一种用于厚板搅拌摩擦焊的分级式搅拌头的制作方法

文档序号:12330505阅读:640来源:国知局

本发明涉及一种搅拌摩擦焊用搅拌头,尤其是一种用于厚板焊接的搅拌摩擦焊用搅拌头,具体地说是一种用于厚板搅拌摩擦焊的分级式搅拌头。



背景技术:

搅拌摩擦焊(FSW)是1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)发明的(US 5460317)一种新型固相连接技术,该技术的原理是利用搅拌头与材料的强烈摩擦和对软化材料的搅拌作用,使焊缝连接区处于热塑性状态并使其趋于熔化、混合,随着搅拌头向前行进,在搅拌头的后方形成焊缝,完成固相连接。搅拌摩擦焊过程中,搅拌头轴肩产热量占到搅拌头产热量的80%-90%,而搅拌针产热只占到总体产热的10%-20%,所以在进行厚板搅拌摩擦连接过程中,板材底部常常因为热输入量不足导致该区域材料的流动性不足,在板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷。板材底部空洞和沟槽的出现极大降低了接头性能。

为了增大厚板底部材料的塑性金属流动性,提高中厚板的连接强度,发明专利“一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法”(专利公开号:CN102689090A)采用在焊缝底部施加辅助热源来预热焊接区金属,提高板材底部热输入量,从而提高板材底部材料流动性,避免连接缺陷的产生。然而,这种方法会带来焊接接头中出现大范围软化区的问题,同时该方法增加了连接设备的复杂性。

发明专利“一种高强度铝合金厚板地热输入搅拌摩擦焊接方法”(专利公开号:CN103624398A)采用在被焊厚板边缘侧加工出规定尺寸的多级台阶形状,进行多层重叠、多道次搅拌摩擦焊的工艺,实现高强铝合金厚板的搅拌摩擦连接,提高接头的性能。然而,此种方法需要大大增加连接过程板材的焊前处理时间,焊接过程的装夹和处理时间,极大的降低了焊接效率。



技术实现要素:

本发明的目的是针对现有的搅拌头在进行厚板(30毫米以上)搅拌摩擦焊时易因底部材料流动性差而产生孔洞和沟槽等缺陷的问题,设计一种能用于厚板搅拌摩擦焊的分级式搅拌头,以增大底部材料流动性、避免孔洞和沟槽等缺陷产生。本发明主要是采用在多个轴肩的分级式搅拌头结构,利用位于厚板底部的轴肩结构及其上面的凹槽结构,增加材料与搅拌头摩擦产热,提高底部材料软化程度,增大材料在厚板板材底部的流动性,避免孔洞和沟槽等缺陷产生,从而提高厚板搅拌摩擦焊接接头质量。

本发明的技术方案是:

一种用于厚板搅拌摩擦焊的分级式搅拌头,其特征是它由夹持柄1、支撑体2和至少两级搅拌组件9组成,每级搅拌组件9均由轴肩和搅拌针组成,各级搅拌组件9与支撑体2同轴安装,夹持柄1与支撑体2的一端相连,支撑体2的另一端与第一级搅拌组件9的轴肩整体相连,第一级搅拌组件9的搅拌针的根部与第一级搅拌组件9的轴肩相连,第一级搅拌组件9的搅拌针的顶部与第二级搅拌组件9的轴肩整体相连,第二级搅拌组件9的搅拌针的根部与第二级搅拌组件9的轴肩相连,第二级搅拌组件9的搅拌针的顶部与下一级搅拌组件9的轴肩整体相连,以此类推;在所述的各级轴肩上均设有增大摩擦用的凹槽结构7,且各级轴肩的直径逐步减小,各级搅拌针的尺寸也逐级减小。

所述的各级搅拌针均呈锥台状结构。

所述的各级轴肩上所设有凹槽结构7为圆弧形或者其它形状,其深度为0.1mm-5mm。

所述的各级搅拌针上均设有用于增加摩擦生热的环形凹槽。

所述的各级搅拌针或部分搅拌针上设有螺纹凹槽结构。

本发明的有益效果:

本发明的搅拌摩擦焊搅拌头,通过对搅拌头结构进行优化设计,增加了厚板底部材料的产热量,解决了厚板搅拌摩擦焊接过程中板材底部区域容易产生孔洞和沟槽等缺陷的问题,提高了厚板搅拌摩擦焊接接头质量。相对于其他方法,本发明的搅拌头避免了设备的额外投入和工艺的繁杂,降低了生产成本、提高了生产效率。

经实验证明,同等条件下,可提高厚板搅拌摩擦焊接接头抗拉强度30%以上。

附图说明

图1是本发明的搅拌头的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种用于厚板搅拌摩擦焊的分级式搅拌头,它由夹持柄1、支撑体2和至少两级搅拌组件9组成,每级搅拌组件9均由轴肩和搅拌针组成,如图1所示为具有两级搅拌组件9的搅拌头的结构示意图,两级以上时的结构可类推加以设计,由于各级轴肩、搅拌针的尺寸逐级减小,因此,具体设计时应考虑材料的强度,尽量选择强度高、抗断性能好的材料作为搅拌头的用材。图1中的两级搅拌组件结构的分级式搅拌头由夹持柄1、支撑体2、一级轴肩3、一级搅拌针4组成、二级轴肩5和二级搅拌针6组成;一级搅拌针4和二级搅拌针6通常设计成锥台状结构,也可设计成圆柱状结构。轴肩3的一端与一级搅拌针4整体相连,另一端与支撑体2,支撑体2与夹持柄1相连接,夹持柄与搅拌摩擦焊机相连接。一级搅拌针4的末端为二级轴肩5,二级轴肩5也可视为是一级搅拌针4的一部分,二级轴肩5比一级轴肩3直径小;二级轴5与二级搅拌针6相连,二级搅拌针6比一级搅拌针4直径小。夹持柄1、支撑体2、一级轴肩3、一级搅拌针4组成、二级轴肩5和二级搅拌针6为同轴结构。在所述的一级轴肩3与一级搅拌针4相连的端面上分布有两圈圆弧形或多边形凹槽7,其中以圆弧形为最佳,加工最为方便,采用圆弧形凹槽时,凹槽的深度应不小于1mm;在所述的二级轴肩5与二级搅拌针6相连的端面上分布有两圈圆弧形或多边形凹槽8,其中以圆弧形为最佳,加工最为方便,采用圆弧形凹槽时,凹槽的深度应不小于0.5mm,;为了进一步增大摩擦生热,在一级搅拌针4和二级搅拌针6上可以进一步增加螺纹结构。一级轴肩3的直径大于二级轴肩5的直径;一级搅拌针4的直径大于二级搅拌针6的直径。具体实施时,在一级搅拌针4和二级搅拌针6上均设有圆弧形或多边形环槽10,在一级搅拌轴4上还可设置沿轴向布置的螺旋槽11,而在二级搅拌轴4上可设置螺旋槽,也可不设置螺旋槽。

如图1所示为焊接30mm厚板材用搅拌摩擦焊的分级式搅拌头。一级轴肩3直径为30mm,轴肩上有4圈圆弧形凹槽7,凹槽深度为1mm、一级搅拌针4根本直径10mm,底部直径7mm。二级轴肩5直径为7mm,轴肩上有3圈圆弧形凹槽8,凹槽深度为0.5mm、二级搅拌针6根本直径3.6mm,底部(顶端)直径1.2mm。在焊接过程中,二级搅拌轴肩5能很好的对厚板底部材料起到摩擦生热作用,提高了材料的软化程度,增加了材料的流动性,从而避免了孔洞和沟槽等缺陷的产生,提高了厚板接头的质量。

将采用本发明设计的搅拌头与相同类型的搅拌头进行试验,实际测量证明,可提高厚板搅拌摩擦焊接接头抗拉强度30%以上。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

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