一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头的制作方法

本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，涉及一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头。

背景技术：

搅拌摩擦焊利用特殊设计的搅拌头旋转着插入待焊工件，在摩擦热、塑性变形产热和轴向机械压力作用下，被焊材料发生局部塑化和流动，经过再结晶而形成致密的连接接头，是一种优质、高效、绿色的固相连接技术。该技术已经在航空航天、轨道交通、船舶、电力电子及新能源汽车等行业得到广泛应用。

在常规的搅拌摩擦焊接中，为了保证工件焊透而要求搅拌针长度尽可能接近工件焊接厚度，但为了防止与背面工装垫板干涉又要求搅拌针长度尽可能小于工件焊接厚度。所以，基于焊透及防止与垫板干涉的统筹考虑，目前普遍采用搅拌针长度比被焊工件厚度小0.1-0.3mm的设计，也即仅能稳定焊透比搅拌针长大0.3mm的工件厚度；实际生产中，焊前根据本次焊接的工件理论厚度选定对应搅拌针长度的搅拌头，焊接过程不再更换，但受焊接工装变形、焊接变形、尤其是加工精度误差导致的工件焊接厚度波动等工程因素影响(对于诸如火箭燃料贮箱、轨道列车车体以及船舶等大型焊接结构，一条焊缝长达数米至十几米甚至更长，受加工精度影响，整条焊缝不同部位以及不同批次同一零部件焊缝的焊接厚度存在不同程度的波动，一般0.1-0.5mm，实际生产中这类情况不可避免)，尺寸波动使得工件厚度超过搅拌头可焊最大厚度，容易在背面焊缝产生弱连接以及根部未焊透等缺陷。该类缺陷尺寸一般较小，很难甚至无法被x射线及超声等现有无损检测方法检出，对接头性能产生较大隐患，严重降低接头承载能力以及疲劳性能，且焊接厚度越大，根部焊缝越易产生弱连接以及未焊透等缺陷，接头性能隐患显著增加。

当前，为了防止弱连接及根部未焊透等缺陷，实际生产中通过焊接过程加大轴肩下压量以及多道次焊接等措施加以控制，但工艺调控阈度较小，不能从根本上解决弱连接及根部未焊透等缺陷；或者焊后采用机械打磨及机加工方法去除一定厚度的焊缝根部材料，这增加了生产成本，也降低了生产效率。

此外，同一产品上往往存在大量焊接厚度相差仅1mm以内的焊接结构，为了解决搅拌头对焊接厚度的适应性问题，以防止弱连接及根部未焊透等缺陷，当前实际生产中，对搅拌针长每间隔0.2mm制备对应一个搅拌头，导致搅拌头数量庞大、成本高、管理繁琐。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，包括依次连接的搅拌针、轴肩和夹持部，所述搅拌针为侧面带螺纹及3个截平面的锥台结构且根部螺纹结束位置m包含在搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘内，所述搅拌针端部设有螺旋凹槽或圆弧直凹槽。

作为优选方式，所述搅拌针根部螺纹结束位置m包含在搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘1mm以内。

作为优选方式，所述搅拌针端部直径d根据被焊接件厚度δ、搅拌针锥度γ及搅拌针长度l按照式(1)计算

d＝(0.8×δ+2.2)-2×l×tg(γ/2)(1)。

进一步优选，所述3个截平面结构在搅拌针的侧面间隔120°均布。

进一步优选，所述搅拌针的圆锥面设有螺纹。

进一步优选，所述搅拌针锥度γ为10°～15°。

进一步优选，所述截平面间的夹角α为60°～90°。

进一步优选，所述圆弧螺旋凹槽或圆弧直凹槽的数量为3个，间隔120°均布，凹槽的宽度为1-3mm，深度为1-2mm；圆弧直凹槽(7)的中心线与搅拌针侧面的3个截平面的中心线相交；圆弧螺旋凹槽(4)的螺旋线柱坐标方程为式(2)，其中参数a和参数b的取值根据搅拌针端部直径大小以及保证凹槽的螺旋中心线与搅拌针侧面的3个截平面的中心线相交，螺旋旋向与搅拌针螺纹旋向对应，

