适用于高速搅拌摩擦焊接的大轴肩搅拌头及焊接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种大轴肩搅拌头及焊接方法，具体涉及一种适用于高速搅拌摩擦焊 接的大轴肩搅拌头及焊接方法。
【背景技术】
[0002] 英国焊接研究所于1991年发明了一种新型的固相连接技术一搅拌摩擦焊，它有 效避免了传统熔焊方法熔池凝固过程中所产生的裂纹和气孔等焊接缺陷，容易获得无缺陷 的高质量接头，因此得到了迅速发展和广泛应用，尤其适合于焊接铝合金等低熔点轻金属 材料。
[0003] 搅拌摩擦焊接过程中轴肩与工件摩擦产热占到总产热的80-90%，但搅拌头尺寸 设计尚无一套成熟理论，大多根据经验设计，受限于此，目前国内外对3mm及以上的铝合金 中厚板材进行焊接时所采用搅拌头的轴肩直径一般为板厚的2-3倍，采用该类常规轴肩搅 拌头的焊接速度最高不超过l〇〇〇mm/min。当进行高速〇 1500mm/min)搅拌摩擦摩擦焊接 时，常规轴肩搅拌头产热不足的问题便凸显出来，会造成塑化金属含量不足，在焊缝内部形 成孔洞缺陷，甚至是产生严重的表面沟槽。
[0004] 综上，目前进行中厚板焊接时所采用的常规轴肩搅拌头难以实现高速搅拌摩擦焊 接，严重影响了焊接效率乃至产品的生产周期，制约了搅拌摩擦焊技术的推广应用。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为了解决目前常规轴肩难以实现中厚板高速搅拌摩擦焊接的问 题，进而提出一种适用于高速搅拌摩擦焊接的大轴肩（直径为板厚的5倍以上）搅拌头及 焊接方法。
[0006] 本发明提供的一种适用于高速搅拌摩擦焊接的大轴肩搅拌头包括夹持区、轴肩和 搅拌针，夹持区中心、轴肩圆心和搅拌针中心同轴设置；轴肩为直径D1大于被焊工件厚度5 倍以上的大轴肩，轴肩平面上加工有不同于常规等槽深阿基米德螺旋槽的变槽深阿基米德 螺旋槽，变槽深阿基米德螺旋槽的曲线方程为P=a+bθ，p为极径，Θ为极角，表示阿基 米德螺旋线转过的总度数，a为Θ= 〇时的极径，b为阿基米德螺旋线系数，表示每旋转1 度时极径的变化量，变槽深阿基米德螺旋槽由内向外顺时针加工（如图1轴肩1-2的仰视 图所示），变槽深阿基米德螺旋槽的起始处深度为〇. 4-0. 6_，变槽深阿基米德螺旋槽的结 尾处深度为〇. 8-1. 2mm，槽深连续递增；搅拌针为锥形搅拌针，搅拌针的根部直径D2大于搅 拌针的端部直径D3,搅拌针侧面加工有不同于常规单螺纹的两套锥螺纹，第一套锥螺纹的 导程为2-4mm，第二套锥螺纹的导程为10-15mm，第一套锥螺纹和第二套锥螺纹的旋转方向 均为右旋。
[0007] 本发明提供的一种高速搅拌摩擦焊接方法包括以下步骤：
[0008] 步骤一、大轴肩搅拌头各尺寸的确定：
[0009] 根据第一被焊工件和第二被焊工件的厚度确定轴肩直径、搅拌针根部直径、搅拌 针端部直径和搅拌针长度；其中轴肩直径为第一被焊工件和第二被焊工件厚度的5-10倍， 搅拌针根部直径为第一被焊工件和第二被焊工件厚度的2-4倍，搅拌针端部直径为第一被 焊工件和第二被焊工件厚度的1-3倍，搅拌针长度为第一被焊工件和第二被焊工件厚度的 0· 8-1. 0 倍；
[0010] 步骤二、被焊工件的装卡：
