专利名称：上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法及其搅拌头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自持式搅拌摩擦焊的方法及其搅拌头。
背景技术：
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI) 1991年开发的一种新型固相连接技 术，与传统焊接方法相比，它具有焊接质量高、生产成本低和无环境污染等优点，现已被成 功应用于航天、飞机制造及铁路运输等领域。但常规搅拌摩擦焊存在一些不足，如焊接载荷 较大，焊机结构笨重，焊接过程中需要特定形状的背部垫板，以保证对工件的稳定夹持。此 外，焊缝还可能存在难于检测的根部缺陷。为了解决上述问题，有人开发了一种自持式搅拌 摩擦焊方法。在这种方法中，搅拌头采用上、下两个轴肩，而且上、下轴肩直径相等，因此称 为等轴肩自持式搅拌摩擦焊方法。下轴肩起到了常规搅拌摩擦焊背部垫板的作用，但由于 下轴肩与工件下表面产生较大的摩擦力，使搅拌针承受较大的扭矩，而易造成搅拌针的断 裂。为减小搅拌针的断裂倾向，一股要增大搅拌针的直径，同时还要适当增大上、下轴肩的 直径，这样就会造成焊接热输入过大而引起接头性能降低的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有自持式搅拌摩擦焊方法中上、下两个轴肩为等直径， 存在焊接热输入大及搅拌针承载大而影响接头性能、甚至造成搅拌针断裂的问题，提供一 种上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法及其搅拌头。本发明的方法是通过以下步骤实现的步骤一、搅拌头尺寸确定根据第一被焊 工件和第二被焊工件的厚度确定上轴肩直径、下轴肩直径及搅拌针直径上轴肩直径为被 焊工件厚度的2. 5 3倍，下轴肩直径为被焊工件厚度的2 2. 5倍，搅拌针直径为被焊工 件厚度的1. 25 2倍；步骤二、确定搅拌针的使用长度通过调整下轴肩及螺母使上轴肩 的下端面与下轴肩的上端面之间的距离比工件厚度小0 0. 6mm，该距离即为搅拌针的使 用长度；步骤三、固定第一被焊工件和第二被焊工件将第一被焊工件和第二被焊工件用 夹具固定在工作台上；步骤四、搅拌头定位将搅拌头移至工件外侧进行定位，使上轴肩下 端面与第一被焊工件和第二被焊工件的上端面重合，或上轴肩下端面低于第一被焊工件和 第二被焊工件的上端面0. 01 0. 3mm，搅拌针的轴心线位于第一被焊工件与第二被焊工件 的对接面处；步骤五、对第一被焊工件与第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接搅拌头的转速 为200转/分钟 3000转/分钟，焊接速度为20毫米/分钟 1000毫米/分钟，且沿第 一被焊工件与第二被焊工件的对接面长度方向行走，直至焊接完成。本发明的搅拌头由上轴肩、搅拌针、下轴肩和螺母组成，搅拌针垂直于上轴肩的下 端面设置，且搅拌针与上轴肩制成一体，搅拌针的外表面设有外螺纹，下轴肩与搅拌针螺纹 连接，螺母设置在下轴肩的下面，且螺母与搅拌针螺纹连接，所述下轴肩的直径小于所述上 轴肩1的直径。本发明具有以下优点一、下轴肩的直径小于上轴肩的直径，可以减小焊接过程中搅拌针所承受的载荷，防止其断裂；二、较小的下轴肩可以减小焊接过程中的热输入，从而 降低接头软化程度；三、通过调整下轴肩和螺母的位置，可以焊接多种厚度的工件。
图1是本发明具体实施方式
