专利名称：异种金属搅拌摩擦点焊装置及其方法
技术领域：
本发明涉及一种异种金属搅拌摩擦点焊装置，以及使用该装置进行搅拌点焊的方法。
背景技术：
随着全球资源供应与环境保护的日趋严峻，汽车轻量化越来越受到人们的关注，并成为当今汽车工业发展的主要方向。采用铝、镁等轻合金以及高强钢材料是实现轻量化的重要措施。然而铝、镁等轻合金与高强钢材料的物理属性差异较大，且焊接时容易生成硬而脆的金属间化合物，因此，采用传统的电阻点焊方法时接头焊接质量较差。搅拌摩擦点焊技术是一种新型的固相连接技术，由德国GKSS研究中心于1999年发明，详情见美国专利US6722556-B2。该技术采用由搅拌针、搅拌套和夹紧套组成的特殊的搅拌头，通过精确控制搅拌头各部件的相对运动，在搅拌头回撤的同时填充搅拌头在焊接过程中形成的退出孔，从而形成表面平整的点焊接头。由于焊接过程中材料处于熔融状态，该工艺较好地克服了铝、钢等异种金属因大量焊接热量输入而引起的焊接质量问题。然而，在搅拌摩擦点焊过程中，当下层板为强度较高的高强钢时，由于焊接材料塑性变形阻力较大，需要采用较大的焊接力，从而对搅拌头强度、硬度以及焊接系统提出更高的要求。而且，材料塑性流动困难导致点焊接头焊接质量不高，焊接性能较差。
发明内容
本发明提供一种异种金属搅拌摩擦点焊装置，以及使用该装置进行搅拌点焊的方法，以克服现有技术存在的上述缺陷。为了达到上述目的，本发明提供一种异种金属搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套，在所述搅拌套中的搅拌针，夹持在搅拌套外的夹紧套，以及焊接垫块，所述夹紧套和焊接垫块之间为焊接工件，其特征在于，在焊接垫块顶部设有环形电刷，在焊接垫块中心设有T型通孔，安装导电杆，导电杆与焊接垫块上表面齐平，所述环形电刷和导电杆分别通过导线与可控直流电源的正极和负极相连。作为优选方案，在焊接垫块顶部设有圆柱凸台，并通过螺纹连接环形电刷，所述圆柱凸台的高度与直径和环形电刷的内环高度与直径相匹配。作为进一步的优选方案，夹紧套和焊接垫块由绝缘材料制成，或表面涂有绝缘涂料。本发明还提供一种采用上述装置的异种金属搅拌摩擦点焊方法，包括如下步骤A)夹紧套和焊接垫块压紧焊接工件，搅拌针和搅拌套贴紧工件表面同向挤压旋转，使金属材料塑性软化，在夹紧套压紧焊接工件的同时，所述环形电刷和导电杆分别连通极性相反的直流电源，使焊接回路导通；B)搅拌套向下旋转压入焊接工件内部，同时搅拌针旋转上升，塑性材料向搅拌针下部区域流动，当达到所需焊接深度后，搅拌套旋转上升，而搅拌针向下挤压回填材料；
C)当搅拌套和搅拌针分别运动到同一水平面后，保持锻压一段时间后回撤至初始工位，切断直流电。所述直流电的电流强度最好在500A 3000A之间。步骤C)中锻压时间最好为0. 2秒 I秒。当夹紧套压紧焊接工件时，焊接电流在下层板材内流通。随着压入和回填阶段的继续，下层焊接工件受环形电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更容易发生塑性变形，从而减小了搅拌套的下压阻力。同时焊接材料的塑性流动能力得到提升，熔融状态下材料的结合能力获得加强，因而提闻了点焊接头的综合质量。本发明利用材料的电致塑性效应，在异种金属搅拌摩擦点焊过程中对下层强度较高的焊接材料施加一定的焊接电流，使得材料更容易发生塑性变形，降低了焊接过程中的焊接压力，同时提高了焊接过程中材料的塑性流动能力，改善了搅拌摩擦点焊接头的焊接质量。
图1是本发明装置的结构示意图。图2是环形电刷5的结构示意图。图3为本发明点焊方法的实施流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。如图1所示，本发明一种异种金属搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套2，在所述搅拌套2中的搅拌针I，夹持在搅拌套2外的夹紧套3，以及焊接垫块4，所述夹紧套3和焊接垫块4之间为焊接工件，其特征在于，在焊接垫块4顶部设有环形电刷5，在焊接垫块4中心设有T型通孔，安装导电杆6，导电杆6与焊接垫块4上表面齐平，所述环形电刷5和导电杆6分别通过导线与可控直流电源的正极和负极相连。优选的，在焊接垫块4顶部设有圆柱凸台，并通过螺纹连接环形电刷5，所述圆柱凸台的高度与直径和环形电刷5的内环高度与直径相匹配。