无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具及焊接方法与流程

本发明属于焊接领域，涉及一种适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具及焊接方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接技术，其原理在于被焊材料在搅拌头的高速旋转摩擦产热和轴向挤压的共同作用下塑性流动、对接面被打碎而形成的一种固相连接。

相比于传统的熔化焊接方法，搅拌摩擦焊具有热输入、焊接变形小，力学性能优异等特点。现已广泛应用于低熔点材料，如铝、镁合金的焊接。但传统的搅拌摩擦焊在焊接过程会导致焊缝区域较母材减薄0.2~0.5mm，而无倾角搅拌摩擦焊接方法可以减少焊缝的减薄，但无焊接倾角后导致焊接过程的顶锻力减弱，接头内部易出现孔洞缺陷。

技术实现要素：

本发明针对无倾角搅拌摩擦焊焊接过程中顶锻力弱的问题，提出了一种适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具，包括夹持段、圆柱段和搅拌针，三部分自上而下为一体结构。夹持段为圆柱体，圆柱侧面铣有平面用于紧固；圆柱段为圆柱体，直径大于夹持段，侧面开有散热槽，搅拌针为上粗下细的圆台，搅拌针上具有螺纹特征。

进一步，所述圆柱段下端面为轴肩，轴肩外圆环为平面且设置有至少两处阿基米德螺旋槽，轴肩内圆环为内凹型且与搅拌针圆滑过渡。

优选的，本发明所述的无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具材料为高速钢、耐热合金钢、热作模具钢、镍基合金等。

进一步，所述圆柱段侧面开设有两圈以上的散热槽。

进一步，轴肩与圆柱段交界外设置有倒角，轴肩外圆环为平面且设置有至少两处阿基米德螺旋槽，阿基米德螺旋槽槽型为直角梯形，斜边倾角为3~10°，槽深0.05~0.6mm，内圆环为内凹型，内凹角为3~10°。

进一步，轴肩内圆环与外圆环的直径比为0.4~0.8。

进一步，搅拌针为圆台形，外表面设置有螺纹，搅拌针的长度等于被焊板材厚度减去0.1~0.3mm。

进一步，搅拌针的螺纹旋向与轴肩的阿基米德螺旋槽的旋向要相匹配，当搅拌针螺纹为右旋时，轴肩的阿基米德螺旋槽为顺时针，反之，搅拌针螺纹为右旋时，轴肩的螺旋槽为逆时针。

本发明的另一技术方案在于，提供了一种无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具的焊接方法，采用上述搅拌工具，方法如下：

将被焊板材装夹固定在焊接平台上，采用紧固螺钉将搅拌工具固定在搅拌摩擦焊设备上，设备的主轴倾角设置为0°，主轴旋转方向根据搅拌工具的外形特征设置旋转方向，当搅拌工具的搅拌针3为右旋时，主轴的旋转方向设置为逆时针，反之，主轴的旋转方向为顺时针。采用400~1500rpm的转速以3~5mm/min的扎入速度扎入被焊材料，压入深度0~0.1mm，以50~600mm/min的焊接速度进行焊接，焊接完成后搅拌工具拔出，焊接结束。其中，当搅拌工具的搅拌针为右旋时，主轴的旋转方向设置为逆时针，反之，主轴的旋转方向为顺时针。

无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿主要是通过轴肩与搅拌针的结构特征来实现的，轴肩外圆环为平面且平面上开有至少两处阿基米德螺旋槽，使被焊材料表面材料向轴肩中心区域聚拢，同时轴肩与圆柱段交界处设置有倒角，有利于被焊板材表面材料过渡进入螺旋槽。轴肩内圆环带有内凹，焊接过程中螺旋槽引入的材料不断的向内圆环内凹与被焊板材间的空腔填充，金属腔内形成一个内压，使轴肩内圆环下的被焊金属材料受到向下的顶锻力，同时搅拌针上的螺纹进一步促进搅拌针附近的材料向下迁移，使焊缝内部的金属材料锻压填实。

