不平整。如中国专利CN101053923A于2007年10月17日公开的一种搅拌摩擦点焊技术采用的搅拌头专利即属于该技术方案。

另一种摩擦点焊方法为原位填充式摩擦点焊，为德国GKSS研究中心于1999年开发，其技术特征为采用中心轴，内套环和外套环三个部件组成的焊接工具进行焊接，即中心轴旋转下压材料，搅拌摩擦需要连接的界面，同时内套环旋转上升容纳挤出的塑性金属；随后中心轴上升，内套环下压形成平整的焊点，详见美国专利US006722556B2。

上述原位填充式摩擦点焊技术存在下列弊端：焊接热源主要由旋转的中心轴与母材摩擦产生的热源提供，但越靠近焊点中心，焊接工具的旋转线速度越小（中心点线速度为零），与母材的摩擦产生的热量也越小，这样会造成在靠近焊点中心处的材料温度低，材料的塑性流动性能差。并且中心轴下压时，要将其下方的材料整体挤压至内套环上升的空间，需要转移的材料量大。这样会出现两种不利情况：一种是被迫增加焊接时间，以获得较大的产热量，使焊点中心材料的温度达到易于塑性流动的高温状态，但此时焊点周围的材料也达到了高温，甚至造成外套环压入母材，形成成形缺陷，同时也使得焊点热影响区过大，损害母材和焊点力学性能，并且这种焊接过程需要的时间很长，焊接效率低下。另一种情况是将温度较低的材料进行强迫挤压锻造，这需要极大的中心轴顶锻力，往往造成中心轴被压弯失效，降低了焊接工具的使用寿命，该点焊方法难以实现应用。

还有一种为原位填充摩擦点焊方法是通过内套环下压，摩擦需要连接的界面，而中心轴回抽容纳塑性金属。该方法同样存在弊端，即内套环下压时，在外圈竖直界面上与母材有一个剪切作用，当材料回填其留下的空间时，填充的材料与该界面无法进行充分反应，形成了弱连接。该弱连接特征使得焊点容易被撕裂失效。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种焊点竖直界面连接好、焊接工具负载小、焊接效率高的固相电焊方法。

解决上述技术问题的技术方案为：一种三套环填充式摩擦点焊方法，包括以下步骤：

（1）压紧预热步骤：外套环压紧工件表面，为焊接工具提供了轴向位移基准，并起拘束材料的作用，中间套环与内套环贴紧工件表面以相同的速度旋转，与母材表面产生的摩擦热将使周围金属达到塑性软化状态。

（2）挤压锻造步骤：内套环高速旋转的同时，向下挤压母材上板，将塑性金属往外排，中间套环保持高速旋转的同时向上移动，为挤压出来的塑性金属留出空间；与此同时，内套环中心的滑块上方弹簧收缩，滑块内移但下端面仍与母材表面保持在同一水平位置。

（3）界面摩擦连接步骤：当内套环的端面下压深度超过需要搭接的连接面时，停止下压，在此界面保持一段时间进行旋转摩擦，破坏界面氧化膜，以实现搭接面的有效连接。

（4）材料回填锻造步骤：当搭接界面氧化膜被完全破坏之后，内套环开始向上移动，同时中间套环开始向下挤压锻造，使塑性金属回填内套环上升留下的空腔；与此同时，滑块在弹簧的作用下将下方金属向内套环内腔往外排，但滑块的下端面始终与母材表面保持在同一水平面上。

（5）焊点成形与修磨步骤：在内套环、滑块、中间套环三个移动组件回到同一平面后，外套环在压紧状态下保持旋转进行焊点表面修磨，完毕后即可将焊接工具提离工件表面得到表面平整的焊点，焊接过程完成。

进一步地，所述内套环、中间套环的旋转速度范围为1000~5000转/分（rpm）。

一种实现固相点焊方法的装置，包括内套环、外套环、中间套环、其特征在于：滑块位于内套环中心，滑块与外套环保持相对轴向静止，所述内套环、中间套环通过旋转实现焊接。

进一步地，所述外套环是一种静止套环，保持整个焊接工具的轴向位移基准。

进一步地，所述滑块为圆柱滑块。

进一步地，所述滑块上安装弹簧，滑块通过弹簧与内套环连接，

进一步地，所述内套环环壁上开槽，用螺栓穿过内套环将中间套环和滑块联接在一起，当中间套环下压时，可带动圆柱滑块同时下压。

进一步地，还包括一个夹持垫板，用于夹持母材上板和母材下板。

本发明相对于现有技术的有益效果是：