专利名称：轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法
技术领域：
本发明涉及一种搅拌摩擦焊的焊具及方法，具体涉及一种用于无倾角中空无支撑结构搅拌摩擦焊并且上下轴肩凹形相对的焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊技术(Friction Stir Welding,称FSW)是由英国焊接研究所(The Welding Institute,简称TWI)于1991年发明的一项新的固相连接方法，即可以通过不融化母材和焊材而进行联结。搅拌摩擦焊克服了以往熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺点，连接工艺简单，接头质量好，有较好的工艺适应性。目前，该技术已应用到包括轻轨、地铁、快速列车和高速列车等轨道交通行业在内的众多领域，搅拌摩擦焊技术正逐渐成为轨道车辆车体制造的主导焊接工艺技术。由于对列车高速度、轻量化、车体结构和焊接接头高安全性的要求，现代高速列车的车体已经形成以铝合金中空型材结构和搅拌摩擦焊接相结合的设计和制造主线。高速列车的车壁板、顶板以及底板等多采用中空型材结构，中空型材结构的焊接是将搅拌摩擦焊技术应用于列车制造的重要方面。现在对于中空型材结构的搅拌摩擦焊主要包括双轴肩自持式搅拌摩擦焊,双轴肩自持式搅拌摩擦焊在无支撑中空型材结构的焊接过程中，焊接前需要在启焊处预置导引孔，以便插入搅拌针；焊后，需预置导出孔，抽出搅拌针；预制导引孔和导出孔，难以形成封闭的结构完整的焊缝，还导致焊接过程操作复杂化；同时由于下轴肩面积大会导致焊接热输入量大及搅拌针承载过大载荷而影响接头的性能甚至造成搅拌针断裂的问题。
发明内容
本发明的目的是为解决现有双轴肩自持式搅拌摩擦焊需要预制导引孔和导出孔， 搅拌摩擦焊过程中无刚性垫板支撑，难以形成封闭完整的焊缝以及热输入量过大导致接头性能降低的问题，提供一种轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法。本发明的焊具包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体和下圆柱体，所述搅拌体包括主搅拌针和辅助搅拌针，上圆柱体、下圆柱体、主搅拌针、辅助搅拌针由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体的外表面上设有夹持面，下圆柱体的外表面上设有至少两个环形隔热槽，主搅拌针为锥形体，主搅拌针的上端直径大于下端直径，主搅拌针的外表面设有螺纹，辅助搅拌针为锥形体，辅助搅拌针的下端为尖点，辅助搅拌针的锥形外表面沿圆周均布设有4 8个沟槽，所述下圆柱体的下端面为外边缘高于中心的上凹形轴肩面，所述辅助搅拌针的上端面为外边缘高于中心的下凹形轴肩面，上凹形轴肩面的直径大于下凹形轴肩面的直径。本发明的方法是通过以下步骤实现的步骤一、确定搅拌体的使用长度根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度，搅拌体的使用长度小于被焊件的厚度的O. 05mm O. 35mm ；步骤二、确定上凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的夹角上凹形轴肩面与焊具中
4心轴线之间的上夹角为75° 81° ;步骤三、确定上凹形轴肩面的直径根据被焊件的厚度确定上凹形轴肩面的直径， 上凹形轴肩面的直径为被焊件厚度的I. 6倍 2. 5倍；步骤四、确定下凹形轴肩面的直径根据上凹形轴肩面的直径确定下凹形轴肩面的直径，下凹形轴肩面的直径为上凹形轴肩面的直径的O. 15倍 O. 35倍；步骤五、确定下凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的锐角下凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的下夹角为75° 80° ;步骤六、压入辅助搅拌针焊具与被焊件的焊接面垂直设置，将焊具移至待焊处， 将辅助搅拌针接触待焊工件；步骤七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊焊具以100转/分钟 1500转/分钟的转速、I毫米/分钟 10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面的压入深度为O. I毫米 O. 3毫米，以20毫米/分钟 1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。本发明具有以下优点一、本发明将搅拌摩擦焊焊具设计为具有主搅拌针和辅助搅拌针的一体式双轴肩的自持式搅拌摩擦焊具，且主搅拌针的上轴肩面为上凹形轴肩面， 辅助搅拌针的上轴肩面为下凹形轴肩面，在搅拌摩擦焊接过程中，辅助搅拌针直接压入被焊件，不需要预制导引孔和导出孔，能够形成封闭的结构完整的焊缝，简化了操作过程，上下凹形的轴肩面可以防止焊接过程中塑性金属向外流动，实现焊缝上下表面的良好成形， 从而提高了中空无支撑结构件搅拌摩擦焊的适应能力。二、下凹形轴肩面的直径远小于上凹形轴肩面的直径，解决了双轴肩自持式搅拌摩擦焊的热输入量过大的问题。三、辅助搅拌针的设置解决了无支撑中空结构型材在焊接过程中的无支撑和背部难以成形的问题。四、 辅助搅拌针的沟槽使得搅拌体在旋转过程中更容易压入无支撑中空结构型材中，防止了被焊工件产生变形。
图I是本发明无倾角且轴肩呈上凹下凹式搅拌摩擦焊的焊具的整体结构主剖视图；图2是主搅拌针3和辅助搅拌针4的位置关系示意图；图3是图I的I局部放大图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图I 图3说明本实施方式，本实施方式包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体I和下圆柱体2，搅拌体包括主搅拌针3和辅助搅拌针4，上圆柱体