进一步优选的，夹紧套3和焊接垫块4由绝缘材料制成，或表面涂有绝缘涂料。如图2所示，本发明通过上述装置实现异种金属搅拌摩擦点焊的方法，包括如下步骤A)夹紧套3和焊接垫块4压紧焊接工件，搅拌针I和搅拌套2贴紧铝合金或镁合金板材7和高强钢板材8表面同向挤压旋转，使金属材料塑性软化，在夹紧套3压紧焊接工件的同时，所述环形电刷5和导电杆6分别连通极性相反的直流电源，使焊接回路导通，如图 2a)；B)搅拌套2向下旋转压入焊接工件内部，同时搅拌针旋转上升，塑性材料向搅拌针下部区域流动，当达到所需焊接深度后，搅拌套和搅拌针的运动方向互换，既搅拌套旋转上升，而搅拌针向下挤压回填材料，如图2b) d)；C)当搅拌套2和搅拌针I分别运动到同一水平面后，保持锻压一段时间，搅拌头回撤至初始工位，切断直流电，焊接过程结束，如图2e) f)。
所述直流电500A 3000A。步骤C)中锻压时间为0. 2秒 I秒。当夹紧套压紧焊接工件时，焊接电流在下层板材内流通。随着压入和回填阶段的继续，下层焊接工件受环形电致塑性效应的影响在直流电导通方向上更容易发生塑性变形，从而减小了搅拌套的下压阻力。同时焊接材料的塑性流动能力得到提升，熔融状态下材料的结合能力获得加强，因而提闻了点焊接头的综合质量。
权利要求
1.一种异种金属搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套(2)，在所述搅拌套(2)中的搅拌针(1)，夹持在搅拌套(2)外的夹紧套(3)，以及焊接垫块(4)，所述夹紧套(3)和焊接垫块(4)之间为焊接工件，其特征在于，在焊接垫块(4)顶部设有环形电刷(5)，在焊接垫块(4)中心设有T型通孔，安装导电杆(6)，导电杆(6)与焊接垫块(4)上表面齐平，所述环形电刷(5)和导电杆(6)分别通过导线与可控直流电源的正极和负极相连。
2.如权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，在焊接垫块(4)顶部设有圆柱凸台，并通过螺纹连接环形电刷(5)，所述圆柱凸台的高度与直径和环形电刷(5)的内环高度与直径相匹配。
3.如权利要求1所述的异种金属搅拌摩擦点焊装置，其特征在于，夹紧套(3)和焊接垫块(4)由绝缘材料制成,或表面涂有绝缘涂料。
4.一种采用如权利要求1-3任一项所述的装置进行异种金属搅拌摩擦点焊的方法，其特征在于，包括如下步骤 A)夹紧套(3)和焊接垫块(4)压紧焊接工件，搅拌针(I)和搅拌套(2 )贴紧工件表面同向挤压旋转，使金属材料塑性软化，在夹紧套压紧焊接工件的同时，所述环形电刷(5)和导电杆(6)分别连通极性相反的直流电源，使焊接回路导通； B)搅拌套(2)向下旋转压入焊接工件内部，同时搅拌针(I)旋转上升，塑性材料向搅拌针(I)下部区域流动，当达到所需焊接深度后，搅拌套(2 )旋转上升，而搅拌针(I)向下挤压回填材料； C)当搅拌套(2)和搅拌针(I)分别运动到同一水平面后，保持锻压一段时间后回撤至初始工位，切断直流电。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述直流电的电流强度为500-3000A。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤C)中所述锻压时间为O.2-1秒。
全文摘要
本发明提供一种异种金属搅拌摩擦点焊装置，包括搅拌套，在搅拌套中的搅拌针，夹持在搅拌套外的夹紧套，以及焊接垫块，夹紧套和焊接垫块之间为焊接工件，在焊接垫块顶部设有环形电刷，在焊接垫块中心设有T型通孔，并安装导电杆，导电杆与焊接垫块上表面齐平，环形电刷和导电杆分别通过导线与可控直流电源的正极和负极相连。本发明还提供一种异种金属搅拌摩擦点焊方法，包括使金属材料塑性软化，同时环形电刷和导电杆分别连通极性相反的直流电源，使焊接回路导通，然后采用点焊工艺完成焊接。本发明在异种金属的搅拌摩擦点焊过程中对下层强度较高的焊接材料施加一定的焊接电流，使材料更容易发生塑性变形，降低了焊接压力，从而提升焊接质量。
文档编号B23K20/26GK103008874SQ201210568669
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月24日 优先权日2012年12月24日
发明者杨洪刚 申请人:上海电机学院