本發(fā)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(diǎn)焊機(jī)和使用該點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法。

背景技術(shù)：

攪拌摩擦點(diǎn)焊(Friction stir spot welding,FSSW)是在攪拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的固相點(diǎn)連接技術(shù)。因FSSW具有工藝簡(jiǎn)單、節(jié)能、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、接頭性能高、變形小等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天、汽車(chē)、船舶等制造業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。攪拌摩擦點(diǎn)焊包括三個(gè)過(guò)程：一、旋轉(zhuǎn)攪拌頭的下扎；二、下扎結(jié)束后停留一定時(shí)間；三、攪拌頭回抽，完成焊接。

用現(xiàn)有的攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)和焊接工藝方法進(jìn)行焊接，在攪拌頭下扎過(guò)程與停留階段，攪拌針尖端會(huì)出現(xiàn)材料聚集區(qū)，堆積的塑性材料會(huì)對(duì)搭接界面產(chǎn)生向上的擠壓力，使得搭接界面向上彎曲，形成通常所說(shuō)的二次鉤狀缺陷。二次鉤狀缺陷是影響攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭力學(xué)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(guò)程中產(chǎn)生的。在攪拌針下扎過(guò)程中，材料在螺紋的帶動(dòng)下由攪拌針底部向上流動(dòng)，向上流動(dòng)的材料會(huì)擠壓上板與下板的接觸面，導(dǎo)致搭接界面和上板向上翹曲；軸肩接觸上板后，開(kāi)始擠壓上板向下移動(dòng)，導(dǎo)致原來(lái)的界面“折斷”，從而形成二次鉤狀缺陷。二次鉤狀缺陷的出現(xiàn)為裂紋的擴(kuò)展增加了途徑，對(duì)攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的性能極為不利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了去除二次鉤狀缺陷和提高攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭的性能，本發(fā)明提供一種攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)和使用該點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法。

本發(fā)明提供的攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)，包括安裝在焊機(jī)機(jī)身上的攪拌頭和置于攪拌頭外部的靜止軸肩；所述靜止軸肩由單獨(dú)一臺(tái)電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)；靜止軸肩的底部有由厚度為0.5—12mm的高熱導(dǎo)率金屬板材制成的靜止軸肩底蓋封閉的冷卻介質(zhì)通道。

2.用權(quán)利要求1所述攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)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臺(tái)上，并固定好；

步驟2、在工件焊接區(qū)域的下部設(shè)置超聲振動(dòng)裝置，超聲振動(dòng)裝置由超聲發(fā)生器、超聲換能器和超聲變幅桿組成，其中超聲變幅桿與工件的下板相接觸；

步驟3、用上述超聲振動(dòng)裝置輔助進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊：

電機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)靜止軸肩向下移動(dòng)，當(dāng)靜止軸肩接觸上板后給出1KN～50KN(根據(jù)工件材質(zhì)和靜止軸肩大小確定)的下壓力，以保證焊接過(guò)程中上板不會(huì)翹起，靜止軸肩下壓后，使冷卻介質(zhì)(水冷或氣冷)通過(guò)靜止軸肩中的冷卻介質(zhì)通道，對(duì)焊接區(qū)表面進(jìn)行冷卻；

然后開(kāi)啟超聲發(fā)生器，根據(jù)工件的材質(zhì)和厚度，超聲波頻率選取范圍為20～80KZ，振幅選取范圍為20～60μm，調(diào)節(jié)超聲變幅桿與工件下板的夾角，使工件板面產(chǎn)生的振動(dòng)最大；

然后使攪拌頭以100～7000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)并下扎穿透上板；同時(shí)靜止軸肩壓入工件0.1～0.5mm；攪拌頭穿透上板后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并停留0～500秒；然后攪拌頭停止轉(zhuǎn)動(dòng)并以0.1～100mm/min速度回抽，此時(shí)靜止軸肩與工件的上板繼續(xù)保持接觸，冷卻介質(zhì)繼續(xù)施加0～200s；然后使靜止軸肩回撤，回撤速度為0.1～100mm/min；超聲振動(dòng)裝置自靜止軸肩開(kāi)始回撤起繼續(xù)振動(dòng)0～500s后停止振動(dòng)，完成點(diǎn)焊全過(guò)程。

本發(fā)明的有益效果：

1、通過(guò)靜止軸肩對(duì)上板的預(yù)壓作用，使攪拌頭在扎入下板時(shí)向上擠壓的材料無(wú)法使上板翹起，從而避免了二次鉤狀缺陷的產(chǎn)生，減少了裂紋擴(kuò)展的路徑，有利于提升接頭的力學(xué)性能。

2、靜止軸肩與工件上表面接觸后，冷卻介質(zhì)通過(guò)靜止軸肩下部由高熱導(dǎo)率材料(如銅)制成的底蓋封閉的環(huán)形冷卻介質(zhì)通道對(duì)焊接區(qū)表面進(jìn)行冷卻，在接觸熱傳導(dǎo)及冷卻介質(zhì)的雙重作用下，焊點(diǎn)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，殘余應(yīng)力減小，變形降低。

3、靜止軸肩包圍著攪拌頭的動(dòng)軸肩，焊接過(guò)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(qiáng)，促進(jìn)界面間原子擴(kuò)散結(jié)合，有利于提高接頭的力學(xué)性能。