[0011] 将第一被焊工件与第二被焊工件用卡具固定在工作台上，使第一被焊工件和第二 被焊工件对接设置且位于同一水平面上；
[0012] 步骤三、搅拌头的定位：
[0013] 调整搅拌头的端部中心与第一被焊工件和第二被焊工件的对接面重合，且搅拌头 的端部中心距第一被焊工件和第二被焊工件的端面为轴肩半径的1-3倍。
[0014] 步骤四、下扎参数的确定：
[0015] 搅拌头扎入第一被焊工件和第二被焊工件的对接面，直至到达目标深度；其中搅 拌头的旋转速度范围为100_3000r/min，搅拌头的下扎速度范围为5-40mm/min，轴肩扎入 被焊工件的深度范围为〇. 1-1. ;
[0016] 步骤五、行进参数的确定：
[0017] 搅拌头沿第一被焊工件和第二被焊工件的对接面水平方向移动，直至完成 焊接工作；其中搅拌头的旋转速度范围为100-3000r/min，搅拌头的行进速度范围为 1500-4000mm/min。
[0018] 本发明与现有技术相比具有以下效果：
[0019] 1、本发明突破了传统搅拌头设计时轴肩尺寸约为板厚3倍以内的经验限制，设计 了轴肩尺寸大于板厚5倍以上的大轴肩搅拌头，与常规轴肩搅拌头相比在相同焊接参数下 热输入提高2倍以上，使其能够为焊接速度1500mm/min以上的高速搅拌摩擦焊接提供足够 的热输入以保证足够的塑化金属含量；轴肩平面加工有阿基米德螺旋槽，考虑到塑性材料 在沿螺旋槽流动过程中流动能力逐渐减弱的趋势，本发明设计了从外至内槽深连续变浅的 变槽深阿基米德螺旋槽，与等槽深的阿基米德螺旋槽相比能够明显提高塑性材料的流动均 匀性，有利于形成均匀、致密的美观焊缝；搅拌针侧面加工有两套导程不同的锥螺纹，与传 统单螺纹相比，能够大幅促进塑性材料在厚度方向的流动能力，可以有效降低焊缝底部形 成缺陷的可能性。
[0020] 2、采用本发明所提出的焊接速度大于1500mm/min的高速搅拌摩擦焊接方法，能 够显著提高焊接效率乃至产品的生产周期，所得接头的焊缝成形良好，无未焊合和孔洞等 焊接缺陷产生，且具有较高的力学性能。
[0021] 总之，与现有常规轴肩搅拌头相比，本发明所设计的大轴肩搅拌头实现了中厚板 的高速搅拌摩擦焊接，获得了无缺陷的高质量接头，具有良好的理论研究价值和商业应用 价值。
【附图说明】
[0022] 图1是本发明所设计搅拌头剖面图，其中1为搅拌头，1-1为搅拌头的夹持区，1-2 为搅拌头的轴肩，1-3为搅拌头的搅拌针。
[0023] 图2是轴肩仰视图。
[0024] 图3是搅拌针正视图。
[0025] 图4是本发明中进行搅拌摩擦焊接的整体过程示意图，其中2-1为第一被焊工件， 2-2为第二被焊工件。
[0026] 图5是本发明搅拌摩擦焊接过程中搅拌头与第一被焊工件和第二被焊工件的相 对位置横截面示意图。
[0027] 图6是本发明搅拌摩擦焊接后所得接头的横截面宏观形貌。