r＝t×a，θ＝b-t×720，z＝0(2)。

根据搅拌摩擦焊接的原理，弱连接及根部未焊透的根本原因是焊缝根部热输入不足，使得材料塑化及流动不充分所致。当前采用的搅拌头，轴肩直径一般设定为焊接厚度的3倍，同时匹配直径相对较小、锥度相对较大的搅拌针，使得工件正面焊缝热输入过大而背面焊缝热输入较小，尤其是搅拌针端部尺寸较小且为简单的平面或凸面结构，产生的搅拌作用较弱，不利于根部材料的塑化和流动，加剧了弱连接及根部未焊透缺陷的产生；同时，随着焊接厚度的增加，当前采用的搅拌头对焊透深度的适应性越差，弱连接及根部未焊透缺陷越严重。

由于搅拌头是焊接过程的唯一产热机构，通过优化设计搅拌头尤其是搅拌针端部结构提高焊缝根部热输入以促进材料塑化及流动、提高焊透深度、解决弱连接及根部未焊透缺陷的有效途径。

本发明搅拌针端部的平面加工出3个均布的螺旋或直线的圆弧凹槽结构，相较于现有搅拌头，增大了搅拌针端部与焊缝金属的摩擦面积，增强了根部焊缝材料搅拌能力，提高根部焊缝金属温度，促进根部焊缝材料的塑化和流动，提高焊透深度，能有效防止焊缝根部弱连接及未焊透缺陷。

本发明协调考虑了搅拌针的锥度及端部尺寸和其侧面3个截平面的位置、深度及角度5个因素的匹配，相较于现有搅拌头，采用了相对较小的搅拌针锥度和较大的端部直径，并规定了其侧面3个截平面的特征，能最大化促进搅拌针与工件焊缝材料充分搅拌和提供充足热源，改善厚板焊接时温度梯度大、焊缝金属流动不充分的问题；同时，搅拌针所受应力最小，提高搅拌针的使用寿命。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，能够稳定焊透比搅拌针长大0.8mm及以上的工件厚度，相较于现有搅拌头在相同工艺条件下仅能焊透比搅拌针长大0.3mm的工件厚度大幅提升，避免现有无损检测方法无法有效检出的根部焊缝弱连接及未焊透等严重影响接头性能的缺陷，尤其在生产过程中能显著提升搅拌头对工件板厚波动的适应性，显著提高搅拌头搅拌针的针长设计阈度，实际生产中可显著减少某一产品焊接厚度相近的搅拌头数量，降低成本。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明搅拌针局部结构示意图；

图3为本发明搅拌针端部圆弧螺旋凹槽结构示意图；

图4为图3局部放大结构示意图；

图5为本发明搅拌针端部圆弧直凹槽结构示意图；

图6为图5局部放大图；

图7为本发明搅拌针侧面螺纹根部结束位置m示意图；

图8为本发明螺纹结束位置m与搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘的位置关系示意图；

图9为本发明焊接过程示意图。

图中：1、搅拌针，2、轴肩，3、夹持部位，4、圆弧螺旋凹槽，5、螺纹，6、截平面，7、圆弧直凹槽，8、被焊接件，m、搅拌针根部螺纹结束位置，l、搅拌针长度，d、端部直径，γ、锥度，h、轴肩下入量，w、搅拌头的旋转速度，v、搅拌头前进速度，α、搅拌针侧面截平面夹角，d、轴肩直径，β、搅拌摩擦焊接时搅拌头倾角，δ、被焊接件厚度，τ、搅拌针端部与被焊接件背面距离。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，针对焊接厚度δ为8.5mm的2219t87态铝合金，搅拌针为带3个截平面的螺纹结构，3个截平面间隔120°均布，搅拌针根部螺纹结束位置m包含在搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘内0.5mm，截平面夹角α为86°，搅拌针锥度γ为12°，搅拌针长度l为7.8mm，按照式(1)计算搅拌针端部直径d为7.4mm，搅拌针端部的平面加工出间隔120°均布的圆弧螺旋凹槽结构，圆弧螺旋凹槽的螺旋线柱坐标方程为式(2)，其中a＝30、b＝10，凹槽宽度2mm、深度1mm；按照行业内常用的设计原则，采用搅拌头轴肩直径d为24mm、内凹为7°的光平面结构。采用上述搅拌头在转速w为600r/min、焊接速度v为200mm/min、下压量h为0.2mm、倾角β为2.5°的常规工艺参数组合进行焊接，截取接头焊缝截面制备金相试样，未观察到弱连接及未焊透等缺陷，焊接质量及接头性能满足要求，可以稳定焊透厚度δ为8.5mm的2219t87态铝合金。按照上述搅拌头结构及焊接倾角建立图9所示焊接过程搅拌头与被焊接件的三维模型，可测出厚度方向上搅拌针端部与被焊接件背面距离τ为0.89mm，即焊透深度比搅拌针长度l大0.89mm。

