一种能实现单次焊接双道成形的搅拌摩擦焊焊具的制作方法

本发明涉及一种搅拌摩擦焊焊具，具体涉及一种能实现单次焊接双道成形的搅拌摩擦焊焊具。

背景技术：

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方法，该技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等特点，受到各国科研机构的关注，且因为焊接质量好，搅拌摩擦焊在航天航空、船舶、汽车等领域已显示出广泛的应用前景。搅拌摩擦焊过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产热及材料塑性变形热作为焊接热源，使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。

搅拌摩擦焊焊具前端搅拌针部分在焊接过程中扎进材料内部进行摩擦和搅拌，而轴肩部分与工件表面摩擦产生热量，同时内凹的几何形状可一定程度防止塑性状态的材料溢出。焊具轴肩在焊接过程中压入工件表面一定深度，能起到清除表面氧化膜，优化焊缝表面的作用。然而，由于轴肩压入焊缝表面，大量的摩擦产热导致工件表面材料软化溢出，形成飞边，导致焊缝减薄效应。另一方面，铝/铜等异种金属在焊接时极易形成脆性的金属间化合物，导致焊缝无法成形，焊缝表面缺陷严重。针对上述问题，设计一种能实现单次焊接双道成形以消除焊缝减薄、修复铝/铜缺陷的搅拌摩擦焊焊具是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明为了解决现有搅拌摩擦焊过程中，由于轴肩压入焊缝表面，大量的摩擦产热导致工件表面材料软化溢出，形成飞边，导致焊缝减薄；另一方面，铝/铜等异种金属在焊接时极易形成脆性的金属间化合物，导致焊缝无法成形，焊缝表面缺陷严重的问题，提出一种能实现单次焊接双道成形的搅拌摩擦焊焊具。

本发明的一种能实现单次焊接双道成形的搅拌摩擦焊焊具，其组成包括夹持体、搅拌体和两个紧固螺钉，其中夹持体和搅拌体的轴心处于同一直线上，所述夹持体由同轴的上圆柱体和下圆柱体组成，上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体与下圆柱体制成一体，上圆柱体的外表面上设有焊具夹持面，轴心开有退料孔，下圆柱体的外表面上设有至少一个环形隔热槽，下圆柱体的轴心处设有放置搅拌体的夹持孔，退料孔与夹持孔相通，且夹持孔直径大于退料孔直径，下圆柱体上设有径向螺纹通孔，径向螺纹通孔位于环形隔热槽的上方，夹持孔将径向螺纹通孔分为两个径向螺纹通孔，下圆柱体的下端面为大直径轴肩，大直径轴肩设计为内凹型；

搅拌体设置在夹持孔中，搅拌体的上端面与夹持孔的底部靠严，搅拌体由搅拌针柄和搅拌针组成，搅拌针柄与搅拌针上下设置且制成一体，其中搅拌针柄上端两侧外表面上设有焊具夹持面，两侧焊具夹持面与两个径向螺纹通孔上下一一正对，搅拌针柄的下端面为小直径轴肩，小直径轴肩设计为内凹型，小直径轴肩的端面相对大直径轴肩的端面向外伸出有一定的伸出量d，搅拌针的外径表面设有右旋螺纹，搅拌针的下端面为凸面；

每个径向螺纹通孔中旋入一个紧固螺钉，紧固螺钉底端与焊具夹持面相接触。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

一、本发明的焊具针对同种材料的焊接，控制大直径轴肩和小直径轴肩之间的相对距离(伸出量d)，利用小直径轴肩实现“单次焊接”成形，利用大轴肩实现溢出材料的二次碾压回填，从而实现无减薄搅拌摩擦焊。

二、本发明的焊具针对易于产生金属间化合物的异种金属(铝/铜等)焊接，本发明所述焊具通过大直径轴肩对焊缝进行二次碾压处理，可消除焊缝表面和内部的缺陷，提高接头质量。

三、本发明的焊具搅拌体可更换，改变小直径轴肩相对大直径轴肩外缘向外伸出的伸出量d及搅拌针的长度，可实现不同厚度板的对接。

附图说明

图1是本发明的整体结构主视图；

图2是图1的c-c剖视图；

图3是搅拌体2的主视图；

图4是图3的a-a剖视图；

图5是图2的i局部放大图；

图6是利用本发明的焊具实现单次焊接双道成形的焊接原理示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图5说明本实施方式，本实施方式包括夹持体1、搅拌体2和两个紧固螺钉3，其中夹持体1和搅拌体2的轴心处于同一直线上，夹持体1由同轴的上圆柱体1-1和下圆柱体1-2组成，上圆柱体1-1的直径小于下圆柱体1-2的直径，上圆柱体1-1与下圆柱体1-2制成一体，上圆柱体1-1的外表面上设有焊具夹持面1-1-1，轴心开有退料孔1-1-2，下圆柱体1-2的外表面上设有至少一个环形隔热槽1-2-1，下圆柱体1-2的轴心处设有放置搅拌体2的夹持孔1-2-2，退料孔1-1-2与夹持孔1-2-2相通，且夹持孔1-2-2直径大于退料孔1-1-2直径，下圆柱体1-2上设有径向螺纹通孔1-2-3，径向螺纹通孔1-2-3位于环形隔热槽1-2-1的上方，夹持孔1-2-2将径向螺纹通孔1-2-3分为两个径向螺纹通孔1-2-3，下圆柱体1-2的下端面为大直径轴肩1-2-4，大直径轴肩1-2-4设计为内凹型；

