搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法技术

本发明专利技术涉一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，解决了轻质合金多层板材连接的难题。其主要包括以下步骤：搅拌头系统整体下压将待连接点处新型铆钉进行定位并施加一定预紧力；搅拌套与搅拌针按照设定的转速旋转，搅拌套轴肩与新型铆钉端面与轻质合金上板材表面剧烈摩擦，生成大量摩擦热将轻质合金中心区域加热至塑化状态；搅拌套停止旋转，搅拌针在旋转的同时往下冲压，将新型铆钉压入塑化的轻质合金多层板材内；搅拌针停止冲压并保压旋转一定时间让塑化的轻质合金充分填入新型铆钉螺纹凹槽，将新型铆钉包裹镶嵌形成机械结合；搅拌套与搅拌针停止旋转，搅拌头退出连接点，待自然冷却后形成致密的搅拌摩擦铆焊接头。擦铆焊接头。擦铆焊接头。

【技术实现步骤摘要】
搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法


[0001]本专利技术属于焊接领域与铆接领域，涉及一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法。

技术介绍

[0002]轻质合金多层板材常规的连接方法主要有螺栓连接、铆接、熔化焊、钎焊及固相焊等，但螺栓连接和铆接工件的气密性较差、外观质量较差，而且未能实现冶金结合。传统的铆接工艺都要求对铆接材料进行预冲孔，然后再用铆钉进行连接，这样的铆接工艺复杂、外观差、效率低、密封性能差且不易实现自动化。冲铆连接可以实现轻质合金多层板材的连接，连接质量优于点焊，但铆接时尾部出现突出铆扣不够平齐，且只能单点连接；轻质合金多层板材熔化焊过程中热输入量过大且难以控制，严重影响接头的可靠性。钎焊能实现轻质合金多层板材的连接，但钎焊效率低，工艺较难控制，对于工件尺寸及外形也有特殊的要求，不利于批量生产。搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，简称FSSW)属于固相焊接的一种，由于基体在连接过程中保持固态，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物，比较适于轻质合金多层板材的连接，但退出匙孔却影响了接头外观和接头连接质量。因此，现有的连接方法很难完全满足航空航天、军工武器装备、汽车及石油石化等行业中轻质合金多层板材制造的要求，亟需开发优质高效的轻质合金多层板材材料连接的新技术。
[0003]搅拌摩擦点焊和冲铆连接在轻质合金多层板材的连接上都表现出各自的技术优势，如果能研发一种兼顾固相焊接和铆接技术优势的新工艺、新方法，则相较于其他连接工艺在连接方法和接头强度上必定会具有很大的优势。

