一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法

摘要

本发明公开了一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，该连接方法将需要连接的第一板材和第二板材进行搅拌摩擦焊接后，再采用液态胶进行胶接，同时在胶接时利用超声振动器进行振动，以完成第一板材和第二板材的连接；其中，当第一板材和第二板材进行摩擦焊接后，在二者的搭接区会形成细小的缝隙，在超声振动器的非线性振动下，使搭接区的缝隙处产生负压，可将液态胶吸入缝隙中，并在缝隙内均匀铺展，从而提高连接的质量；该连接方法，具有方法简单、易行、连接质量好等优点。

权利要求

1.一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将待焊接的第一板材和第二板材装夹在搅拌摩擦焊机的工装上，其中，第一板材与第二板材搭接，且第一板材位于上方，第二板材位于下方；

2)将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机的主轴上，沿着第一板材和第二板材的搭接区将第一板材和第二板材进行搅拌摩擦焊接；

3)焊接完成后，回抽搅拌头，在第二板材的非搭接区上表面放置超声振动器，在第一板材和第二板材的搭接区边缘放置液态胶，在超声振动器的振动作用下，使液态胶填满焊缝区一侧的搭接区后，停止超声振动器的振动；

4)将连接后的第一板材和第二板材从工装上拆卸后，翻面，再次装夹在搅拌摩擦焊机的工装上，使第二板材位于上方，第一板材位于下方，搭接区中未封胶的一面朝上，将超声振动器放置在第一板材的非搭接区上表面，在第一板材和第二板材的搭接区边缘放置液态胶，在超声振动器的振动作用下，使液态胶填满焊缝区另一侧的搭接区；

5)将连接后的第一板材和第二板材从工装上拆卸后，对搭接区的胶层进行固化，连接完成。

2.根据权利要求1所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，所述搅拌头为X型正反螺纹搅拌头，所述搅拌头由上至下依次为夹持部(1)、过渡部(2)、轴肩(3)以及搅拌针(4)；

其中，所述搅拌针(4)的下部外表面和上部外表面分别设置有不同旋向的螺纹，且所述搅拌针(4)的上部由上至下直径逐渐递减，所述搅拌针(4)的下部由下至上直径逐渐递减，在所述搅拌针(4)的上部和下部对接处形成凹陷区；当下部外表面和上部外表面分别设置有左旋螺纹和右旋螺纹时，搅拌头采用顺时针旋转；当下部外表面和上部外表面分别设置有右旋螺纹和左旋螺纹时，搅拌头采用逆时针旋转。

3.根据权利要求2所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，所述凹陷区的凹陷深度为0.1‑10mm。

4.根据权利要求2所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，所述轴肩(3)的直径与所述搅拌针(4)的直径比为2：1‑10：1。

5.根据权利要求1所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，所述第一板材和第二板材均为金属板材；

或，所述第一板材和第二板材中一个为金属板材，另一个为热塑性聚合物板材。

6.根据权利要求1所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，所述第一板材和第二板材的厚度均为1‑20mm。

7.根据权利要求1所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，步骤

2)中所述搅拌摩擦焊接中，搅拌头以100‑5000rpm的转速，以1‑20mm/min速度下扎进板材，当达到预定深度后，搅拌头停止下扎并停留0‑50s，然后搅拌头以5‑500mm/min的速度向前移动，进行焊接。

8.根据权利要求1所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，步骤

3)和步骤4)中超声振动器的振动功率为60‑2000W，振幅为15‑55μm。

9.根据权利要求1所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，按质量百分比计，所述液态胶为含有0.1％‑50％韧性增强剂的环氧树脂。

10.根据权利要求9所述基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，其特征在于，所述韧性增强剂为石墨烯、碳纳米管或二氧化硅纳米颗粒中的一种。

说明书

一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法

技术领域

[0001] 本发明公开涉及搅拌摩擦焊的技术领域，尤其涉及一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法。

背景技术

[0002] 搅拌摩擦焊作为一种先进的焊接技术，广泛地应用于航空航天、汽车船舶等装备制造领域。目前，根据接头形式不同，搅拌摩擦焊可分为对接焊、搭接焊和角接焊等。其中，
搅拌摩擦搭接焊作为常见的焊接方式，具有广泛的应用前景。但是，使用传统的搅拌头进行
搭接焊时，材料受到搅拌头轴肩的顶锻作用向下转移，使得搅拌针下方形成材料集中区，并
且材料向上挤压搭接界面使其产生弯曲，进而形成钩状缺陷和冷搭接结构，这将大大降低
焊接接头质量。同时，搅拌摩擦搭接焊接头密封性较差，这将影响搅拌摩擦搭接焊的应用范
围或实际服役效果。