本发明提供的一种适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具及焊接方法，与现有技术相比具有以下优点：

一、轴肩外圆环设置为平面且开设有阿基米德螺旋槽和倒角，有利于焊缝表面材料向轴肩中心区域聚拢，可以显著较少焊接过程所产生的飞边。

二、轴肩内圆环设置为内凹型，可以形成内压腔体，从而实现对轴肩内圆环下的塑化金属的自顶锻作用，有利于消除焊缝内部的孔洞缺陷。

三、本发明提出的适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具及焊接方法具备操作简单，可实施性强等特点。

附图说明

图1是本发明的搅拌工具结构的三维示意图；

图2是本发明的搅拌工具整体的主视图示意图；

图3是本发明的搅拌工具的仰视图示意图；

图4是本发明的搅拌工具轴肩与搅拌针局部的剖视图示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：

本发明的一种无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具，包括夹持段1、圆柱段2和搅拌针3，夹持段1、圆柱段2和搅拌针3自上而下为一体结构，其特征在于：夹持段1为圆柱体，侧面铣有平面用于紧固；圆柱段2为圆柱体，直径大于夹持段1，侧面开有散热槽，搅拌针3为上粗下细的圆台，侧面设置有螺纹。

进一步，所述圆柱段2下端面为轴肩2-1，轴肩2-1外圆环为平面且设置有至少两处阿基米德螺旋槽，轴肩2-1内圆环为内凹型且与搅拌针3圆滑过渡。所述圆柱段2侧面开设有两圈以上的散热槽。

优选的，所述轴肩2-1与圆柱段2交界外设置有倒角。

优选的，所述阿基米德螺旋槽槽型为直角梯形，斜边倾角为3~10°，槽深0.05~0.6mm，内圆环为内凹型，内凹角为3~10°。

进一步，轴肩内圆环与外圆环的直径比为0.4~0.8。

优选的，所述搅拌针3为圆台形，外表面设置有螺纹，搅拌针3的长度为被焊板材厚度减去0.1~0.3mm。

进一步，所述搅拌针3的螺纹旋向与轴肩的阿基米德螺旋槽的旋向要相匹配，当搅拌针3为右旋时，轴肩的阿基米德螺旋槽为顺时针，反之，搅拌针3螺纹为右旋时，轴肩的螺旋槽为逆时针。

实施例1

结合图1、2说明实施方式，一种适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具，包括夹持段1、圆柱段2和搅拌针3，三部分自上而下为一体结构，搅拌工具材料为高速工具钢。夹持段1为圆柱体，直径为20mm，圆柱侧面铣有平面用于紧固。圆柱段2为圆柱体，直径为24mm，侧面开有3圈散热槽，轴肩外圆环为平面且设置有2处顺时针的阿基米德螺旋槽，槽型为直角梯形，斜边倾角为7°，槽深0.05~0.2mm，轴肩外圆环与圆柱段设置有0.5mm的倒角，轴肩内圆环直径为16mm且为内凹型，内凹角度为7°，轴肩内圆环的内凹与搅拌针圆滑过渡，搅拌针为上粗下细的圆台，搅拌针长4.8mm，搅拌针上设置有右旋螺纹特征。

实施例2

一种适用于无倾角搅拌摩擦焊的顶锻力自补偿搅拌工具焊接方法，采用如实施例1所述的搅拌工具，将5mm厚的被焊铝合金装夹固定在焊接平台上，采用紧固螺钉将搅拌工具固定在搅拌摩擦焊设备上，设备的主轴倾角设置为0°，主轴旋转方向设置为逆时针，采用800rpm的转速以3mm/min的扎入速度扎入被焊材料，压入深度0.1mm，以300mm/min的焊接速度进行焊接，焊接完成后搅拌工具拔出，焊接结束。