[0028] 图7是本发明搅拌摩擦焊接后所得接头的力学性能柱状图（左侧纵坐标为抗拉强 度/MPa，右侧纵坐标为断后伸长率/%，第一组柱状图为母材的抗拉强度/MPa和断后伸长 率/ %;第二组柱状图为FSW接头的抗拉强度/MPa和断后伸长率/ %;每组的两个柱状顺序 依次表示：抗拉强度/MPa和断后伸长率/ %)。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0029] 一：结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种适用于 高速搅拌摩擦焊接的大轴肩搅拌头，大轴肩搅拌头包括夹持区1-1、轴肩1-2和搅拌针1-3， 夹持区1-1中心、轴肩1-2圆心和搅拌针1-3中心同轴设置；轴肩1-2为直径D1大于被焊 工件厚度5倍以上的大轴肩，轴肩1-2平面上加工有不同于常规等槽深阿基米德螺旋槽的 变槽深阿基米德螺旋槽，变槽深阿基米德螺旋槽的曲线方程为P =a+b0，p为极径，Θ 为极角，表示阿基米德螺旋线转过的总度数，a为Θ= 〇时的极径，b为阿基米德螺旋线系 数，表示每旋转1度时极径的变化量，变槽深阿基米德螺旋槽由内向外顺时针加工（如图1 轴肩1-2的仰视图所示），变槽深阿基米德螺旋槽的起始处深度为0. 4-0. 6_，变槽深阿基 米德螺旋槽的结尾处深度为〇. 8-1. 2mm，槽深连续递增；搅拌针1-3为锥形搅拌针，搅拌针 1-3的根部直径D2大于搅拌针的端部直径D3,搅拌针1-3侧面加工有不同于常规单螺纹的 两套锥螺纹，第一套锥螺纹的导程为2-4mm，第二套锥螺纹的导程为10-15mm，第一套锥螺 纹和第二套锥螺纹的旋转方向均为右旋。
[0030] 【具体实施方式】二：结合图1说明本实施方式，本实施方式中轴肩1-2平面上所加工 阿基米德螺旋槽的曲线方程为
螺旋槽起始处深度为〇. 5_，螺旋槽结尾处深 度为1. 0mm;搅拌针1-3侧面第一套锥螺纹导程为2mm，第二套锥螺纹导程为12mm。其它组 成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0031] 本实施方式的技术效果是：大轴肩搅拌头能够保证在高速搅拌摩擦焊接过程中产 生足够的热输入形成足够的塑性金属；搅拌头逆时针旋转时阿基米德螺旋槽的存在会将塑 性金属自螺旋槽结尾处沿螺旋槽向螺旋槽起始处引导，而随着流动距离的增加塑化金属的 流动能力会不断下降，螺旋槽的槽深逐渐变浅迎合了塑性金属流动逐渐变弱的趋势，使得 螺旋槽内各个位置塑性金属的流动更为均匀，有利于形成均匀、致密的美观焊缝；螺纹的存 在使得搅拌针侧面从平面变为曲面，表面积的增加意味着摩擦产热面积的增加即热输入的 提高，可以提高搅拌针作用区塑性金属的流动能力，而两套导程不同的螺旋槽则使得热输 入提高和塑性金属流动能力增强的效果更佳显著，将螺旋槽设置为右旋是因为在焊接过程 中螺旋槽的曲面对塑性金属施加一个垂直于曲面向下的分力，增强了塑性金属在厚度方向 尤其是向下运动的趋势，可以有效降低焊缝底部形成缺陷的可能性。
【具体实施方式】 [0032] 三：结合图4至图5说明本实施方式，本实施方式所述的一种高速搅 拌摩擦焊接方法，其特征在于它包括以下步骤：
[0033] 步骤一、大轴肩搅拌头各尺寸的确定：
[0034] 根据第一被焊工件2-1和第二被焊工件2-2的厚度h确定轴肩1-2的直径D1、搅 拌针1-3的根部直径D2、搅拌针1-3的端部直径D3和搅拌针1-3的长度L;其中轴肩1-2 的直径D1为第一被焊工件2-1和第二被焊工件2-2厚度h的5-10倍，搅拌针1-3的根部 直径D2为第一被焊工件2-1和第二被焊工件2-2厚度h的2-4倍，