一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具的制作方法
【专利摘要】本发明公布了一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具，由轴肩和搅拌针组成。搅拌针的形状呈截头锥体，其小底与轴肩相连，大底端面上设有一圆形凹孔，截锥体外表面上设有三个周向均布的圆弧形凹槽；同时，本发明还公布了搅拌针和轴肩各部分的结构和尺寸。采用本发明设计的搅拌工具进行搅拌摩擦搭接焊时，截锥形的搅拌针会对搭接面周围塑化金属产生一个斜向上推力，减轻塑化金属垂直运动，从而减轻搭接界面的垂直迁移倾向。并且搅拌针底部的凹孔和侧面的凹槽，均会改善焊焊缝区材料流动，充分破碎搭接界面，使焊缝金属更充分混合。因此，该工具焊接所得焊缝中钩状缺陷尺寸大大减小，接头强度系数显著提高。
【专利说明】一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具
【技术领域】
[0001]本发明属于金属材料搅拌摩擦焊接领域，具体是针对搭接接头而设计的一种新型搅拌摩擦焊工具。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年发明的一种新型固相连接技术，这项技术特别适合铝镁合金等有色金属的连接。搅拌摩擦焊的基本原理是由旋转着的一个非消耗搅拌工具(由轴肩和搅拌针组成的阶梯轴)插入工件的结合面，通过轴肩与工件之间的摩擦生热和搅拌针与工件材料发生的塑性变形功产热，将待焊工件升温至塑化状态，工件接合面会在搅拌工具的搅拌摩擦作用下发生破碎；然后搅拌工具沿工件结合线向前移动，塑化材料冷却，即形成固相连接的焊缝。
[0003]经过20多年的发展，FSW在航空航天、轨道车辆、造船、汽车等领域获得了较广泛应用。航空航天和轨道车辆领域的某些结构件会经常涉及到搭接接头，如飞机的机身是由7XXX系铝合金的横梁搭在2 X X X铝合金的蒙皮上，轨道车辆的车身由中空的6 X X X系铝合金挤压型材搭接拼焊而成。传统的熔焊技术在焊接铝合金时，会因为铝合金自身特殊的理化性质而产生气孔、裂纹、夹杂等缺陷，导致接头强度系数很低。FSW在焊接铝合金上有独特的优势，不会产生熔焊那样的缺陷，具有较高的接头强度系数。FSW在铝合金对接接头方面已有较成功的应用，在搭接接头方面，FSW仍存在一定的技术难题。首先，在焊搭接接头时，搅拌工具垂于工件接合面，相比对接接头的接合面平行于搅拌工具，搭接接头的接合面更难被破碎；其次，为形成搭接焊缝，搅拌针要穿透上板工件插入到下板一定深度，搅拌针插入下板后会挤压下板材料，使搭接界面发生弯曲，向中间焊缝区域延伸，从而形成裂纹状未结合的界面迁移缺陷，此缺陷在搭接接头中被称为“钩状缺陷”。在FSW过程中，搅拌工具会引起搅拌区材料发生垂直方向流动，从而带动搅拌针外围材料也发生垂直迁移，加上搅拌针外围材料受到的搅拌作用有限，导致钩状缺陷是FSW搭接接头中的一种固有缺陷。钩状缺陷会减小接头的有效承载厚度，提供裂纹源并且引起应力集中，因而严重降低搭接接头的接头静强度和疲劳强度。所以优化FSW搭接工艺必须减轻钩状缺陷，包括减小其尺寸、改变其形状。目前，减轻钩状缺陷的方法主要有两种:一种是优化试验参数，比如减小转速或增加焊速可减小钩状缺陷尺寸；一种是设计特殊的搅拌工具，来改变搅拌区塑性材料流动路径，从而改善搭接界面迁移形态，减轻钩状缺陷。FSW常用的搅拌工具的搅拌针为普通的圆柱螺纹状或圆锥螺纹状，轴肩为内凹形。使用这些普通工具焊搭接接头时，焊缝中会产生较严重的钩状缺陷，导致接头强度很低(强度系数多为30%以下)，仅靠优化试验工艺参数无法减轻钩状缺陷。