4、在工件的背部施加超聲，可促進(jìn)焊接過(guò)程中焊核底部材料的流動(dòng)，增加底部區(qū)域焊核區(qū)的寬度，減小沿板厚方向焊核區(qū)的寬度差；由于超聲施加在下板，下板的超聲振動(dòng)較強(qiáng)，下板塑性材料體積增加，底部材料堆積量增加，材料堆積區(qū)對(duì)搭接界面的擠壓作用增強(qiáng)，有利于改善原子擴(kuò)散。

5、將超聲變幅桿設(shè)計(jì)成可移動(dòng)式，在焊接不同材料或者不同板厚的材料時(shí)可找到施加超聲的最佳位置，使超聲振動(dòng)達(dá)到最佳效果。

6、通過(guò)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(zhǎng)大，減小熱影響區(qū)的范圍及軟化程度，有利于提高接頭性能。

7、靜止軸肩的底蓋由足夠薄的高熱導(dǎo)率材料制成，可確保冷卻效果，并使冷卻介質(zhì)不能與工件接觸，避免工件受到污染。

8、攪拌頭與靜止軸肩撤離焊板后，超聲振動(dòng)繼續(xù)維持一段時(shí)間，可消除焊后殘余應(yīng)力，提高焊接質(zhì)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)的結(jié)構(gòu)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后的俯視圖；

圖4為圖2中靜止軸肩底蓋的俯視圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明。

如圖1至圖4所示，本發(fā)明攪拌摩擦點(diǎn)焊機(jī)，包括安裝在焊機(jī)機(jī)身1上的攪拌頭2和置于攪拌頭外部的靜止軸肩3。攪拌頭的針長(zhǎng)為5mm，靜止軸肩的直徑為13mm。靜止軸肩由單獨(dú)一臺(tái)電機(jī)4通過(guò)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)可上下運(yùn)動(dòng)。在靜止軸肩的底部設(shè)有由靜止軸肩底蓋17封閉的冷卻介質(zhì)通道18，冷卻介質(zhì)通道由四組相互連通的環(huán)形孔道組成，并由靜止軸肩底蓋封閉，冷卻介質(zhì)通道與開(kāi)設(shè)在靜止軸肩兩側(cè)壁上的L形冷卻介質(zhì)進(jìn)口5和冷卻介質(zhì)出口6相接。靜止軸肩底蓋由厚度為1mm的銅板制成，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(diǎn)焊機(jī)對(duì)厚度為3mm的鋁合金板進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊的實(shí)施例。

實(shí)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固定在工作臺(tái)7上。.為了防止組成攪拌頭的動(dòng)軸肩(未圖示)與靜止軸肩接觸，并盡量減少材料進(jìn)入其間隙中，靜止軸肩與動(dòng)軸肩的間隙選取0.1mm。

步驟2、在工件焊接區(qū)域的下部設(shè)置超聲振動(dòng)裝置，超聲振動(dòng)裝置由超聲發(fā)生器16、超聲換能器和超聲變幅桿15組成，其中的超聲變幅桿與工件的下板相接觸。

步驟3、用上述超聲振動(dòng)裝置輔助進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊：

開(kāi)啟電機(jī)，驅(qū)動(dòng)靜止軸肩向下運(yùn)動(dòng)，與上板緊密接觸，并以20KN的下壓力對(duì)上板施壓，保證焊接過(guò)程中上板不會(huì)翹起；靜止軸肩下壓后，打開(kāi)供水閥門(mén)，使冷卻水由輸水管(未圖示)通過(guò)靜止軸肩中的冷卻介質(zhì)進(jìn)口和冷卻介質(zhì)出口流經(jīng)靜止軸肩中的冷卻介質(zhì)通道，對(duì)焊接區(qū)表面進(jìn)行冷卻。為了增強(qiáng)冷卻效果，在單次焊接中冷卻水不循環(huán)利用。

然后開(kāi)啟超聲發(fā)生器，超聲頻率選30KHz，振幅選40μm，調(diào)整超聲變幅桿的位置和角度，使工件板面產(chǎn)生的振動(dòng)最大。

然后使攪拌頭以1000轉(zhuǎn)/分的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)并下扎穿透上板，同時(shí)靜止軸肩扎進(jìn)工件0.2mm；攪拌頭穿透上板后繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并停留20秒；然后使攪拌頭停止轉(zhuǎn)動(dòng)并回抽，回抽速度為50mm/min，此時(shí)靜止軸肩與工件的上板繼續(xù)保持接觸；冷卻介質(zhì)繼續(xù)施加100s后將靜止軸肩回撤，回撤速度為10mm/min；超聲振動(dòng)裝置自靜止軸肩開(kāi)始回撤起繼續(xù)振動(dòng)300s后停止振動(dòng)，結(jié)束工件的焊接。

實(shí)施例2

本實(shí)施例與實(shí)施例1不同的是，其步驟3中所述攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為2000轉(zhuǎn)/分，其它與實(shí)施例1相同。

實(shí)施例3

本實(shí)施例與實(shí)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(shí)施例1相同。

實(shí)施例4

本實(shí)施例與實(shí)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(shí)施例1相同。

實(shí)施例5

本實(shí)施例與實(shí)施例4不同的是，其步驟3中所述攪拌頭穿透上板后的停留時(shí)間為50s，其它與實(shí)施例4相同。