一种焊后材料表面无减薄的新型搅拌摩擦焊焊具的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种焊后材料表面近无差异的新型搅拌摩擦焊焊具：其轴肩通过专用转接套与主机相连，可实现搅拌针与轴肩的动摩擦配合，搅拌针与轴肩采用分体式设计制造；搅拌针随主轴高速旋转，轴肩固定于主机头不旋转部位；搅拌针与轴肩通过轴承组实现可靠地相对运动。该焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊搅拌工具，通过轴承的选择和结构设计，保证搅拌针与轴肩实现可靠的动摩擦配合；特殊设计的基于轴肩静止的分体式搅拌针，并在端部加工斜面结构的小轴肩，小轴肩端面加工螺旋线，为焊缝金属施加顶锻力的同时收拢材料；特殊材料选择和结构设计的轴肩，降低搅拌工具前进阻力，消除飞边，确保焊缝表面成型良好。
【专利说明】一种焊后材料表面无减薄的新型搅拌摩擦焊焊具
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，具体地说，是涉及一种通过搅拌针与轴肩的分体式结构，研制出搅拌针高速旋转而轴肩不旋转的特殊焊具，从而实现被焊材料被局限在特定区域内的同时避免旋转轴肩对材料表面的影响，形成材料表面无减薄的高质量焊缝。
[0003]
【背景技术】
[0004]搅拌摩擦焊是一项新型的固相连接技术，传统的搅拌摩擦焊利用高速旋转的搅拌工具与工件之间的摩擦使周围材料塑化，塑化材料在搅拌针与轴肩作用的区域内循环流动，而后在轴肩的模锻作用下冷却形成高质量焊缝。传统搅拌摩擦焊搅拌针施焊时有3°左右的前进倾角，与搅拌针同步高速旋转的轴肩在对被焊金属材料施加模锻作用的同时，无可避免地造成被焊金属表面的减薄。搅拌摩擦焊对被焊材料表面的破坏，限制了传统搅拌摩擦焊技术的应用。
[0005]目前，TW1、WichitaState University 和 The University of Sheffield等科研单位开展了静止轴肩搅拌摩擦焊的研究，目的主要是为了防止飞边等缺陷，研究内容未服务于产品生产。对于对焊缝表面减薄量要求严格的铝合金焊接接头的焊接，目前尚缺乏可靠的搅拌摩擦焊规范的焊具确保焊后焊缝无减薄。
[0006]
【发明内容】
[0007]本发明的焊具设计为:基于轴肩静止的搅拌摩擦焊焊具由转接套、刀柄、分体式搅拌工具、静止轴肩、轴承以及锡青铜垫片组成。装配时，转接套固定在主机头不旋转的部位，轴肩通过螺钉和定位键与转接套装配，焊接过程中不旋转。刀柄则安装在主机头上，对称夹紧分体式搅拌工具，采用键承受周向扭矩。焊具设计采用2对轴承，每一对采取背对背排列的角接触球轴承，有较大的抗弯刚支承度，适合于悬臂轴的支承，能承受双向轴向载荷，通过预紧可限制轴或外壳的轴向位移。搅拌工具与轴承内壁、轴承外轴套与静止轴肩内壁均为过盈配合，避免滑动摩擦。为了防止材料进入被焊金属材料进入轴承间隙，确保轴承工况良好，在端部一组角接触球轴承与轴肩之间放置锡青铜垫片。
[0008]本发明的一种焊后材料表面无减薄的新型搅拌摩擦焊焊具，包括转接套、刀柄、搅拌针、轴肩、轴承以及铜垫片;所述刀柄则安装在主机头上，对称夹紧分体式搅拌针，采用键承受周向扭矩;所述轴肩通过专用转接套与主机相连，可实现搅拌针与轴肩的动摩擦配合；搅拌针与轴肩采用分体式设计制造;搅拌针随主轴高速旋转，轴肩固定于主机头不旋转部位;搅拌针与轴肩通过轴承实现可靠地相对运动，铜垫片设置在靠近搅拌针作用端部的一组轴承底部。
[0009]所述的搅拌工具为分体式结构，设计重点在于搅拌针结构设计以及搅拌工具与静止轴肩配合的部位。搅拌头端部设计为斜面带有小轴肩设计，斜面倾斜角度5°?20°，小轴肩端面设计为螺旋线结构，达到旋转过程中收拢材料的目的。搅拌工具与静止轴肩配合的部位为圆锥面，在圆锥面加工螺纹，使塑化材料在焊缝表面受到来自螺纹的下旋压力。
[0010]所述的静止轴肩轴肩端部设计为斜面，倾斜角度为2°，保证被焊金属区域受到来自轴肩的挤压作用的同时降低前进阻力，端面加工出特殊结构，接触被焊金属的轴肩前段加工出类似扇形的厚度为0.3mm的凹槽，降低前进阻力，轴肩端面后半段实现对被焊金属的模锻作用。
[0011]以下将结合附图对本发明的具体结构作进一步的说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
[0012]
【附图说明】
[0013]图1为本发明的焊后材料表面近无减薄的搅拌工具装配图；
图2为本发明实施例的特殊设计的搅拌针结构图。
[0014]
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。