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术，为减轻“钩状”缺陷，提高搅拌摩擦焊(FSW)搭接接头强度，本发明提供一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具，本发明中设计的特殊形状的搅拌针可以有效的改善搅拌区材料流动路径。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具予以实现的技术方案是:该工具由轴肩和搅拌针两部分组成，所述搅拌针的形状呈截头圆锥体，所述截头圆锥体的小底与所述轴肩相连，所述截头圆锥体的大底端面上设有一圆形凹孔，所述截头圆锥体的外表面上沿着其轴向设有三个在周向上均布的圆弧形凹槽；所述搅拌针的长度为h，h=d+Ad，其中，d为待焊工件的上板的厚度，Ad为搅拌针插入到待焊接工件的下板的深度，A d < 0.5d ;所述截头圆锥体的大底直径为D1，所述截头圆锥体的小底直径为D2, D2=d+1，所述截头圆锥体的锥角为2a，a =7°?9°，D1=2h*tan a +D2 ;所述圆形凹孔在所述截头圆锥体的大底端面上的直径为D3, D3=0.75D1，所述圆形凹孔的深度为hl=0.25h ；所述截头圆锥体外表面上的三个圆弧形凹槽分别与所述圆形凹槽的直径为D3的轮廓线相切，所述轴肩的端面内凹倾斜面，所述斜面倾角为5°?7°，所述轴肩的直径为D，D=3d。
[0006]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0007]采用本发明用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具焊接FSW搭接接头时，截头圆锥形的搅拌针的倾斜侧表面会对搭接面周围塑化金属产生一个斜向上的推力，该推力会产生一个水平方向分力，搭接面周围塑化金属在该水平力的作用下，发生一定量的水平运动，该水平运动会减轻塑化金属的垂直运动，从而减小搭接界面的垂直迁移倾向。并且搅拌针底端面部的内凹圆面及侧面的三个圆弧形凹槽，均会改变焊缝区塑化金属的流动路劲，从而改善焊缝区材料流动，充分破碎搭接区域界面，焊缝区金属发生更充分的混合。因此，焊后焊缝中钩状缺陷尺寸大大减小，接头强度系数也得到显著提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是本发明用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具与焊件位置关系示意图；
[0009]图2是图1中所示搅拌摩擦焊工具的主视图；
[0010]图3是图2所示搅拌摩擦焊工具的仰视图。
[0011]图中，I为轴肩，2为搅拌针，3为圆弧形凹槽，4为圆形凹孔，5为工件上板，6为工件下板。
【具体实施方式】
[0012]下面结合【具体实施方式】对本发明作进一步详细地描述。
[0013]如图2和图3所示，本发明一种用于搭接接头的新型搅拌摩擦焊工具，包括轴肩I和搅拌针2两部分。本发明中的所述搅拌针2的形状呈截头圆锥体，所述截头圆锥体的小底与所述轴肩相连，所述截头圆锥体的大底端面上设有一圆形凹孔4，所述截头圆锥体的外表面上沿着其轴向设有三个在周向上均布的圆弧形凹槽3。
[0014]如图1所示，本发明用于搭接接头的新型搅拌摩擦焊工具中各部分尺寸如下:
[0015]所述搅拌针，即所述截头圆锥体的长度为h，h=d+ A d，其中，d为待焊工件的上板5的厚度，A d为搅拌针2插入到待焊接工件的下板6的深度，0.25d0.5d。
[0016]所述截头圆锥体的大底直径为D1，所述截头圆锥体的小底直径为D2，D2=d+1，所述截头圆锥体的锥角为2a，a =7°?9° , D1=2h*tan a+D20
[0017]所述圆形凹孔4在所述截头圆锥体的大底端面上的直径为D3, D3=0.75Di，所述圆形凹孔4的深度Sh1=0.25h。
