【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于焊接，具体涉及一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法。
技术介绍
1、回填式搅拌摩擦点焊(refilled friction stir spot welding，rfssw)在焊接过程中具有无飞溅、外观平整、焊点强度高等优点，因此在航空航天、船舶、轨道列车及汽车工业等采用轻合金的结构制造领域具有极大的应用前景。然而，在常规回填式搅拌摩擦点焊过程中，不可避免的会产生一定的金属体积损失，导致在回填阶段剩余的塑性金属不足以填满搅拌工具回抽所留下的间隙，进而产生根部孔洞和表面环沟槽缺陷。而产生金属体积损失的主要原因：一是焊具各部件之间采用间隙配合，一部分塑性金属将无法避免的挤入间隙；二是部分材料粘附在搅拌工具表面造成的材料损失。环沟槽及孔洞缺陷的存在降低了接头的承载面积，对接头力学性能不利，严重时将导致零件的报废。另外值得注意的是，缺陷是否产生及产生的程度存在较大的随机性，使得接头强度的稳定性较差。学者们提出许多改进方法和措施来减少环沟槽和孔洞缺陷，从而提高回填式搅拌摩擦点焊接头强度。
2、中国专利技术专利cn104942427a提供了一种消除孔洞和环沟槽的非对称回填式搅拌摩擦点焊方法，通过分阶段改变搅拌针的下扎和回抽速率来实现塑性金属变速回填，从而改善材料的流动性和紧密程度，消除焊接过程产生的孔洞缺陷；同时通过增大搅拌针回填深度、减小搅拌套回抽距离来补偿金属体积损失，实现消除表面环沟槽缺陷。该方法虽然在消除孔洞和环沟槽缺陷上具有一定的效果，但是由于变速回填后，搅拌套与搅拌针的下表面水平位置低于被焊板
3、中国专利技术专利cn116021142a公开了一种改善回填式搅拌摩擦点焊接头表面凹痕缺陷的方法，该方法通过在待焊板材上表面添加一定厚度的铝箔，焊后清除多余部分，来改善回填式搅拌摩擦点焊接头表面凹痕，降低焊点表面高度差，提高接头力学性能、耐腐蚀性能及使用寿命，但是该方法所涉及的金属箔厚度取值需满足条件：未加金属箔时点焊接头表面凹痕的体积等于添加金属箔后进入焊点的金属箔体积，对焊接头表面凹痕体积和铝箔厚度的精准计算较为困难，从而影响焊接头表面凹痕修复的质量。
4、中国专利技术专利cn110587114a提供了一种回填式搅拌摩擦点焊方法，采用分阶段改变套筒和搅拌针的运动速率来改变焊缝温度场和力场，从而改善材料的流动性和紧密程度；并利用高回填速度，使套筒内部塑性金属内压力增大来改善金属流动性，达到消除孔洞的目的。但该专利技术未需考虑高运行速率下的材料损耗和焊接接头质量问题，高运行速率会导致套筒内部过多的材料从间隙被挤出，加重了材料体积损失、进而加深了表面环沟槽缺陷；另外，高运行速率会导致点焊焊接接头胀形破坏，影响接头焊接质量、严重时会导致被焊构件损坏。
技术实现思路
1、为了避免回填式搅拌摩擦点焊产生根部孔洞和表面环沟槽缺陷，提高焊接接头成形质量和接头强度。本专利技术提供了一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，具体采用如下技术方案：
2、一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，包括预热、下扎、回填、撤离和打磨五个阶段，其中，点焊使用的工具由同轴设置的压紧环、套筒及搅拌针三部分组成；点焊方法具体为：
3、预热阶段：搅拌针、套筒及压紧环端面处于同一个水平面，在套筒内、搅拌针下方位置放入预制材料，搅拌针、套筒及压紧环整体下压至被焊板材上表面，并将被焊板材压紧固定，并使套筒和搅拌针以ω的转速开始旋转，对焊接工件表面进行预热；
4、下扎阶段：套筒、搅拌针保持相同的转速ω，向相反方向旋转，套筒旋转扎入被焊板材，同时搅拌针旋转回抽，被焊金属被挤入套筒的空腔内，套筒扎入和搅拌针回抽的速度均为ν1；
5、回填阶段：套筒、搅拌针保持相同的转速ω，套筒旋转并以速度ν1回抽的同时搅拌针旋转以速度ν2下扎，将套筒空腔内的预制材料和塑性金属回填至上侧被焊板材上表面；
6、撤离阶段：套筒与搅拌针保持一定速度旋转，搅拌针以速度ν3抽离被焊板材表面，回到原来的设定位置；
7、打磨阶段：取下被焊板材，对被焊板材上表面凸出的多余金属材料进行打磨处理，使被焊板材上表面平整。
8、进一步地，本专利技术预制材料的厚度t＝2t1×a×r2/r12，其中：a为压紧环和套筒的装配间隙宽度，t1为压紧环的厚度，r1为搅拌针外径，r2为套筒外径；
9、进一步地，将焊接工件表面预热至400～800℃；
10、进一步地，本专利技术套筒及搅拌针转速ω范围为100～10000rpm；套筒及搅拌针的旋转速度、方向及扎入/回抽移动速度在焊接过程中根据工艺条件要求均可调整；
11、进一步地，本专利技术回填过程搅拌针回抽速度ν1范围为0.1～0.5mm/min；下扎移动速度ν2＞ν1，ν2＝k×ν1×(h1-t)/h2，其中：h1为套筒底端面至上侧被焊板上表面的距离，h2为搅拌针底端面至上侧被焊板上表面的距离，k为体积补偿系数，取值范围1.0～1.5；h1和h2取值范围0.5～6.0mm，且h2＞h1；撤离阶段，套筒与搅拌针撤离速度ν3范围为0.05～0.2mm/min；
12、进一步地，搅拌针端面均匀设有n个流线槽，n>2，所述的流线槽旋向以由内向外计，实现回填过程端面材料水平向内高速聚集；所述的流线槽宽度与深度相等，为0.2～4mm，并且深度和宽度由内向外逐渐变浅；所述流线槽占搅拌针端面面积为1/3～1/2；