对比例1：利用搅拌针长度l同为7.8mm的现有搅拌头在实施例1相同工艺参数下焊接厚度δ为8.5mm的2219t87态铝合金，截取接头焊缝截面制备金相试样，观察发现根部焊缝存在0.4mm深度的弱连接及未焊透缺陷，即相同搅拌针长度的现有结构搅拌头仅能焊透8.1mm深度。

实施例2：

一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，该搅拌头与实施例1的区别仅在于搅拌针端部的平面加工出间隔120°均布的圆弧直凹槽结构，凹槽宽度2mm、深度1mm。采用上述搅拌头在转速w为600r/min、焊接速度v为200mm/min、下压量h为0.2mm、倾角β为2.5°的常规工艺参数组合下稳定焊透δ为8.5mm厚度2219t87态铝合金，焊透效果与实施例1相当。

实施例3：

一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，针对焊接厚度δ为15mm的2219t87态铝合金，该搅拌头与实施例1区别仅在于搅拌针长度l为14.4mm，按照式(1)计算搅拌针端部直径d为11mm，端部圆弧螺旋凹槽的螺旋线柱坐标方程式(2)中a＝25、b＝56，凹槽宽度2.5mm、深度1.5mm，搅拌针侧面平截面间的夹角α为80°，轴肩直径d为30mm。采用上述搅拌头在转速w为400r/min、焊接速度v为150mm/min、下压量h为0.4mm、倾角β为2.5°的常规工艺参数组合进行焊接，截取接头焊缝截面制备金相试样，未观察到弱连接及未焊透等缺陷，焊接质量及接头性能满足要求，可以稳定焊透厚度δ为15mm的2219t87态铝合金。按照上述搅拌头结构及焊接倾角建立图9所示焊接过程搅拌头与被焊接件的三维模型，可测出厚度方向上搅拌针端部与被焊接件背面距离τ为0.86mm，即焊透深度比搅拌针长度大0.86mm。

对比例2：利用搅拌针长度同为14.4mm的现用搅拌头，在相同工艺参数下焊接15mm厚度2219t87态铝合金，截取焊缝截面制备金相试样，观察发现根部焊缝存在0.6mm深度的弱连接及未焊透缺陷，即相同搅拌针长度的现有结构搅拌头仅能焊透14.4mm深度。

实施例4：

一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，该搅拌头与实施例3区别仅在于搅拌针端部的平面加工出的圆弧直凹槽结构，凹槽宽度2.5mm、深度1.5mm。采用上述搅拌头在转速w为400r/min、焊接速度v为150mm/min、下压量h为0.2mm、倾角β为2.5°的常规工艺参数组合下稳定焊透厚度δ为15mm的2219t87态铝合金，焊透效果与实施例3相当。

从图7、8可以看出，搅拌针侧面螺纹在搅拌针根部的结束位置与搅拌针侧面截平面的位置关系，即根部螺纹结束位置在沿搅拌头旋转方向的任意一个截平面前进边缘1mm以内。

从实施例及对比例的数据可以看出，本发明的搅拌摩擦焊接搅拌头，在相同工艺参数的情况下，焊透效果明显好于现有技术。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。