技术实现思路

[0004]为解决上述
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提出一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，满足航空航天装备、舰船、坦克、装甲车等军工装备高强铝合金关键部件的制造要求，采用搅拌摩擦铆焊工艺实现了高强铝合金双层板材的高质量连接，在冶金结合和铆接机械锁的共同作用下，形成连接强度高、气密性好、连接点无退出匙孔的高质量铆焊接头，满足关键零部件的使用要求，解决了轻质合金多层板材连接的难题。
[0005]本专利技术解决上述问题的技术方案是：一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0006]1)将轻质合金多层板材搭接固定于多功能底座上；
[0007]2)搅拌头系统整体下压将待连接点处新型铆钉进行定位并施加一定预紧力；
[0008]3)搅拌套与搅拌针按照设定的转速旋转，搅拌套轴肩与新型铆钉端面与轻质合金上板材表面剧烈摩擦，生成大量摩擦热将轻质合金中心区域加热至塑化状态；
[0009]4)搅拌套停止旋转，搅拌针在旋转的同时往下冲压，将新型铆钉压入塑化的轻质合金多层板材内；
[0010]5)搅拌针停止冲压并保压旋转一定时间让塑化的轻质合金充分填入新型铆钉螺
纹凹槽，将新型铆钉包裹镶嵌形成机械结合；
[0011]6)搅拌套与搅拌针停止旋转，搅拌头退出连接点，待自然冷却后形成致密的搅拌摩擦铆焊接头。
[0012]进一步地，在步骤3)中搅拌套、搅拌针旋转产生摩擦热的时间为2～5s，在步骤4)中搅拌针保压旋转时间为1～3s。
[0013]进一步地，搅拌头系统包括搅拌套夹头、搅拌针夹头、第一胀紧套、第二胀紧套、搅拌套、第二直线轴承、搅拌针。其中搅拌套通过第二胀紧套与搅拌套夹头连接，搅拌针通过第一胀紧套与搅拌针夹头连接，搅拌针与搅拌套之间通过第二直线轴承进行支撑与导向。
[0014]进一步地，所述新型铆钉为实心铆钉，包括螺纹铆钉、无螺纹铆钉、圆柱形铆钉、圆台形铆钉、带沉孔铆钉、带楔形槽铆钉、带法兰帽铆钉、带切削面铆钉等。
[0015]进一步地，所述轻质合金可以为铝合金、镁合金、铜合金等，本连接方法可连接双层、三层或四层的同种或异种轻质合金板材。
[0016]进一步地，所述多功能底座可以作为夹具将轻质合金多层板材定位夹紧，其底部设有压力与温度传感器可以实时反馈输出连接过程坯料的受力与温度参数，在铆焊过程中可以在多功能底座上添加超声振动装置对坯料连接点进行振动微锻细化成形接头晶粒，获得气密性更好、连接强度更高的接头。
[0017]进一步地，所述搅拌针具有周向旋转自由度与轴向直线运动自由度，搅拌套具有周向旋转自由度，搅拌头具有轴向直线运动自由度，搅拌套转速为500～1200r/min，搅拌针转速为700～1200rpm，搅拌针冲压速度为5～20mm/s，搅拌针下压量为3～10mm。
[0018]进一步地，搅拌针可以单独进行旋转运动、冲压运动，搅拌套可单独进行旋转，搅拌头可以单独进行升降运动，以上几种运动可以单独进行，也可根据工艺需要进行任意的复合运动，适用范围更广，工艺性更强。
[0019]另外，基于上述搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，本申请还提出一种多层板材搅拌摩擦铆焊用四电机直驱式交流伺服冲铆装置，其特殊之处在于：
[0020]包括搅拌套旋转系统、搅拌针旋转系统、搅拌针冲压系统、搅拌头系统；
[0021]所述搅拌套旋转系统包括第一力矩电机定子、第一力矩电机转子、第一中空主轴、第一旋变定子、第一旋变转子、搅拌套夹头；所述第一中空主轴与第一力矩电机转子固连并通过螺纹与搅拌套夹头连接，第一旋变转子固定在第一中空主轴上；第一力矩电机转子通过第一中空主轴实现对搅拌套夹头的直接驱动实现旋转运动；
[0022]所述搅拌针冲压系统包括第二力矩电机定子、第二力矩电机转子、第二中空主轴、第二旋变定子、第二旋变转子、波发生器、刚性轮、柔性轮、轴承套筒上端盖、轴承套筒、轴承套筒下端盖、机身连接筒、推力球轴承、第五深沟球轴承、轴承挡圈、锁紧螺母、顶针、刚性轮支架；其中第二中空主轴与第二力矩电机转子固连并经过波发生器、刚性轮、柔性轮的谐波减速后通过螺纹驱动轴承套筒上端盖进行轴向运动，第二旋变转子固定在第二中空主轴上，波发生器连接在第二中空主轴上，刚性轮连接在刚性轮支架上，柔性轮通过螺纹与轴承套筒上端盖连接，轴承套筒与机身连接筒通过键连接限制其旋转自由度，轴承套筒通过锁紧螺母、第五深沟球轴承、轴承挡圈与推力球轴承实现对顶针的轴向驱动；
[0023]所述搅拌针旋转系统包括第一交流伺服电机、花键轴；其中交流伺服电机驱动花
键轴，花键轴与顶针通过花键副连接实现顶针旋转运动的同时保留其轴向自由度；
[0024]所述搅拌头系统包括搅拌套夹头、搅拌针夹头、第一胀紧套、第二胀紧套、第二直线轴承、搅拌套、搅拌针；搅拌套夹头通过螺纹连接在第一中空主轴上，搅拌针夹头通过螺纹连接在顶针上，搅拌套与搅拌套夹头通过第一胀紧套连接，搅拌针与搅拌针夹头通过第二胀紧套连接，搅拌针通过第二直线轴承旋转支撑于搅拌套夹头上。
[0025]进一步地，所述搅拌套旋转系统还包括第一力矩电机机壳、第一法兰端盖、第二法兰端盖、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承、第一旋变支架；其中第一力矩电机定子固定在力矩电机机壳上，第一中空主轴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，其特征在于，包括以下步骤：1)将轻质合金多层板材搭接固定于多功能底座上；2)搅拌头系统整体下压将待连接点处新型铆钉进行定位并施加一定预紧力；3)搅拌套与搅拌针按照设定的转速旋转，搅拌套轴肩与新型铆钉端面与轻质合金上板材表面剧烈摩擦，生成大量摩擦热将轻质合金中心区域加热至塑化状态；4)搅拌套停止旋转，搅拌针在旋转的同时往下冲压，将新型铆钉压入塑化的轻质合金多层板材内；5)搅拌针停止冲压并保压旋转一定时间让塑化的轻质合金充分填入新型铆钉螺纹凹槽，将新型铆钉包裹镶嵌形成机械结合；6)搅拌套与搅拌针停止旋转，搅拌头退出连接点，待自然冷却后形成致密的搅拌摩擦铆焊接头。2.根据权利要求1所述的一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，其特征在于：在步骤3)中搅拌套、搅拌针旋转产生摩擦热的时间为2～5s，在步骤4)中搅拌针保压旋转时间为1～3s。3.根据权利要求2所述的一种搅拌套旋转摩擦生热与铆钉旋入式板材摩擦铆焊连接方法，其特征在于：搅拌头系统包括搅拌套夹头、搅拌针夹头、第一胀紧套、第二胀紧套、搅拌套、第二直线轴承、搅拌针；其中搅拌套通过第二胀紧套与搅拌套夹头连接，搅拌针通过第一胀紧套与搅拌针夹头连...

【专利技术属性】
技术研发人员：范淑琴，卢孟康，赵升吨，张鹏，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：