一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具的制作方法

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，特别是涉及一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，其原理是通过搅拌针与待焊工件摩擦生热，使焊缝材料塑化并随搅拌针旋转流动。在搅拌针轴肩顶锻力的作用下，形成焊缝。当前，搅拌摩擦焊接技术已经广泛应用于航空，航天，船舶和轨道交通行业。随着应用面的扩大，提高焊接厚度是该技术继续向其他产业延伸的重要挑战。随着待焊工件厚度增加，搅拌针端部与根部热输入不均衡问题凸显。搅拌摩擦焊的热输入来源主要来自两方面：摩擦产热和塑性变形产热。摩擦产热主要取决于搅拌针的转速。转速的提高增加搅拌针端部热输入，而搅拌针根部与轴肩相连却造成热输入过多，引起焊接缺陷。为解决焊接过热问题，双驱差速搅拌摩擦焊接工具被研究并开发。

现有双驱差速搅拌摩擦焊接工具是将轴肩和搅拌针设计为分体结构。可实现搅拌针高速旋转，轴肩低速旋转，使厚板焊接热输入均衡。由于结构设计需要，轴肩与搅拌针存在间隙。间隙主要造成以下两种问题：1、在焊接过程中，塑性焊接材料容易通过间隙进入焊接工具内部并堆积。材料持续堆积，造成焊接距离受限或严重时主轴抱死。2、在焊接完成后，间隙内焊接夹料使搅拌针和轴肩粘连而无法拆卸。

因此，为解决上述问题，发明人提供了一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具，通过两极动密封结构和排料通孔，解决了现有搅拌摩擦焊接过程中的焊接材料容易通过间隙进入焊接工具并堆积的问题。

本发明的实施例提出了一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具，该工具包括搅拌针和轴肩，所述搅拌针可转动的套设在所述轴肩的中心通孔中，并且，所述搅拌针的端部超出所述轴肩端部，其特征在于，在所述搅拌针与所述轴肩端部的套设处，从下到上依次设有两极动密封结构和排料结构，所述两极动密封结构包括从下到上依次设置的迷宫式动密封结构和螺纹动密封结构，所述排料结构设在所述螺纹动密封结构的上部，用于将所述搅拌头与所述轴肩的间隙中的焊接夹料排出去。

优选地，所述搅拌针与所述轴肩端部的中心通孔配合处为阶梯型台阶配合间隙，所述迷宫式动密封结构和所述螺纹动密封结构形成所述阶梯型台阶配合间隙，用于阻止焊接夹料从配合间隙中进入。

优选地，所述所述轴肩的中心通孔在端部的内壁为环形的轴肩凸缘，所述轴肩凸缘与所述搅拌针的外表面间隙配合形成所述迷宫式密封结构。

优选地，在靠近所述轴肩凸缘配合处的所述搅拌针的外周为环形的搅拌针凸缘，所述搅拌针凸缘的外表面设有螺纹。

优选地，在所述搅拌针凸缘上部的所述搅拌针的外周设有环形沉槽，所述轴肩上与所述环形沉槽相对的壁厚方向开有一个或一个以上的排料通孔，用于将焊接夹料排出去。

优选地，所述排料通孔包括由内孔和外孔构成的阶梯孔，所述内孔的孔径小于所述外孔的孔径。

优选地，所述搅拌针为锥形结构，相应地，所述轴肩的中心通孔为锥形通孔，所述锥形结构的搅拌针与所述锥形通孔采用同轴间隙配合方式。

优选地，所述搅拌针端部超出所述轴肩端部的锥形结构的外周设有螺纹。

优选地，所述搅拌针的转速大于所述轴肩的转速。

综上，本发明设计了两极动密封结构和排料通孔结构，两极动密封结构能够将焊接夹料阻挡在工具之外，排料通孔结构能将缝隙中的焊接夹料排出，解决了现有双驱搅拌摩擦焊接过程中，焊接夹料容易通过间隙进入工具内部并堆积的问题，采用本发明的工具，焊接距离不受限，搅拌针和轴肩不会粘连，容易拆卸，显著提高了搅拌摩擦焊接的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具的剖视示意图。