[0016]参照图1，本发明中焊具的装配包括转接套、刀柄、搅拌工具、轴肩、轴承以及铜垫片六部分。首先装配角接触球轴承与搅拌工具，轴承安装采用背对背排列形式，与轴肩进行试装配，可调整轴承间隙，配合装配，调整至附图2中搅拌针端面斜面的中心线与轴肩端面齐平;将刀柄安装在设备主机头，主轴旋转，测量刀柄安装的同轴度，在同轴度小于0.04mm的前提下主轴停转，装配分体式搅拌工具;主轴旋转，测量搅拌针同轴度，反复调整至同轴度小于0.07mm，拧紧各紧固螺钉，主机停转。安装转接套及轴肩，测量并调整轴肩端面与转接套装配面平行度至小于0.05mm，拧紧各紧固螺钉。装配过程保证图2中加工螺纹的圆锥面与轴肩圆锥面配合间隙为0.05?0.15mm。
[0017]移动主机头至起焊位置，焊接倾角为O°C，焊接起初时搅拌工具高速旋转下压至端部斜面中心位置，微调下压入量至静止轴肩端部下端面紧贴待焊金属表面。在焊接初始位置停留约2min，执行程序，焊具沿预定轨迹施焊。
[0018]本发明可以获得焊后材料表面无减薄的高质量焊缝。所述轴承采用圆锥滚子轴承以及角接触球轴承。所述靠近搅拌针作用的端部的一组轴承采用角接触球轴承，保证相对运动的同时，确保搅拌工具的同轴度;靠近搅拌针作用端部的一组角接触球轴承底部增加3mm厚度铜垫片。所述搅拌针材料选择热作模具钢(HOTVAR)，热处理后硬度为HRC52?55。所述搅拌针头端部设计为斜面带有小轴肩设计，小轴肩直径为搅拌针端部直径的1.5?3倍;小轴肩斜面倾斜角度为5°?20 °。所述搅拌针头端部与静止轴肩配合的圆锥面上加工螺纹，搅拌针小轴肩端面设计为螺旋线结构，达到旋转过程中收拢材料的目的。所述轴肩加工材料选择氮化钢(38CrMoAl)或高锰钢，热处理后的硬度为HRC47?50。所述轴肩端部设计为斜面，倾斜角度为2。，保证被焊金属区域受到来自轴肩的挤压作用的同时降低前进阻力。所述轴肩端面加工出特殊结构，接触被焊金属的轴肩前段加工出类似扇形的厚度为0.3mm的凹槽，降低前进阻力，轴肩端面后半段实现对被焊金属的模锻作用。
【主权项】
1.一种焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于:包括转接套、刀柄、搅拌针、轴肩、轴承以及铜垫片； 所述刀柄则安装在主机头上，对称夹紧分体式搅拌针，采用键承受周向扭矩;所述轴肩通过专用转接套与主机相连，可实现搅拌针与轴肩的动摩擦配合;搅拌针与轴肩采用分体式设计制造;搅拌针随主轴高速旋转，轴肩固定于主机头不旋转部位;搅拌针与轴肩通过轴承实现可靠地相对运动，铜垫片设置在靠近搅拌针作用端部的一组轴承底部。2.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述轴承采用圆锥滚子轴承以及角接触球轴承。3.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述靠近搅拌针作用的端部的一组轴承采用角接触球轴承，保证相对运动的同时，确保搅拌工具的同轴度;靠近搅拌针作用端部的一组角接触球轴承底部增加3_厚度铜垫片。4.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述搅拌针材料选择热作模具钢，热处理后硬度为HRC52?55。5.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述搅拌针头端部设计为斜面带有小轴肩设计，小轴肩直径为搅拌针端部直径的1.5?3倍;小轴肩斜面倾斜角度为5°?20 °。6.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述搅拌针头端部与静止轴肩配合的圆锥面上加工螺纹，搅拌针小轴肩端面设计为螺旋线结构，达到旋转过程中收拢材料的目的。7.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述轴肩加工材料选择氮化钢或高锰钢，热处理后的硬度为HRC47?50。8.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述轴肩端部设计为斜面，倾斜角度为2 °，保证被焊金属区域受到来自轴肩的挤压作用的同时降低前进阻力。9.如权利要求1所述的焊后材料表面无减薄的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述轴肩端面加工出特殊结构，接触被焊金属的轴肩前段加工出类似扇形的厚度为0.3_的凹槽，降低前进阻力，轴肩端面后半段实现对被焊金属的模锻作用。
【文档编号】B23K20/12GK106077946SQ201610524886
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月6日
【发明人】沈浩然, 贾洪德, 夏佩云
【申请人】上海航天设备制造总厂