[0003] 胶焊结构是基于焊接与胶接相结合方法制造的结构，已在运7、苏27等机型上均有应用。目前，学者们提出了胶焊结构来缓解搅拌摩擦焊接头密封性较差的问题。现有搅拌摩
擦胶焊多采用先封胶再焊接的方式来实现。但该工艺主要存在两大问题：一方面，焊接过程
中过高的热输入使得胶层分解产生气泡，仅少量气泡排出，剩余的部分将残留在胶层或者
焊缝区；另一方面，胶层在焊接时将进入焊缝区，不同程度地降低焊接接头的质量。

[0004] 因此，如何研发一种新型的连接方法，以解决上述问题，成为人们亟待解决的问题。

发明内容

[0005] 鉴于此，本发明提供了一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，以解决以往采用搅拌摩擦焊接和胶接进行板材的复合连接时，存在的连接质量差等问题。

[0006] 本发明提供的技术方案，具体为，一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，该方法包括如下步骤：

[0007] 1)将待焊接的第一板材和第二板材装夹在搅拌摩擦焊机的工装上，其中，第一板材与第二板材搭接，且第一板材位于上方，第二板材位于下方；

[0008] 2)将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机的主轴上，沿着第一板材和第二板材的搭接区将第一板材和第二板材进行搅拌摩擦焊接；

[0009] 3)焊接完成后，回抽搅拌头，在第二板材的非搭接区上表面放置超声振动器，在第一板材和第二板材的搭接区边缘放置液态胶，在超声振动器的振动作用下，使液态胶填满
焊缝一侧的搭接区后，停止超声振动器的振动；

[0010] 4)将连接后的第一板材和第二板材从工装上拆卸后，翻面，再次装夹在搅拌摩擦焊机的工装上，使第二板材位于上方，第一板材位于下方，搭接区中未封胶的一面朝上，将
超声振动器放置在第一板材的非搭接区上表面，在第一板材和第二板材的搭接区边缘放置
液态胶，在超声振动器的振动作用下，使液态胶填满焊缝另一侧的搭接区；

[0011] 5)将连接后的第一板材和第二板材从工装上拆卸后，对搭接区的胶层进行固化，连接完成。

[0012] 优选，所述搅拌头为X型正反螺纹搅拌头，所述搅拌头由上至下依次为夹持部、过渡部、轴肩以及搅拌针；

[0013] 其中，所述搅拌针的下部外表面和上部外表面分别设置有旋向相反的螺纹，且所述搅拌针的上部由上至下直径逐渐递减，所述搅拌针的下部由下至上直径逐渐递减，在所
述搅拌针的上部和下部对接处形成凹陷区；当下部外表面和上部外表面分别设置有左旋螺
纹和右旋螺纹时，搅拌头采用顺时针旋转；当下部外表面和上部外表面分别设置有右旋螺
纹和左旋螺纹时，搅拌头采用逆时针旋转。此时，搅拌头上螺纹促进上、下板的焊缝区材料
分别向凹陷区流动。

[0014] 进一步优选，所述凹陷区的凹陷深度为0.1‑10mm。

[0015] 进一步优选，所述轴肩的直径与所述搅拌针的直径比为2：1‑10：1。

[0016] 进一步优选，所述第一板材和第二板材均为金属板材；

[0017] 或，所述第一板材和第二板材中一个为金属板材，另一个为热塑性聚合物板材。

[0018] 进一步优选，所述第一板材和第二板材的厚度均为1‑20mm。

[0019] 进一步优选，步骤2)中所述搅拌摩擦焊接中，搅拌头以100‑5000rpm的转速，以1‑20mm/min速度下扎进板材，当达到预定深度后，搅拌头停止下扎并停留0‑50s，然后搅拌头
以5‑500mm/min的速度向前移动，进行焊接。

[0020] 进一步优选，步骤3)和步骤4)中超声振动器的振动功率为60‑2000W，振幅为15‑55μm。

[0021] 进一步优选，按质量百分比计，所述液态胶为含有0.1％‑50％韧性增强剂的环氧树脂。

[0022] 进一步优选，所述韧性增强剂为石墨烯、碳纳米管或二氧化硅纳米颗粒中的一种。

[0023] 本发明提供的基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法中，将需要连接的第一板材和第二板材进行搅拌摩擦焊接后，再采用液态胶进行胶接，同时在胶接时利用超声振
动器进行振动，以完成第一板材和第二板材的连接；其中，当第一板材和第二板材进行摩擦
焊接后，在二者的搭接区会形成细小的缝隙，在超声振动器的非线性振动下，使搭接区的缝
隙处产生负压，可将液态胶吸入缝隙中，并在缝隙内均匀铺展，从而提高连接的质量。

