两段式搅拌摩擦铆焊方法技术

一种两段式搅拌摩擦铆焊方法，首先采用内凹结构的搅拌头配合压边圈对待连接板材进行高速旋转下压，通过搅拌摩擦在上层板和下层板间形成固相连接且在板材中形成中央凸起周围凹陷的复合结构；再通过挤压工艺将复合结构挤压平整形成机械互锁结构，实现机械

【技术实现步骤摘要】
两段式搅拌摩擦铆焊方法


[0001]本专利技术涉及的是一种机械连接领域的技术，具体是一种两段式搅拌摩擦铆焊方法。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦点焊是一种有效的铝合金连接技术，连接过程无需铆钉且热输入量小，不易引起结构热变形，但在固相连接处极易产生钩状缺陷，残留的工艺匙孔会显著削弱接头的力学性能。回填式搅拌摩擦点焊克服了搅拌摩擦点焊的残留工艺孔问题，大大提高接头的力学性能，但由于搅拌头和套筒的运动较为复杂，相关连接装备的制造和使用成本较高，难以在汽车工业中大规模推广。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术存在的上述不足，提出一种两段式搅拌摩擦铆焊方法，在接头内同时实现固相连接和铆接两种连接，有效提高接头机械强度和可靠性的同时，接头上下表面均无明显凸起，接头平整度好，适用于对接头质量要求较高的应用场景。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种两段式搅拌摩擦铆焊方法，首先采用内凹结构的搅拌头配合压边圈对待连接板材进行高速旋转下压，通过搅拌摩擦在上层板和下层板间形成固相连接且在板材中形成中央凸起周围凹陷的复合结构；再通过挤压工艺将复合结构挤压平整形成机械互锁结构，实现机械
‑
固相复合连接。
[0006]所述的搅拌头为中心设有锥形凹孔且外部设有轴肩的半管状结构，保证上板截留金属与下层板间形成固相连接，同时便于搅拌头与板材顺利分离。
[0007]所述的轴肩至搅拌头末端的距离d满足：
[0008]①r/>H
上
+H
下
≥d≥H
上
，其中：H
上
为上层板厚度，H
下
为下层板厚度，从而保证搅拌头顺利刺穿上层板但又不至于刺入下层板太深而削弱下板接头部位强度。
[0009]②
锥形凹孔位于轴肩以上容积V
内
≥轴肩以下搅拌头体积V
外
，以容纳搅拌头挤出的板材。
[0010]所述的压边圈的内径大于搅拌头的最大直径，确保二者实现相对运动的同时避免板材挤入间隙内，压边圈的外径比内径大10.0mm～20.0mm，保证压边圈结构在铆接过程中不发生塑性变形。
[0011]所述的方法具体包括：
[0012]步骤一、将待连接的上层板和下层板堆叠接触并置于平模上，通过压边圈压紧以限制板材在连接过程中的相对运动；
[0013]步骤二、通过内凹结构的搅拌头高速旋转的同时向下运动压入上层板以及下层板内，通过摩擦热软化板材直至其流动入搅拌头的空腔内，形成固相连接的同时在接头中心位置形成一个填充得到的凸起结构；
[0014]所述的搅拌头的轴肩与板材接触的时间需控制在1s～5s内，以积累足够的摩擦热，为板材间固相连接的形成提供良好的热扩散条件。
[0015]步骤三、搅拌头原位旋转后向上运动从板材内退出，再采用冲头向下挤压凸起结构，直至冲头最下端略低于或齐平于上层板上表面并将凸起结构挤压回板材中形成机械互锁结构，冲头随后向上运动回到原点，铆焊复合连接接头形成。
[0016]所述的冲头的下端面需与板材上表面平行，使冲压后的接头表面保持平整。
[0017]所述的冲头可适当压入板材内部0.05mm～0.2mm，以确保搅拌摩擦点焊工艺孔被完全填充、机械互锁紧密可靠。技术效果
[0018]本专利技术在连接过程中无需使用铆钉，通过特殊结构的搅拌头将摩擦焊接与机械铆接相结合，形成具有机械
‑
固相复合连接特征的接头。由于机械
‑
固相复合连接的存在，接头在服役期间可充分利用固相连接和机械连接的性能优势，显著提高接头的强度及可靠性；接头双侧均为平整的连接面，对连接件的外观影响较小；无需额外使用铆钉，符合工业领域的大批量快速制造连接技术要求。
附图说明
[0019]图1本专利技术连接方法流程示意图；
