《搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法.pdf（11页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103170752 A (43)申请公布日 2013.06.26 CN 103170752 A *CN103170752A* (21)申请号 201310121690.1 (22)申请日 2013.04.09 B23K 28/02(2006.01) (71)申请人 上海电机学院 地址 200240 上海市闵行区江川路 690 号 (72)发明人 杨洪刚 (74)专利代理机构 上海思微知识产权代理事务 所 ( 普通合伙 ) 31237 代理人 郑玮 (54) 发明名称 搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法 (57) 摘要 一种搅拌摩擦电阻点焊装置， 包括 ： 焊接垫 块， 内设。
2、 T 型通孔 ； 导电杆， 设置在 T 型通孔内， 并与焊接垫块之承载面共水平面， 导电杆与外部 电源的第一电极电连接 ； 以及搅拌头， 进一步包 括搅拌针、 夹紧套， 以及搅拌套， 所述搅拌针、 搅拌 套， 以及所述夹紧套共中心轴线设置， 夹紧套与外 部电源的第二电极电连接， 搅拌针和搅拌套与待 焊接板材之接触面具有电绝缘特性。本发明通过 在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一 定强度和时间的焊接电流， 使得所述搅拌套外圈 的焊接材料逐渐软化并熔化， 改善了点焊接头薄 弱连接面的成形温度与环境， 形成电阻点焊和摩 擦焊的复合型接头， 增加了点焊接头几何尺寸， 从 而提升了搅拌摩擦电阻点焊。
3、接头的焊接质量。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 (10)申请公布号 CN 103170752 A CN 103170752 A *CN103170752A* 1/2 页 2 1. 一种搅拌摩擦电阻点焊装置， 其特征在于， 所述搅拌摩擦电阻点焊装置包括 ： 焊接垫块， 所述焊接垫块用于承载所述待焊接板材， 并在所述焊接垫块内设置 T 型通 孔 ； 导电杆， 所述导电杆设置在所述 T 型通孔内， 并与所述焊接垫块之承载面共水平面， 所 述导电杆与外部电源的第。
4、一电极电连接 ； 以及， 搅拌头， 所述搅拌头用于焊接所述待焊接板材， 并进一步包括设置在所述搅拌头里层 的搅拌针、 设置在所述搅拌头外层的夹紧套， 以及设置在所述搅拌针与所述夹紧套之间的 搅拌套， 所述搅拌针、 搅拌套， 以及所述夹紧套共中心轴线设置， 所述夹紧套与所述外部电 源的第二电极电连接， 所述搅拌针和所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面具有电绝缘特 性。 2. 如权利要求 1 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法， 其特征在于， 所述第一电极 为所述外部电源的正极， 所述第二电极为所述外部电源的负极。 3. 如权利要求 1 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法， 其特征在于， 所述第一电。
5、极 为所述外部电源的负极， 所述第二电极为所述外部电源的正极。 4. 如权利要求 1 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法， 其特征在于， 所述外部电源 为直流电源。 5. 如权利要求 1 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法， 其特征在于， 所述搅拌针和 所述搅拌套为绝缘材料制备。 6. 如权利要求 1 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法， 其特征在于， 所述搅拌针和 所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面涂布绝缘材料。 7. 一种如权利要求 1 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法， 其特征在于， 所述方 法包括 ： 执行步骤 S1 ： 开始焊接阶段， 提供所述待焊接板材， 并承载在所述焊接垫块上。