[0024] 本发明提供的基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法，具有方法简单、易行、连接质量好等优点。

[0025] 应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明的公开。

附图说明

[0026] 此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而
言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1为本发明公开实施例提供的一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法中X型正反螺纹搅拌头的结构示意图；

[0029] 图2为图1中F区域的局部放大图；

[0030] 图3为采用X型正反螺纹搅拌头进行搅拌摩擦焊接过程中料流动的示意图；

[0031] 图4为本发明公开实施例提供的一种基于超声振动的搅拌摩擦胶接复合连接方法中胶接步骤的示意图。

具体实施方式

[0032] 这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例
中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附
权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

[0033] 为了解决背景技术中，搅拌摩擦胶接多采用先封胶再焊接的方式来实现，一方面，焊接过程中过高的热输入使得胶层分解产生气泡，仅少量气泡排出，剩余的部分将残留在
胶层或者焊缝区；另一方面，胶层在焊接时将进入焊缝区，不同程度地降低焊接接头的质
量，导致连接质量差等问题。

[0034] 本实施方案首次尝试在搅拌摩擦焊和胶接复合使用时，首先进行搅拌摩擦焊，然后再进行胶接，具体的步骤如下：

[0035] 1)将待焊接的第一板材和第二板材装夹在搅拌摩擦焊机的工装上，其中，第一板材与第二板材搭接，且第一板材位于上方，第二板材位于下方；

[0036] 2)将搅拌头安装在搅拌摩擦焊机的主轴上，沿着第一板材和第二板材的搭接区将第一板材和第二板材进行搅拌摩擦焊接；

[0037] 3)焊接完成后，回抽搅拌头，参见图4，在第二板材B的非搭接区上表面放置超声振动器C，在第一板材A和第二板材B的搭接区边缘放置液态胶D，在超声振动器C的振动作用
下，使液态胶D填满焊缝一侧的搭接区后，停止超声振动器D的振动；

[0038] 4)将连接后的第一板材和第二板材从工装上拆卸后，翻面，再次装夹在搅拌摩擦焊机的工装上，使第二板材位于上方，第一板材位于下方，搭接区中未封胶的一面朝上，余
下与步骤3)类似，将超声振动器放置在第一板材的非搭接区上表面，在第一板材和第二板
材的搭接区边缘放置液态胶，在超声振动器的振动作用下，使液态胶填满焊缝另一侧的搭
接区；

[0039] 5)将连接后的第一板材和第二板材从工装上拆卸后，对搭接区的胶层进行固化，连接完成。

[0040] 上述实施方案提供的连接方法中，首先将第一板材和第二板材进行摩擦焊接后，在二者的搭接区会形成细小的缝隙，然后在超声振动器的非线性振动下，使搭接区的缝隙
处产生负压，可将液态胶吸入缝隙中，并在缝隙内均匀铺展，从而提高连接的质量。

[0041] 为了提高步骤2)中搅拌摩擦焊接的质量，本实施方案提供了一种新型的搅拌头，参见图1、图2，该搅拌头为X型正反螺纹搅拌头，具体该搅拌头由上至下依次为由夹持部1、
过渡部2、轴肩3以及搅拌针4构成，其中，搅拌针4的下部外表面和上部外表面分别设置有反
向螺纹，即下部外表面为右螺纹时，则上部外表面为左螺纹，而下部外表面为左螺纹时，则
上部外表面为右螺纹，且搅拌针4的上部由上至下直径逐渐递减，搅拌针4的下部由下至上
直径逐渐递减，在搅拌针4的上部和下部对接处形成凹陷区。

[0042] 通过上述新型的X型正反螺纹搅拌头设计，由于在搅拌针4上部和下部对接处形成凹陷区，构成中间内凹的异形结构，且在上部外表面和下部外表面设置反向螺纹，例如在搅
拌针尖端(下部)加工有左旋螺纹，搅拌针底部(上部)加工有右旋螺纹。因搅拌针外观形似
字母X，故称之为X型正反螺纹搅拌头。当搅拌头逆时针旋转时，X型搅拌针的大尖端直径使
焊核下部产生较大的塑性流动区，搅拌针周围材料具有较好的垂直流动性。搅拌针驱动的
部分材料向下流动至焊核底部后可沿搅拌针尖部的反向螺纹向上流动，因此不会在搅拌针
尖端形成材料集中区。同时，沿尖部搅拌针向上流动的材料与焊核上部向下流动的材料在
搅拌针内凹区域汇集，且X型结构在一定程度上可限制该处材料的外流，因此上下板材料在
针的内凹区域附近形成集中区并发生充分混合，致使焊核中形成材料参差交互的形貌，具
体可参见图3。X型正反螺纹搅拌针不仅可从根本上改变搅拌摩擦搭接焊接头中钩状缺陷和
冷搭接的形貌，还可实现上下板材料在内凹区域处更充分的混合，从而提高搅拌摩擦焊搭
接接头的力学性能。其中，优选，X型正反螺纹搅拌头的轴肩直径与搅拌针直径比例为2:1‑
10:1；搅拌针内凹陷区的凹深度为0.1‑10mm。