[0020]图2为本专利技术中用到的搅拌摩擦点焊系统和铆接系统示意图；
[0021]图中：1搅拌头、2压边圈、3上层板、4下层板、5平模、6冲头、7平模；
[0022]图3为本专利技术中两段式搅拌摩擦铆焊工艺的连接过程示意图；
[0023]图4为三种不同搅拌头的结构示意图；
[0024]图5为工艺接头截面形貌示意图；
[0025]图中：8机械锁合结构、9固相连接结构。
具体实施方式
[0026]如图2所示，为本实施例涉及的一种搅拌摩擦点焊系统和铆接系统，包括：搅拌头1、压边圈2、平模5、冲头6和平模7，其中：搅拌头1和压边圈2需保证较好的同轴度，搅拌头1轴肩以上部分的直径为3.0mm～8.0mm，且与压边圈2的间隙为0.05mm～0.1mm，防止材料在连接过程中挤入间隙内，影响接头成形质量。
[0027]所述的压边圈2沿径向的厚度为5.0mm～10.0mm。
[0028]所述的搅拌头1长度为1.0mm～6.0mm，需与待连接板材厚度相匹配。
[0029]本实施例中的待连接上层板3为2.0mm厚铝合金AA5754薄板，下层板4为2.0mm厚铝合金AA5754薄板，连接前板材不进行表面处理。
[0030]如图3所示，所述的搅拌头1为中心设有锥形凹孔且外部设有轴肩的半管状结构，且轴肩至搅拌头末端的距离d满足H
上
+H
下
≥d≥H
上
且锥形凹孔位于轴肩以上容积V
内
≥轴肩以下搅拌头体积V
外
。
[0031]所述的搅拌头1的外侧面具有30
°
～90
°
倾斜角，便于搅拌头1与板材顺利分离，为后续机械锁合结构的形成奠定基础。
[0032]所述的搅拌头1的内部凹槽的侧面设计为具有10
°
～80
°
倾斜角，促进上层板3截留
金属与下层板4之间形成固相连接，且便于搅拌头1与中心凸起板材顺利分离。如图3a所示，第一种类型搅拌头1轴肩与轴线垂直，宽度为0.2mm～0.8mm；如图3b所示，第二种类型搅拌头1轴肩与轴线有20
°
～90
°
夹角，宽度为0.2mm～1.5mm；如图3c所示，第三种类型搅拌头1轴肩呈弧形，占搅拌头长度的1/6～2/3。
[0033]本实施例搅拌头1采用图3a所示结构，由热作工具钢加工而成，轴肩以下部分的长度为2.6mm。
[0034]如图2和图4所示，为本实施例基于上述装置的两段式搅拌摩擦铆焊方法，具体步骤包括：
[0035]步骤一、将上层板3和下层板4堆叠在一起，使两者充分靠近或者接触；
[0036]步骤二、将堆叠后的板材放置在搅拌摩擦点焊系统的平模5上方；
[0037]步骤三、压边圈2向下运动将板材压紧在平模5上，限制板材的相对运动；
[0038]步骤四、搅拌头1高速旋转并向下运动压入板材内，板材与搅拌本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种两段式搅拌摩擦铆焊方法，其特征在于，首先采用内凹结构的搅拌头配合压边圈对待连接板材进行高速旋转下压，通过搅拌摩擦在上层板和下层板间形成固相连接且在板材中形成中央凸起周围凹陷的复合结构；再通过挤压工艺将复合结构挤压平整形成机械互锁结构，实现机械
‑
固相复合连接；所述的搅拌头为中心设有锥形凹孔且外部设有轴肩的半管状结构，保证上板截留金属与下层板间形成固相连接，同时便于搅拌头与板材顺利分离。2.根据权利要求1所述的两段式搅拌摩擦铆焊方法，其特征是，所述的轴肩至搅拌头末端的距离d满足：
①
H
上
+H
下
≥d≥H
上
，其中：H
上
为上层板厚度，H
下
为下层板厚度，从而保证搅拌头顺利刺穿上层板但又不至于刺入下层板太深而削弱下板接头部位强度；
②
锥形凹孔位于轴肩以上容积V
内
≥轴肩以下搅拌头体积V
外
，以容纳搅拌头挤出的板材。3.根据权利要求1所述的两段式搅拌摩擦铆焊方法，其特征是，所述的压边圈的内径大于搅拌头的最大直径，确保二者实现相对运动的同时避免板材挤入间隙内，压边圈的外径比内径大10.0mm～20.0mm，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云鹏，李永兵，楼铭，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：