二中搅拌头结构主剖视图，图2是本发明具体实施方 式一中步骤四搅拌头与第一被焊工件5和第二被焊工件6在焊接时的相对位置示意图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图2说明本实施方式，本实施方式是通过以下步骤实现的 步骤一、搅拌头尺寸确定根据第一被焊工件5和第二被焊工件6的厚度确定上轴肩直径 Φ 1、下轴肩直径Φ 2及搅拌针直径Φ 3 上轴肩直径Φ 1为被焊工件厚度t的2. 5 3倍， 下轴肩直径Φ 2为被焊工件厚度t的2 2. 5倍，搅拌针直径Φ 3为被焊工件厚度t的 1. 25 2倍；根据第一被焊工件5和第二被焊工件6的厚度来选择搅拌头的各部分的尺寸， 为保证焊缝的成形及接头质量的稳定性。步骤二、确定搅拌针的使用长度通过调整下轴 肩3及螺母4使上轴肩1的下端面与下轴肩3的上端面之间的距离T比工件厚度t小0 0. 6mm,该距离T即为搅拌针的使用长度；步骤三、固定第一被焊工件5和第二被焊工件6 将第一被焊工件5和第二被焊工件6用夹具固定在工作台上，第一被焊工件5与第二被焊 工件6的上端面在同一平面内；步骤四、搅拌头定位将搅拌头移至工件外侧进行定位，使 上轴肩1下端面与第一被焊工件5和第二被焊工件6的上端面重合，或上轴肩1下端面低 于第一被焊工件5和第二被焊工件6的上端面0. 01 0. 3mm，搅拌针2的轴心线位于第一 被焊工件5与第二被焊工件6的对接面处；上轴肩1下端面低于第一被焊工件5和第二被 焊工件6上端面，以调整上、下轴肩的受力情况。步骤五、对第一被焊工件5与第二被焊工 件6进行搅拌摩擦焊接搅拌头的转速为200转/分钟 3000转/分钟，焊接速度为20毫 米/分钟 1000毫米/分钟，且沿第一被焊工件5与第二被焊工件6的对接面长度方向行 走，直至焊接完成。焊接时，搅拌针完全穿透工件对接面，有效避免了焊接根部缺陷的形成。 通过调整上轴肩1与下轴肩3的间隙，可以实现多种厚度工件的焊接。
具体实施方式
二结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤一中上轴肩直径 Φ 1为被焊工件厚度t的3倍，下轴肩直径Φ 2为被焊工件厚度t的2倍，搅拌针直径Φ 3 为被焊工件厚度t的1.5倍。上述搅拌头尺寸可保证焊缝成形的稳定性。其它步骤与具体 实施方式一相同。
具体实施方式
三结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤二中上轴肩1的下 端面与下轴肩3的上端面之间的距离T比工件厚度t小0. 3mm。上述数值使得搅拌焊接效 果最佳。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤四中上轴肩1下端 面低于第一被焊工件5和第二被焊工件6的上端面0. 15mm。上述数值使得搅拌焊接效果最 佳。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤五中搅拌头的转 速为800转/分钟，焊接速度为100毫米/分钟。上述焊接参数为搅拌摩擦焊的最佳工艺 参数值。其它步骤与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
六结合图1说明本实施方式，本实施方式的搅拌头由上轴肩1、搅 拌针2、下轴肩3和螺母4组成，搅拌针2垂直于上轴肩1的下端面设置，且搅拌针2与上轴 肩1制成一体，搅拌针2的外表面设有外螺纹，下轴肩3与搅拌针2螺纹连接，螺母4设置 在下轴肩3的下面，且螺母4与搅拌针2螺纹连接，下轴肩3的直径小于上轴肩1的直径。 螺母4可防止下轴肩3在焊接过程中发生移动。通过减小下轴肩3的直径来减小焊接热输 入及搅拌针所承受的载荷，进而减轻接头软化程度和减小搅拌针的断裂倾向。
权利要求