[0043] 上述实施方案中连接的第一板材和第二板材可以均为金属板材，或者，第一板材和第二板材中一个为金属板材，另一个为热塑性聚合物板材，其中，热塑性聚合物板材可以
为塑料板材或树脂基复合板材等。

[0044] 上述实施方案中的连接方法，尤其适用于厚度为1‑20mm的板材。

[0045] 上述实施方案中，步骤2)中搅拌摩擦焊接优选的工艺参数为：搅拌头以100‑5000rpm的转速，以1‑20mm/min速度下扎进板材，当达到预定深度后，搅拌头停止下扎并停
留0‑50s，然后搅拌头以5‑500mm/min的速度向前移动，进行焊接。

[0046] 胶接的步骤3)和步骤4)中超声振动器的振动功率为60‑2000W，振幅为15‑55μm，且超声振动器的振动为非线性振动。

[0047] 胶接时所用的液态胶，优选，所述液态胶为含有0.1％‑50％韧性增强剂的环氧树脂，其中，通过韧性增强剂的加入可提高最终形成胶层的韧性。

[0048] 其中，韧性增强剂可以选用石墨烯、碳纳米管或二氧化硅纳米颗粒中的一种，由于石墨烯和碳纳米管具有导电性，因此，添加石墨烯或碳纳米管的胶层也具有导电性，方便在
后续的使用过程中，通过检查胶焊结构的电信号变化，实时监测该胶焊接头的连接质量，从
而保证胶焊结构使用的可靠性。

[0049] 为了避免石墨烯的团聚，上述石墨烯优选为经表面改性预处理的石墨烯，同时配合超声振动器的振动，可促进石墨烯在液态胶的弥散性，其中，对于石墨烯的表面改性预处
理方法为现有方法，再此就不再进行赘述。

[0050] 下面结合具体的实施例对本发明进行更进一步的解释说明。

[0051] 实施例1

[0052] 1)将待焊接的上、下板装夹于搅拌摩擦焊机的工装上，其中，上板与下板均为3mm厚的7075铝合金；

[0053] 2)将X型正反螺纹搅拌头安装在焊机主轴上，以1000rpm速度逆时针旋转，并以5mm/min速度下扎进板材内，当搅拌针上下螺旋交界处达到搭接界面时，搅拌头停止下扎并
停留5s，然后搅拌头以50mm/min的速度向前移动并焊接。其中，轴肩直径为13mm，搅拌针直
径为5mm，内凹1mm，搅拌针长度为5mm。

[0054] 3)焊接完成后，回抽搅拌头，在下板露出的上表面放置一超声工具头，且在上下板交界处放上液态胶，施加超声振动，超声振动功率为1000W，振幅为20μm。当胶层覆盖完全覆
盖后，停止超声振动并拆卸焊接板材。其中，胶层为含1％石墨烯或碳纳米管的环氧树脂。特
别的，石墨烯表面改性处理后添加到环氧树脂中，并采用超声振动混合。

[0055] 4)将板材翻面，使得未封胶的一面朝上，重复步骤3)，使得该面完全封胶；

[0056] 5)拆卸板材并对胶层进行固化，连接完成。

[0057] 实施例2

[0058] 实施例2与实施例1的区别在于，在步骤1)中，上板为2mm厚2024铝合金，步骤2)中，搅拌针长度为4mm；其余部分与实施例1相同。

[0059] 实施例3

[0060] 实施例3与实施例1的区别在于，在步骤4)中，采用20％含量的碳纳米管增强的环氧树脂胶；其余部分与实施例1相同。

[0061] 实施例4

[0062] 实施例4与实施例1的区别在于，在步骤1)中，上板采用树脂基复合材料；其余部分与实施例1相同。

[0063] 将实施例1‑实施例4中连接后的板材，针对连接区进行性能检测以及实验，检测数据显示连接质量合格。

[0064] 本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或
者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识
或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的
权利要求指出。

[0065] 应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。