6、， 所述导 电杆与所述第一电极电连接， 所述搅拌套与所述第二电极电连接， 所述搅拌头之夹紧套压 紧所述待焊接板材， 所述搅拌头之搅拌针和搅拌套与所述待焊接板材接触， 且所述搅拌针 和所述搅拌套均向所述待焊接板材方向挤压旋转， 使所述待焊接板材之金属材料塑性软 化 ； 执行步骤 S2 ： 压入阶段， 所述搅拌套向所述待焊接板材方向旋转运动， 并压入所述待 焊接板材内部， 所述搅拌针向异于所述待焊接板材的方向旋转运动， 所述搅拌套和所述搅 拌针相对运动， 并为所述呈塑性状态之材料的运动提供空间 ； 执行步骤 S3 ： 回填阶段， 当所述搅拌头之搅拌针和所述搅拌套运动至预定深度时， 所 述搅拌针向所。
7、述待焊接板材的方向旋转运动， 所述搅拌套向异于所述待焊接板材的方向旋 转运动 ； 执行步骤 S4 ： 焊接结束阶段， 当所述搅拌套和所述搅拌针运动至同一水平面后， 所述 搅拌头之搅拌套和搅拌针停止旋转， 所述搅拌头在所述待焊接板材保持锻压， 并在所述锻 压过程之后所述搅拌头回撤至初始工位， 所述外部电源关闭， 完成焊接作业。 8. 如权利要求 7 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法， 其特征在于， 在所述压入 阶段， 所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为 3000 10000A。 9. 如权利要求 8 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法， 其特征在于， 在所述回填 权 。
8、利 要 求 书 CN 103170752 A 2 2/2 页 3 阶段， 所述外部电源对所述第一电极和第二电极输入的焊接电流为 3000 10000A。 10. 如权利要求 7 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法， 其特征在于， 在所述压入 阶段， 所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为 3000 5000A ； 在 所述回填阶段， 所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的焊接电流为 5000 10000A。 11. 如权利要求 7 所述的搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法， 其特征在于， 所述搅拌套 在所述待焊接板材上的锻压时间为 0.2 1 秒。 权 利 要 求 书 。
9、CN 103170752 A 3 1/5 页 4 搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法 技术领域 0001 本发明涉及焊接技术设备， 尤其涉及一种搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法。 背景技术 0002 随着全球资源与环境保护问题的日趋严峻， 运载工具的轻量化设计成为汽车、 航 空航天等制造领域的发展方向。一方面采用铝合金代替传统的钢材料， 另一方面通过高效 的新型工艺技术提高产品的可靠性并降低产品重量。铝合金作为运载工具的主要制造材 料， 其主要连接方式是焊接和铆接。 0003 但是， 现有的焊接技术存在许多局限性， 主要表现在 ： a焊接过程需要提供大电 流， 耗能大 ； b 铝合金表面氧化膜造成电极寿。
10、命明显缩短 ； C 由于焊接大电流的作用， 工件 将产生明显的热变形， 且焊缝中易出现缺陷和焊点质量不稳定， 接头质量差 ； d 焊接过程中 有飞溅， 点焊工作环境差。 铆接是铝合金构件中一种常用的连接技术， 但是采用铆接技术一 方面会增加铝合金构件的重量， 另一方面在铆接过程中会产生大量的噪音， 生产环境恶劣， 另外， 铆接技术需要在铝合金构件上预开孔， 增加了生产成本。 0004 目前， 已公开的资料中报道了两种不同的 FSSW 技术。第一种方法是日本 Mazda 汽车公司于 1993 年发明的搅拌摩擦点焊， 这种搅拌摩擦点焊又称为 “带有退出孔的搅拌摩 擦点焊” 技术， 采用的焊接设备与。
11、普通搅拌摩擦焊接设备类似， 具体的焊接过程可分为 3 个 阶段 ： a、 压入过程 ： 搅拌头不断旋转， 通过施加顶锻压力插入连接工件中， 在压力作用下工 件与搅拌头之间产生摩擦热， 软化周围材料， 搅拌头进一步压入工件 ； b、 连接过程 ： 搅拌头 完全镶嵌在工件中， 保持搅拌头压力并使轴肩接触工件表面， 继续旋转一定时间 ； c、 回撤过 程 ： 完成连接后搅拌头从工件退出， 在点焊缝中心留下典型的退出凹孔。 0005 第二种方法是德国 GKSS 研究中心于 1999 年发明的搅拌摩擦点焊， 采用特殊的搅 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。