I、下圆柱体2、主搅拌针3、辅助搅拌针4由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体I的直径小于下圆柱体2的直径，上圆柱体I的外表面上设有夹持面1-1，下圆柱体2的外表面上设有至少两个环形隔热槽2-1，主搅拌针3为锥形体，主搅拌针3的上端直径大于下端直径，主搅拌针3的外表面设有螺纹3-1，辅助搅拌针4为锥形体，辅助搅拌针4的下端为尖点，辅助搅拌针4的锥形外表面沿圆周均布设有4 8个沟槽4-1，沟槽4-1用以保证辅助搅拌针4能够插入待焊工件中，所述下圆柱体2的下端面为外边缘高于中心的上凹形轴肩面2-2，上凹形轴肩面2-2用以满足中空无支撑结构无倾斜角搅拌摩擦焊焊缝成形的需要， 上凹形轴肩面2-2有效防止了塑性金属材料的流出，所述辅助搅拌针4的上端面为外边缘高于中心的下凹形轴肩面4-2，下凹形轴肩面4-2作为辅助搅拌针4的下凹结构，以防止焊缝下部塑性金属材料的流出，上凹形轴肩面2-2的直径Dl大于下凹形轴肩面4-2的直径 D2。
具体实施方式
二 结合图3说明本实施方式，本实施方式的下凹形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的夹角为下夹角α，下夹角α为75° 80°。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图I说明本实施方式，本实施方式的上凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的夹角为上夹角β，上夹角β为75° 81°。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
四本实施方式的焊具的材质为高速钢。高速钢可以重复使用。其它组成及连接关系与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
五结合图I 图3具体说明本实施方式的实现步骤步骤一、确定搅拌体的使用长度L :根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度L， 搅拌体的使用长度L小于被焊件的厚度的O. 05mm O. 35mm ；步骤二、确定上凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的夹角β :上凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的上夹角β为75° 81° ;步骤三、确定上凹形轴肩面2-2的直径Dl :根据被焊件的厚度确定上凹形轴肩面 2-2的直径D1，上凹形轴肩面2-2的直径Dl为被焊件厚度的I. 6倍 2. 5倍；步骤四、确定下凹形轴肩面4-2的直径D2 :根据上凹形轴肩面2_2的直径确定下凹形轴肩面4-2的直径，下凹形轴肩面4-2的直径D2为上凹形轴肩面2-2的直径Dl的O. 15 倍 O. 35倍；步骤五、确定下凹形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的锐角α :下凹形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的下夹角α为75° 80° ;步骤六、压入辅助搅拌针4 :焊具与被焊件的焊接面垂直设置，将焊具移至待焊处，将辅助搅拌针4接触待焊工件；步骤七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊焊具以100转/分钟 1500转/分钟的转速、I毫米/分钟 10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面2-2的压入深度为O. I毫米 O. 3毫米，以20毫米/分钟 1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。
具体实施方式
六结合图I和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤一中搅拌体的使用长度L小于被焊件的厚度的O. 2mm。其它步骤与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
七结合图I说明本实施方式，本实施方式的步骤二中上凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的上夹角β为80° ;步骤五中下凹形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的下夹角α为78°。其它步骤与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
八结合图I说明本实施方式，本实施方式的步骤三中上凹形轴肩面2-2的直径Dl为被焊件厚度的2倍；步骤四中下凹形轴肩面4-2的直径D2为上凹形轴肩面2-2的直径Dl的O. 25倍。其它步骤与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
九本实施方式为步骤七中焊具以500转/分钟的转速、2毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面2-2的压入深度为02毫米，以100毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。其它步骤与具体实施方式
五相同。
具体实施方式
十本实施方式为步骤七中焊具以800转/分钟的转速、3毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面2-2的压入深度为O. 25毫米，以300毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。其它步骤与具体实施方式
五相同。
权利要求
1.一种轴肩呈上凹下凹式焊具，所述焊具包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体(I)和下圆柱体(2)，其特征在于所述搅拌体包括主搅拌针(3)和辅助搅拌针(4)，上圆柱体(I)、下圆柱体(2)、主搅拌针(3)、辅助搅拌针(4)由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体(I)的直径小于下圆柱体(2)的直径，上圆柱体(I)的外表面上设有夹持面 (1-1)，下圆柱体(2)的外表面上设有至少两个环形隔热槽(2-1)，主搅拌针(3)为锥形体， 主搅拌针(3)的上端直径大于下端直径，主搅拌针(3)的外表面设有螺纹(3-1)，辅助搅拌针(4)为锥形体，辅助搅拌针(4)的下端为尖点，辅助搅拌针(4)的锥形外表面沿圆周均布设有4 8个沟槽(4-1)，所述下圆柱体(2)的下端面为外边缘高于中心的上凹形轴肩面 (2-2)，所述辅助搅拌针(4)的上端面为外边缘高于中心的下凹形轴肩面(4-2)，上凹形轴肩面(2-2)的直径(Dl)大于下凹形轴肩面(4-2)的直径(D2)。