13、进一步地，本专利技术预制材料与上侧被焊板材材料一致；
14、进一步地，本专利技术上侧被焊板材和下侧被焊板材可为同种材料，也可为异种材料；
15、进一步地，本专利技术预制材料可单独制备，也可在上侧被焊板材上方焊点位置预制凸台；若采用单独制备方案，在焊接开始前，需用丙酮和乙醇将待焊区域和预制材料的氧化物和油污清理干净，暴露出新鲜的材料表面；
16、进一步地，在打磨阶段需要实时对打磨区域进行降温处理，保证打磨产生的高温不会影响焊接接头的性能。
17、与现有技术相比，本专利技术的有益之处在于：
18、1、与常规回填式搅拌摩擦点焊相比，本专利技术的回填式搅拌摩擦点焊方法采用搅拌针高速下扎的工艺参数设置与预制材料相配合的设计，在保证套筒内材料充足的情况下，高速下扎的搅拌针可提高套筒内材料的流动速度并大力撞击搅拌区(saz)与热机影响区(tmaz)间界面，有效强化了焊点冶金结合；同时，由于预回填材料体积大于套筒回抽产生的待填充空间，增大了套筒内部塑性金属内压力，有利于避免孔洞的产生，进而提高了接头强度及强度稳定性；
19、2、与常规回填式搅拌摩擦点焊相比，本专利技术采用的回填式搅拌摩擦点焊方法由于在焊接前预制材料，弥补了回填点焊过程中由于金属的体积损失，避免了表面环沟槽缺陷的产生，保证了接头焊接质量、提高了接头强度及强度稳定性；
20、3、搅拌针端面特定旋向的流线槽可本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，包括预热、下扎、回填、撤离和打磨五个阶段，其中，点焊使用的工具由同轴设置的压紧环、套筒及搅拌针三部分组成；点焊方法具体为：
2.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述搅拌针端面均匀设有n个流线槽，n>2；流线槽旋向以由内向外计，实现回填过程端面材料水平向内高速聚集；流线槽宽度与深度相等，为0.2～4mm，并且深度由内向外逐渐变浅，宽度值随深度变化；流线槽占搅拌针端面面积为1/3～1/2。
3.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述预制材料，厚度t＝2t1×a×R2/R12，其中，a为压紧环和套筒的装配间隙宽度，t1为压紧环的厚度，R1为搅拌针外径，R2为套筒外径；
4.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述预热阶段，套筒及搅拌针转速ω范围为100～10000rpm；套筒及搅拌针的旋转速度、方向及扎入或回抽移动速度在焊接过程中根据工艺
5.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述下扎阶段中，套筒扎入和搅拌针回抽的速度均ν1范围为0.1～0.5mm/min。
6.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述回填阶段，下扎移动速度ν2＞ν1，ν2＝k×ν1×(h1-t)/h2；其中，h1为套筒底端面至上侧被焊板上表面的距离，h2为搅拌针底端面至上侧被焊板上表面的距离，k为体积补偿系数，取值范围1.0～1.5；h1和h2取值范围0.5～6.0mm，且h2＞h1。
7.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述撤离阶段中，套筒与搅拌针撤离速度ν3范围为0.05～0.2mm/min。
8.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述打磨阶段，需要实时对打磨区域进行降温处理，使打磨产生的高温不会影响焊接接头的性能。
...【技术特征摘要】
1.一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，包括预热、下扎、回填、撤离和打磨五个阶段，其中，点焊使用的工具由同轴设置的压紧环、套筒及搅拌针三部分组成；点焊方法具体为：
2.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述搅拌针端面均匀设有n个流线槽，n>2；流线槽旋向以由内向外计，实现回填过程端面材料水平向内高速聚集；流线槽宽度与深度相等，为0.2～4mm，并且深度由内向外逐渐变浅，宽度值随深度变化；流线槽占搅拌针端面面积为1/3～1/2。
3.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述预制材料，厚度t＝2t1×a×r2/r12，其中，a为压紧环和套筒的装配间隙宽度，t1为压紧环的厚度，r1为搅拌针外径，r2为套筒外径；
4.根据权利要求1所述的一种高强度和高强度稳定性的回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，所述预热阶段，套筒及搅拌针转速ω范围为100～10000rpm；套筒及搅拌针的旋转速度、方向及扎...
【专利技术属性】
技术研发人员：姬书得，杨康，马琳，王宝广，李朋阳，胡为，龚鹏，陈昌龙，
申请(专利权)人：青岛新动航空科技发展有限公司，
类型：发明
国别省市：
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