12、 程中形成的退出孔， 采用该方法焊接的点焊缝平整， 焊点中心没有凹孔。 搅拌摩擦点焊的搅 拌头主要由三部分组成， 分别为最内部的探针、 中间层的袖筒以及最外层的夹套。其中， 夹 套在焊接时固定， 不发生旋转， 而中间层的袖筒和最内层的探针在焊接时既发生旋转也发 生沿轴向的相对运动。搅拌摩擦点焊过程中， 搅拌区的材料受到搅拌头作用进行复杂的圆 周运动和轴向运动， 在热和力的综合作用下发生动态再结晶， 形成等轴晶粒的再结晶组织。 0006 但是， 搅拌摩擦点焊过程中， 往往在接头与母材交界处形成薄弱连接面、 气孔等焊 接缺陷， 导致焊接质量稳定性差， 接头动静态强度较低， 使得搅拌摩擦点焊工艺只适。
13、用于对 强度要求不高的零部件连接， 限制了该工艺在车身制造中的应用推广。 因此， 研究开发铝合 金新的点焊连接技术替代传统的搅拌摩擦点焊和铆接技术， 对扩大铝合金在汽车工业的应 用， 推动汽车轻量化发展以及提高航空、 航天运载能力具有十分重要的意义。 0007 故针对现有技术存在的问题， 本案设计人凭借从事此行业多年的经验， 积极研究 改良， 于是有了本发明一种搅拌摩擦电阻点焊装置及其方法。 说 明 书 CN 103170752 A 4 2/5 页 5 发明内容 0008 本发明是针对现有技术中， 所述搅拌摩擦点焊过程中， 往往在接头与母材交界处 形成薄弱连接面、 气孔等焊接缺陷， 导致焊接质。
14、量稳定性差， 接头动静态强度较低， 使得搅 拌摩擦点焊工艺只适用于对强度要求不高的零部件连接， 限制了该工艺在车身制造中的应 用推广等缺陷提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置。 0009 本发明的又一目的是针对现有技术之缺陷， 提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置的焊 接方法。 0010 为了解决上述问题， 本发明提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置， 所述搅拌摩擦电阻 点焊装置包括 ： 焊接垫块， 所述焊接垫块用于承载所述待焊接板材， 并在所述焊接垫块内设 置 T 型通孔 ； 导电杆， 所述导电杆设置在所述 T 型通孔内， 并与所述焊接垫块之承载面共水 平面， 所述导电杆与外部电源的第一电极电连接 ； 以及搅拌头，。
15、 所述搅拌头用于焊接所述待 焊接板材， 并进一步包括设置在所述搅拌头里层的搅拌针、 设置在所述搅拌头外层的夹紧 套， 以及设置在所述搅拌针与所述夹紧套之间的搅拌套， 所述搅拌针、 搅拌套， 以及所述夹 紧套共中心轴线设置， 所述夹紧套与所述外部电源的第二电极电连接， 所述搅拌针和所述 搅拌套与所述待焊接板材之接触面具有电绝缘特性。 0011 可选地， 所述第一电极为所述外部电源的正极， 所述第二电极为所述外部电源的 负极。 0012 可选地， 所述第一电极为所述外部电源的负极， 所述第二电极为所述外部电源的 正极。 0013 可选地， 所述外部电源为直流电源。 0014 可选地， 所述搅拌针和。
16、所述搅拌套为绝缘材料制备。 0015 可选地， 所述搅拌针和所述搅拌套与所述待焊接板材之接触面涂布绝缘材料。 0016 为实现本发明之又一目的， 本发明提供一种搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法， 所述焊接方法包括 ： 0017 执行步骤 S1 ： 开始焊接阶段， 提供所述待焊接板材， 并承载在所述焊接垫块上， 所 述导电杆与所述第一电极电连接， 所述搅拌套与所述第二电极电连接， 所述搅拌头之夹紧 套压紧所述待焊接板材， 所述搅拌头之搅拌针和搅拌套与所述待焊接板材接触， 且所述搅 拌针和所述搅拌套均向所述待焊接板材方向挤压旋转， 使所述待焊接板材之金属材料塑性 软化 ； 0018 执行步骤 S2 。
17、： 压入阶段， 所述搅拌套向所述待焊接板材方向旋转运动， 并压入所 述待焊接板材内部， 所述搅拌针向异于所述待焊接板材的方向旋转运动， 所述搅拌套和所 述搅拌针相对运动， 并为所述呈塑性状态之材料的运动提供空间 ； 0019 执行步骤 S3 ： 回填阶段， 当所述搅拌头之搅拌针和所述搅拌套运动至预定深度 时， 所述搅拌针向所述待焊接板材的方向旋转运动， 所述搅拌套向异于所述待焊接板材的 方向旋转运动 ； 0020 执行步骤 S4 ： 焊接结束阶段， 当所述搅拌套和所述搅拌针运动至同一水平面后， 所述搅拌头之搅拌套和搅拌针停止旋转， 所述搅拌头在所述待焊接板材保持锻压， 并在所 述锻压过程之后所。