一种上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法，其特征在于所述方法是通过以下步骤实现的步骤一、搅拌头尺寸确定根据第一被焊工件(5)和第二被焊工件(6)的厚度确定上轴肩直径(φ1)、下轴肩直径(φ2)及搅拌针直径(φ3)上轴肩直径(φ1)为被焊工件厚度(t)的2.5～3倍，下轴肩直径(φ2)为被焊工件厚度(t)的2～2.5倍，搅拌针直径(φ3)为被焊工件厚度(t)的1.25～2倍；步骤二、确定搅拌针的使用长度通过调整下轴肩(3)及螺母(4)使上轴肩(1)的下端面与下轴肩(3)的上端面之间的距离(T)比工件厚度(t)小0～0.6mm，该距离(T)即为搅拌针的使用长度；步骤三、固定第一被焊工件(5)和第二被焊工件(6)将第一被焊工件(5)和第二被焊工件(6)用夹具固定在工作台上；步骤四、搅拌头定位将搅拌头移至工件外侧进行定位，使上轴肩(1)下端面与第一被焊工件(5)和第二被焊工件(6)的上端面重合，或上轴肩(1)下端面低于第一被焊工件(5)和第二被焊工件(6)的上端面0.01～0.3mm，搅拌针(2)的轴心线位于第一被焊工件(5)与第二被焊工件(6)的对接面处；步骤五、对第一被焊工件(5)与第二被焊工件(6)进行搅拌摩擦焊接搅拌头的转速为200转/分钟～3000转/分钟，焊接速度为20毫米/分钟～1000毫米/分钟，且沿第一被焊工件(5)与第二被焊工件(6)的对接面长度方向行走，直至焊接完成。
2.根据权利要求1所述上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法，其特征在于步 骤一中上轴肩直径(Φ1)为被焊工件厚度(t)的3倍，下轴肩直径(Φ2)为被焊工件厚度 (t)的2倍，搅拌针直径(Φ3)为被焊工件厚度(t)的1. 5倍。
3.根据权利要求1所述上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法，其特征在于 步骤二中上轴肩(1)的下端面与下轴肩(3)的上端面之间的距离(T)比工件厚度(t)小 0. 3mmο
4.根据权利要求1所述上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法，其特征在于步 骤四中上轴肩(1)下端面低于第一被焊工件(5)和第二被焊工件(6)的上端面0. 15mm。
5.根据权利要求1所述上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法，其特征在于步 骤五中搅拌头的转速为800转/分钟，焊接速度为100毫米/分钟。
6.一种实现权利要求1所述上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法的搅拌头， 所述搅拌头由上轴肩(1)、搅拌针(2)、下轴肩(3)和螺母(4)组成，搅拌针(2)垂直于上轴 肩(1)的下端面设置，且搅拌针(2)与上轴肩(1)制成一体，搅拌针(2)的外表面设有外螺 纹，下轴肩(3)与搅拌针(2)螺纹连接，螺母(4)设置在下轴肩(3)的下面，且螺母(4)与 搅拌针(2)螺纹连接，其特征在于所述下轴肩(3)的直径小于所述上轴肩(1)的直径。
全文摘要
上、下轴肩直径不等的自持式搅拌摩擦焊方法及其搅拌头，它涉及一种自持式搅拌摩擦焊的方法及其搅拌头。本发明为解决现有自持式搅拌摩擦焊方法中上、下两个轴肩为等直径，存在焊接热输入大及搅拌针承载大而影响接头性能、甚至造成搅拌针断裂的问题。方法一、搅拌头尺寸确定；二、确定搅拌针的使用长度；三、固定第一被焊工件和第二被焊工件；四、搅拌头定位；五、对第一被焊工件与第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接。搅拌头搅拌针垂直于上轴肩的下端面设置，搅拌针与上轴肩制成一体，搅拌针的外表面设有外螺纹，下轴肩与搅拌针螺纹连接，螺母设置在下轴肩的下面，螺母与搅拌针螺纹连接，下轴肩的直径小于上轴肩的直径。本发明用于搅拌摩擦焊接。
文档编号B23K20/12GK101947691SQ201010296480
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月29日 优先权日2010年9月29日
发明者于雷, 侯军才, 刘会杰, 张会杰, 张超群, 李金全, 赵运强, 黄永宪 申请人:哈尔滨工业大学