2.根据权利要求I所述轴肩呈上凹下凹式焊具，其特征在于所述下凹形轴肩面(4-2) 与焊具中心轴线(N-N)之间的夹角为下夹角(α)，下夹角(α)为75° 80°。
3.根据权利要求I或2所述轴肩呈上凹下凹式焊具，其特征在于所述上凹形轴肩面 (2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的夹角为上夹角(β)，上夹角(β)为75° 81°。
4.根据权利要求3所述轴肩呈上凹下凹式焊具，其特征在于所述焊具的材质为高速钢。
5.一种利用权利要求I所述焊具实现无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于 所述方法是通过以下步骤实现的步骤一、确定搅拌体的使用长度(L):根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度(L)， 搅拌体的使用长度(U小于被焊件的厚度的O. 05mm O. 35mm ；步骤二、确定上凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的夹角(β):上凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的上夹角(β)为75° 81° ;步骤三、确定上凹形轴肩面(2-2)的直径(Dl):根据被焊件的厚度确定上凹形轴肩面 (2-2)的直径(Dl)，上凹形轴肩面(2-2)的直径(Dl)为被焊件厚度的I. 6倍 2. 5倍；步骤四、确定下凹形轴肩面(4-2)的直径(D2):根据上凹形轴肩面(2-2)的直径确定下凹形轴肩面(4-2)的直径，下凹形轴肩面(4-2)的直径(D2)为上凹形轴肩面(2-2)的直径(Dl)的O. 15倍 O. 35倍；步骤五、确定下凹形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的锐角(α):下凹形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的下夹角(α)为75° 80° ;步骤六、压入辅助搅拌针(4):焊具与被焊件的焊接面垂直设置，将焊具移至待焊处， 将辅助搅拌针(4)接触待焊工件；步骤七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊焊具以100转/分钟 1500转/分钟的转速、I毫米/分钟 10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面(2-2)的压入深度为O. I毫米 O. 3毫米，以20毫米/分钟 1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。
6.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于步骤一中搅拌体的使用长度(L)小于被焊件的厚度的O. 2mm。
7.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于步骤二中上凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的上夹角(β)为80° ;步骤五中下凹形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的下夹角(α)为78°。
8.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于步骤三中上凹形轴肩面(2-2)的直径(Dl)为被焊件厚度的2倍；步骤四中下凹形轴肩面(4-2)的直径 (D2)为上凹形轴肩面(2-2)的直径(Dl)的O. 25倍。
9.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于步骤七中焊具以500转/分钟的转速、2毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面(2-2)的压入深度为O. 2毫米，以100毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。
10.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于步骤七中焊具以800转/分钟的转速、3毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面(2-2)的压入深度为O. 25毫米，以300毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。
全文摘要
轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法，它涉及一种搅拌摩擦焊的焊具及方法，以解决现有双轴肩自持式搅拌摩擦焊需要预制导引孔和导出孔，难以形成封闭焊缝及热输入量过大导致接头性能降低的问题。焊具上圆柱体、下圆柱体、主搅拌针、辅助搅拌针由上至下依次设置且制成一体，下圆柱体的下端面为上凹形轴肩面，辅助搅拌针的上端面为下凹形轴肩面。方法一、确定搅拌体的使用长度；二、确定上凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的夹角；三、确定上凹形轴肩面的直径；四、确定下凹形轴肩面的直径；五、确定下凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的锐角；六、压入辅助搅拌针；七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。本发明用于中空无支撑结构的焊接。
文档编号B23K20/12GK102601514SQ20121007821
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月22日 优先权日2012年3月22日
发明者万龙, 吕世雄, 韩冰, 黄永宪 申请人:哈尔滨工业大学