18、述搅拌头回撤至初始工位， 所述外部电源关闭， 完成焊接作业。 0021 可选地， 在所述压入阶段， 所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的 说 明 书 CN 103170752 A 5 3/5 页 6 焊接电流为 3000 10000A。 0022 可选地， 在所述回填阶段， 所述外部电源对所述第一电极和第二电极输入的焊接 电流为 3000 10000A。 0023 可选地， 在所述压入阶段， 所述外部电源为所述第一电极和所述第二电极输入的 焊接电流为 3000 5000A ； 在所述回填阶段， 所述外部电源为所述第一电极和所述第二电 极输入的焊接电流为 5000 10000A。 00。
19、24 可选地， 所述搅拌套在所述待焊接板材上的锻压时间为 0.2 1 秒。 0025 综上所述， 本发明搅拌摩擦电阻点焊装置通过将所述焊接垫块内的导电杆与所述 外部电源的第一电极电连接， 将所述搅拌头之搅拌套与所述外部电源的第二电极电连接， 并在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的焊接电流， 使得所述搅 拌套外圈的焊接材料逐渐软化并熔化， 改善了点焊接头薄弱连接面的成形温度与环境， 形 成电阻点焊和摩擦焊的复合型接头， 增加了点焊接头几何尺寸， 从而提升了搅拌摩擦电阻 点焊接头的焊接质量。 附图说明 0026 图 1 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的结构示意图 ； 0027。
20、 图 2 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接方法流程图 ； 0028 图 3（a） 3（f） 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的焊接原理图 ； 0029 图 4 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置焊接过程中的 t-I 图。 具体实施方式 0030 为详细说明本发明创造的技术内容、 构造特征、 所达成目的及功效， 下面将结合实 施例并配合附图予以详细说明。 0031 请参阅图 1， 图 1 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置的结构示意图。所述搅拌 摩擦电阻点焊装置 1 包括焊接垫块 11， 所述焊接垫块 11 用于承载所述待焊接板材 2， 并在 所述焊接垫块 11 内设置 T 型通孔 111 ；。
21、 导电杆 12， 所述导电杆 12 设置在所述 T 型通孔 111 内， 并与所述焊接垫块 11 之承载面 112 共水平面， 所述导电杆 12 与外部电源 （未图示） 的第 一电极 31 电连接 ； 以及搅拌头 13， 所述搅拌头 13 用于焊接所述待焊接板材 2， 并进一步包 括设置在所述搅拌头 13 里层的搅拌针 131、 设置在所述搅拌头 13 外层的夹紧套 132， 以及 设置在所述搅拌针 131 与所述夹紧套 132 之间的搅拌套 133， 所述搅拌针 131、 搅拌套 133， 以及所述夹紧套 132 共中心轴线设置， 所述夹紧套 132 与所述外部电源的第二电极 32 电连 接。
22、， 所述搅拌针 131 和所述搅拌套 133 与所述待焊接板材 2 之接触面具有电绝缘特性。 0032 其中， 所述第一电极31为所述外部电源的正极， 所述第二电极32为所述外部电源 的负极。或者， 所述第一电极 31 为所述外部电源的负极， 所述第二电极 32 为所述外部电源 的正极。所述外部电源为直流电源。优选地， 所述搅拌针 131 和所述搅拌套 133 可以为绝 缘材料制备， 或者在所述搅拌针 131 和所述搅拌套 133 与所述待焊接板材之接触面涂布绝 缘材料。 0033 请参阅图 2、 图 3（a） 3（f） 、 图 4， 并结合参阅图 1， 图 2 所示为本发明搅拌摩擦 电阻点焊。
23、装置的焊接方法流程图。图 3（a） 3（f） 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置 说 明 书 CN 103170752 A 6 4/5 页 7 的焊接原理图。图 4 所示为本发明搅拌摩擦电阻点焊装置焊接过程中的 t-I 图。所述搅拌 摩擦电阻点焊装置 1 的焊接方法， 包括 ： 0034 执行步骤 S1 ： 开始焊接阶段， 提供所述待焊接板材 2， 并承载在所述焊接垫块 11 上， 所述导电杆 12 与所述第一电极 31 电连接， 所述搅拌套 133 与所述第二电极 32 电连接， 所述搅拌头13之夹紧套132压紧所述待焊接板材2， 所述搅拌头13之搅拌针131和搅拌套 133 与所述待焊接板材。