1-迷宫式动密封结构；2-螺纹动密封结构；3-环形沉槽；4-排料通孔；

10-搅拌针；；20-轴肩。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参照附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1是本发明实施例的一种双驱差速搅拌摩擦焊接工具的剖视示意图。如图1所示，该工具包括了搅拌针10和轴肩20，搅拌针10可转动的套设在轴肩20的中心通孔中，并且，搅拌针10的端部超出轴肩20的端部，在搅拌针10与轴肩20的端部的套设处，从下到上依次设有两极动密封结构(1、2)和排料结构(3、4)，其中，两极动密封结构包括从下到上依次设置的迷宫式动密封结构1和螺纹动密封结构2，排料结构(3、4)设在螺纹动密封结构2的上部，用于将搅拌针10与轴肩20的间隙中的焊接夹料排出去。

其中，搅拌针10与轴肩20端部的中心通孔配合处为阶梯型台阶配合间隙，迷宫式动密封结构1和螺纹动密封结构2共同形成该阶梯型台阶配合间隙，用于阻止焊接夹料从配合间隙中进入到焊接工具。

具体地，轴肩20的中心通孔在端部的内壁为环形的轴肩凸缘，该轴肩凸缘与搅拌针10的外表面间隙配合形成迷宫式动密封结构1。相较于直筒型间隙，此处迷宫式动密封结构可降低焊接夹料的通过率。

此外，靠近轴肩凸缘配合处的搅拌针10的外周为环形的搅拌针凸缘，该搅拌针凸缘的外表面设有螺纹，由带有螺纹的搅拌针凸缘和轴肩的光面中心通孔配合，形成螺纹动密封结构。凸缘上部的搅拌针10的外周设有环形沉槽3，轴肩20上与环形沉槽3相对的壁厚方向开有一个或一个以上的排料通孔4，用于将焊接夹料排出去。环形沉槽3能够减少搅拌针10与轴肩摩擦产生的额外热量，排料通孔4能将间隙中的焊接夹料派出去，阻止焊接夹料进一步进入工具内部。

通过轴肩20和搅拌针10的差速旋转，螺纹的搅拌针凸缘相对于轴肩的光面中心通孔发生相对运动。同时，当本实施例的搅拌摩擦焊接采用逆时针旋转方向时，能使搅拌针凸缘上的螺纹对焊接夹料产生反推作用力。焊接时，该反推力可降低焊接夹料通过速率。焊接完成后，该反推力还可将间隙内存在的夹料推出，起到分离轴肩20和搅拌针10的作用。与焊接顶锻力对焊接夹料产生的推力相比，两极动密封结构不能够完全阻止焊接夹料进入工具内部。对于进入工具内部的夹料，主要利用焊接夹料自身推力的作用将其由排料通孔4中排出。

作为一种优选实施例，排料通孔4包括由内孔和外孔构成的阶梯孔，其中，内孔的孔径小于外孔的孔径。内孔小的优点在于能够降低排料阻力，使多余的夹料尽快由排料通孔4排出，而不使夹料继续通过间隙进入搅拌针10和轴肩20的内部。外孔大则可将排出的夹料很快与空气接触而变硬断裂，使排出的夹料不会堆积在排料孔内，从而不会影响下一次焊接时的排料。

作为另一种可选实施例，搅拌针10为锥形结构，相应地，轴肩20的中心通孔为锥形通孔，该锥形结构的搅拌针与锥形通孔采用同轴间隙配合方式进行装配。使搅拌针10在轴肩20的中心通孔中沿轴向一定范围内运动，保证搅拌针10和轴肩20能够相对转动，并且，搅拌针10的转速大于轴肩20的转速，从而实现双驱差速搅拌摩擦焊接的工艺操作。

作为另一种可选实施例，搅拌针10的端部超出轴肩20端部的锥形结构的外周设有螺纹。

综上，本发明的双驱差速搅拌摩擦焊接工具，通过设计两极动密封结构和排料通孔结构，首先将绝大多数焊接夹料阻挡在搅拌针与轴肩缝隙之外，然后再经过排料通孔结构将缝隙中少量的焊接夹料排出去，从而解决了现有双驱搅拌摩擦焊接工具在焊接过程中，容易使焊接夹料通过间隙进入工具内部并堆积的问题，采用本发明的工具焊接距离不受限，焊接显著提高了焊接效率，并且搅拌退和轴肩不会产生粘连的问题，拆卸方便。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。