搅拌体2设置在夹持孔1-2-2中，搅拌体2的上端面与夹持孔1-2-2的底部靠严，搅拌体2由搅拌针柄2-1和搅拌针2-2组成，搅拌针柄2-1与搅拌针2-2上下设置且制成一体，其中搅拌针柄2-1上端两侧外表面上设有焊具夹持面2-1-1，两侧焊具夹持面2-1-1与两个径向螺纹通孔1-2-3上下一一正对，搅拌针柄2-1的下端面为小直径轴肩2-1-2，小直径轴肩2-1-2设计为内凹型，小直径轴肩2-1-2的端面相对大直径轴肩1-2-4的端面向外伸出有一定的伸出量d，搅拌针2-2的外径表面设有右旋螺纹2-2-1，搅拌针2-2的下端面为凸面2-2-2；

每个径向螺纹通孔1-2-3中旋入一个紧固螺钉3，紧固螺钉3底端与焊具夹持面2-1-1相接触。

大直径轴肩1-2-4和小直径轴肩2-1-2均设计为内凹形，可有效防止塑化材料的流出。

焊接完成后，可从退料孔1-1-2将夹持孔1-2-2内的搅拌针柄2-1推出，便于更换搅拌体2，从而改变小直径轴肩2-1-2相对大直径轴肩1-2-4外缘向外伸出的长度及搅拌针2-2的长度，实现不同厚度板的对接。

具体实施方式二：结合图5说明本实施方式，本实施方式为搅拌针2-2的长度l的选取：l＝h-(0.1～0.3)mm，其中h为焊接工件4的板厚。这样设置可以防止搅拌针扎入背部垫板而造成搅拌针的磨损。其它组成及连接与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明本实施方式，本实施方式为搅拌针2-2的长度l的选取：l＝h-0.2mm。这样设置可以防止搅拌针扎入背部垫板而造成搅拌针的磨损。其它组成及连接与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图5说明本实施方式，本实施方式为伸出量d的选取：d＝(0.05～0.20)mm。这样设置可以保证大轴肩的二次碾压作用，足以使被挤出的飞边材料被完全回填进焊缝中。其它组成及连接与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式为伸出量d的选取：d＝0.10mm。这样设置可以保证大轴肩的二次碾压作用，足以使被挤出的飞边材料被完全回填进焊缝中。其它组成及连接与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式为大直径轴肩1-2-4的大轴肩直径φ1与小直径轴肩2-1-2的小轴肩直径φ2之间的关系为：φ1＝φ2+(2～4)mm。这样设置既满足二次碾压过程对大直径轴肩尺寸的要求，又防止了过高的焊接热输入。其它组成及连接与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图5说明本实施方式，本实施方式为大直径轴肩1-2-4的大轴肩直径φ1与小直径轴肩2-1-2的小轴肩直径φ2之间的关系为：φ1＝φ2+3mm。这样设置既满足二次碾压过程对大直径轴肩尺寸的要求，又防止了过高的焊接热输入。其它组成及连接与具体实施方式五或六相同。

具体实施方式八：结合图6说明本实施方式，本实施方式为焊具进行搅拌摩擦对接时，焊接速度为10mm/min～1000mm/min，焊具转速为200r/min～3000r/min，主轴倾角为0～5°，大直径轴肩1-2-4的下压量为0.1mm～0.3mm。其它组成及连接与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式为夹持体1采用w18cr4v、w6mo5cr4v2或w9mo3cr4v牌号的高速钢，上述材质的高速钢结构可以重复使用。其它组成及连接与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：本实施方式为搅拌体2的材质为镍基合金、碳化钨钴合金或多晶立方氮化硼。视具体工件材料而定，镍基合金、碳化钨钴合金、多晶立方氮化硼可以重复使用。其它组成及联接关系与具体实施方式九相同。

本发明的工作原理：焊接初始，焊具下压阶段，由于小直径轴肩2-1-2相对大直径轴肩1-2-4外缘向外伸出一定长度，小直径轴肩2-1-2先于大直径轴肩1-2-4接触并扎入焊接工件4，且小直径轴肩2-1-2扎入深度相对较大，保证了焊缝成形，此为“单次焊接”过程。在焊接过程中，小直径轴肩2-1-2下压将下方的材料挤向大直径轴肩1-2-4的内凹型结构处，如图6所示，随着焊具的旋转行进，存于大直径轴肩1-2-4内凹型结构处的材料被大直径轴肩1-2-4再次摩擦碾压，迫使溢出材料回到焊缝中，进而完成“双道成形”过程。