[0018]所述截头圆锥体外表面上的三个圆弧形凹槽3分别与所述圆形凹孔4的直径为D3的轮廓线相切。
[0019]所述轴肩I的端面为内凹倾斜面，所述斜面倾角为5°~7°，所述轴肩I的直径为 D, D=3d。
[0020]实施例:
[0021]某航天结构件上需涉及5mm厚2024和7075异种铝合金板搭接接头，用现有技术中的普通圆柱或圆锥带螺纹的搅拌摩擦焊工具焊接此接头时，接头中有较严重的钩状缺陷。现根据本发明提供的技术方案，加工出适用于此搭接接头的搅拌工具。
[0022]设定搅拌针2的长度为h=6mm，其截头圆锥的锥角2 α =16°，截头圆锥的(小底)顶端直径为D2=6mm，底端(大底)直径为D1=ZMtan a +D2 ^ 7.7mm,所述圆形凹孔4在所述截头圆锥体的大底端面上的直径为D3=0.75Di~5.8mm，深度hl=l.5mm，搅拌针2侧面的三个圆弧形凹槽沿周向均布，满足所述三个圆弧形凹槽3分别与所述圆形凹孔4的直径为D3的轮廓线相切，则圆弧形凹槽与底端面相交后的圆弧长度约为3.6mm，所述轴肩I的直径为D，D=3d=15mm,所述轴肩内凹倾角为7°。
[0023]按上述结构和参数加工出本发明搅拌摩擦焊工具，将此工具装在搅拌摩擦焊机上，用夹具将5mm厚2024和7075铝合金试板固定在焊机工作台上。在搅拌摩擦焊机的控制面板上设定焊接参数:搅拌工具的转速为800r/min,前进速度为80mm/min,轴肩I的下压量为0.20_，工具倾角为2.5°。按此参数焊接试板，焊后经过金相显微镜进行焊缝形貌观察，用万能拉伸试验机进行接头强度测试，经检测发现焊缝中钩状缺陷尺寸仅为工件厚度的10%左右，远小于普通工具焊接所得接头中的钩状缺陷尺寸(通常为工件厚度的50%以上)，焊缝强度系数高达80%以上，取得了较满意的效果。
`[0024]尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本发明的应用实例不局限于铝合金材料的焊接，对于镁合金、铜合金等其他有色金属材料的搭接接头，也可以使用本发明提出的新型搅拌工具进行搅拌摩擦焊接。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【权利要求】
1.一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具，该工具为轴肩(I)和搅拌针(2)组成的阶梯轴，其特征在于， 所述搅拌针(2)的形状呈截头圆锥体，所述截头圆锥体的小底与所述轴肩相连，所述截头圆锥体的大底端面上设有一圆形凹孔(4)，所述截头圆锥体的外表面上沿着其轴向设有三个在周向上均布的圆弧形凹槽(3)； 所述搅拌针的长度为h，h=d+ A d，其中，d为待焊工件的上板(5)的厚度，A d为搅拌针(2)插入到待焊接工件的下板(6)的深度，0.25d ^Ad^0.5d； 所述截头圆锥体的大底直径为D1，所述截头圆锥体的小底直径为D2，D2=d+1，所述截头圆锥体的锥角为2a，a =7°~9°，D1=2h*tan a +D2 ； 所述圆形凹孔(4)在所述截头圆锥体的大底端面上的直径为D3，D3=0.75Di，所述圆形凹孔(4)的深度Sh1=0.25h ； 所述截头圆锥体外表面上的三个圆弧形凹槽(3)分别与所述圆形凹孔(4)的直径为D3的轮廓线相切， 所述轴肩(I)的端面为内凹倾斜面，所述斜面倾角为5°~7°，所述轴肩(I)的直径为D，D=3d0
【文档编号】B23K20/12GK103521912SQ201310469629
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年10月10日 优先权日:2013年10月10日
【发明者】宋友宝, 杨新岐 申请人:天津大学