24、 2 接触， 且所述搅拌针 131 和所述搅拌套 133 均向所述待焊接板材 2 方向挤压旋转， 使所述待焊接板材 2 之金属材料塑性软化 ； 0035 执行步骤 S2 ： 压入阶段， 所述搅拌套 133 向所述待焊接板材 2 方向旋转运动， 并压 入所述待焊接板材 2 内部， 所述搅拌针 131 向异于所述待焊接板材 2 的方向旋转运动， 所述 搅拌套133和所述搅拌针131相对运动， 并为所述呈塑性状态之材料的运动提供空间， 所述 呈塑性状态的材料便向所述空间流动， 在所述压入阶段， 所述外部电源为所述第一电极 31 和所述第二电极 32 输入的焊接电流为 3000 10000A ； 00。
25、36 其中， 所述搅拌针131向异于所述待焊接板材2的方向旋转运动， 以为所述呈塑性 状态之材料的运动提供空间。所述搅拌套 133 向所述待焊接板材 2 的方向旋转运动， 以推 动所述呈塑性状态之材料发生相互搅拌与运动。 0037 执行步骤 S3 ： 回填阶段， 当所述搅拌头 13 之搅拌针 131 和所述搅拌套 133 运动至 预定深度时， 所述搅拌针131向所述待焊接板材的方向旋转运动， 所述搅拌套133向异于所 述待焊接板材 2 的方向旋转运动， 在所述回填阶段， 所述外部电源对所述第一电极 31 和第 二电极 32 输入的焊接电流为 3000 10000A， 所述呈塑性状态之材料进一步。
26、融合、 搅拌 ； 0038 作为本发明的优选实施方式， 在所述压入阶段， 所述外部电源为所述第一电极 31 和所述第二电极 32 输入的焊接电流 I1 为 3000 10000A ； 在所述回填阶段， 所述外部电源 为所述第一电极 31 和所述第二电极 32 输入的焊接电流 I2 为 5000 10000A。 0039 执行步骤 S4 ： 焊接结束阶段， 当所述搅拌套 133 和所述搅拌针 131 运动至同一水 平面后， 所述搅拌头 13 之搅拌套 133 和搅拌针 131 停止旋转， 所述搅拌头 13 在所述待焊接 板材 2 保持锻压， 并在所述锻压过程之后所述搅拌头 13 回撤至初始工位，。
27、 所述外部电源关 闭， 完成焊接作业。其中， 所述搅拌套 13 在所述待焊接板材上的锻压时间优选的为 0.2 1 秒。 0040 显然地， 本发明搅拌摩擦电阻点焊装置 1 通过将所述焊接垫块 11 内的导电杆 12 与所述外部电源的第一电极 31 电连接， 将所述搅拌头 13 之搅拌套 133 与所述外部电源的 第二电极 32 电连接， 并在搅拌摩擦点焊过程中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的 焊接电流， 使得所述搅拌套 133 外圈的焊接材料逐渐软化并熔化， 改善了点焊接头薄弱连 接面的成形温度与环境， 形成电阻点焊和摩擦焊的复合型接头， 增加了点焊接头几何尺寸， 从而提升了搅拌摩擦电阻点。
28、焊接头的焊接质量。 0041 作为本领域的技术人员不难理解地， 本发明不仅适用于铝、 镁等轻合金的连接， 也 可以应用于各种轻合金与高强钢以及高强钢之间的连接。 0042 综上所述， 本发明所述搅拌摩擦电阻点焊装置显然地， 本发明搅拌摩擦电阻点焊 装置 1 通过将所述焊接垫块 11 内的导电杆 12 与所述外部电源的第一电极 21 电连接， 将所 述搅拌头 13 之搅拌套 133 与所述外部电源的第二电极 22 电连接， 并在搅拌摩擦点焊过程 中对所述待焊接板材施加一定强度和时间的焊接电流， 使得所述搅拌套 133 外圈的焊接材 说 明 书 CN 103170752 A 7 5/5 页 8 料。
29、逐渐软化并熔化， 改善了点焊接头薄弱连接面的成形温度与环境， 形成电阻点焊和摩擦 焊的复合型接头， 增加了点焊接头几何尺寸， 从而提升了搅拌摩擦电阻点焊接头的焊接质 量。 0043 本领域技术人员均应了解， 在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 可对本发明 进行各种修改和变型。因而， 如果任何修改或变型落入所附权利要求书及等同物的保护范 围内时， 认为本发明涵盖这些修改和变型。 说 明 书 CN 103170752 A 8 1/3 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103170752 A 9 2/3 页 10 图 3(a) 图 3(b) 图 3(c) 图 3(d) 图 3(e) 图 3(f) 说 明 书 附 图 CN 103170752 A 10 3/3 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 103170752 A 11 。