专利名称：一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，涉及固相焊接技术领域，尤其涉及一种针对搅拌摩擦焊不同板厚的组合式搅拌头的设计。
背景技术：
搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型的固相连接技术，具有焊缝质量好、热影响区残余应力和残余变形小、焊接温度低(小于母材熔点)等优点。搅拌摩擦焊接方法已获得世界范围内的专利保护(W093110935)。FSW技术依靠高速旋转搅拌头与两焊件接触面产生的摩擦热，使接缝处金属产生塑性软化区，其中旋转搅拌头周围塑性软化区金属受到搅拌、挤压，以形成塑性金属流动。搅拌头是搅拌摩擦焊所采用的一种非消耗的可转动的焊接工具，其主要有轴肩和搅拌针组成。在焊接过程中，搅拌头具有与其周围材料摩擦产热、破碎工件表面氧化层、转移塑性流变材料等作用。因此，搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心，其结构设计是否合理直接影响着摩擦热源的产生、塑性金属的流动，决定了搅拌摩擦焊接头的机械性能，对于搅拌摩擦焊能否在更大范围内的应用有着决定性的影响作用。在焊接过程中，搅拌头与工件相对运动时需要克服很大的阻力，所以搅拌头的磨损较严重，而目前使用较多的搅拌头多为一体式结构，磨损后需对整个搅拌头进行更换， 造成材料的浪费和生产成本的增加。且一体式的搅拌头在对不同厚度的或不同材料的板材进行焊接时，需多次拆卸安装，并重复对位，导致焊接速度慢，生产效率低。而目前报道的有关分体组合式搅拌头的设计，主要采用的方案有两种一是在专利US006139985A及 CN101559535中，采用将搅拌针与轴肩分离的方案，简化了搅拌针磨损后的再制造过程，降低了加工制造成本，但由于搅拌针直径尺寸很小，导致在焊接时搅拌针与轴肩连接处由于应力集中而易发生断裂损坏；二是在专利CN101559533中，通过将工作部段与夹持部段分离的方式，在一定程度上解决了搅拌头焊接不同厚度试样的问题，但由于工作部段与夹持部段之间配合精度要求较高，不仅加工要求高，而且易造成较大的装配应力，且不易于长时间使用，会产生较大间隙，影响焊接质量。根据对相关文献的检索，尚没有报道涉及一种组合套筒式的搅拌头。
发明内容
要解决的技术问题为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，可以降低搅拌头的加工制造成本，提高焊接不同厚度板材时搅拌头更换效率。本发明的思想在于针对不同板厚的组合搅拌摩擦焊搅拌头，该组合式搅拌头由中心基体和套筒组成，其中中心基体包括夹持体、挡肩、螺纹连接柱、中心基体轴肩以及中心基体搅拌针。套筒包括套筒夹持部分、螺纹连接孔、套筒轴肩和套筒搅拌针。套筒与中心基体通过螺纹配合连接。中心基体与套筒均为一体成型，且中心基体可作为独立的搅拌头对薄板进行焊接，套筒外部有两个互相平行的平面作为套筒夹持部分，用于对套筒进行装卸。螺纹连接柱的外表面有螺纹与螺纹连接孔内表面螺纹相配合。套筒针对不同的板材厚度，对应有一系列不同的尺寸。技术方案一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于包括中心基体1 和套筒2 ；所述中心基体1包括夹持体3、挡肩4、螺纹连接柱5、中心基体轴肩6和基体搅拌针7 ；在圆柱型夹持体3的下端为挡肩4，挡肩4的下端为螺纹连接柱5，螺纹连接柱5连接具有斜面结构的中心基体轴肩6，中心基体轴肩6中心设有基体搅拌针7 ；所述套筒2包括套筒夹持体8、螺纹连接孔9、套筒轴肩10和套筒搅拌针11 ；所述套筒2包括套筒夹持体8， 螺纹连接孔9，套筒轴肩10和套筒搅拌针11 ；套筒夹持8外表面为两个用于夹持的互相平行的平面，内部设有螺纹连接孔9，螺纹连接孔9下方为具有斜面结构的套筒轴肩10，在套筒轴肩10的中心设有套筒搅拌针11 ；中心基体1和套筒2的连接关系为中心基体1同轴插入套筒2中，螺纹连接柱5与螺纹连接孔9上分别有配合的内外螺纹，通过螺纹连接柱5 与螺纹连接孔9螺纹配合后中心基体轴肩6与套筒夹持体8连接，基体搅拌针7与套筒搅拌针11同轴连接。所述中心基体搅拌针7和套筒搅拌针11为柱形光头、柱形螺纹、锥形光头或锥形螺纹形式。所述中心基体搅拌针7和套筒搅拌针11采用低碳钢、不锈钢、高速钢和高温合金。当中心基体搅拌针7长度为2. 5mm、中心基体轴肩6直径为8mm时，所述套筒搅拌针11长度变化范围为4 10mm，套筒轴肩10直径为8 24mm。有益效果本发明提出的一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，与其他组合式搅拌头相比，本发明由搅拌针与套筒为一体化设计，搅拌针根部的应力集中较小，且中心基体与套筒之间采用螺纹连接，结构简单紧凑，装配方便、应力小，焊接过程中搅拌头受力较为均勻，力学性能较好。此外，在加工过程中，中心基体通用，只需加工一系列不同尺寸参数的套筒即可，无需加工多个整体的搅拌头，因而节省加工材料。在焊接过程中若发生搅拌头磨损，仅需对套筒进行更换而中心基体仍可继续使用。针对不同材料或不同厚度的板材进行焊接时，只需更换不同尺寸的套筒，夹持部分及中心基体无需更换，节约了搅拌头装卸时间，提高了焊接效率。同时，中心基体与套筒可以选用异种材料，以适应多种材料的焊接。
图1 中心基体和套筒装配方式示意图；图2 中心基体设计结构示意图；图3 套筒设计结构示意图；图4:套筒俯视图；1-中心基体；2-套筒；3-夹持体；4-挡肩；5-螺纹连接柱；6_中心基体轴肩；7_基体搅拌针；8-套筒夹持体；9-螺纹连接孔；10-套筒轴肩；11-套筒搅拌针。
具体实施例方式现结合实施例、附图对本发明作进一步描述根据被焊接材料不同，中心基体搅拌针7和套筒搅拌针11可采用低碳钢、不锈钢、 高速钢以及高温合金等不同的材料制作，且中心基体1与套筒2材料可不同。中心基体搅拌针7和套筒搅拌针11可为柱形光头、柱形螺纹、锥形光头和锥形螺纹等不同形式。本实施例中，中心基体1上的中心基体搅拌针7长度为h = 2. 5mm,中心基体轴肩6直径为D = 8mm,套筒2上的套筒搅拌针11长度变化范围为h = 4 10mm，套筒轴肩10直径可取D = 8 24mm。在中心基体1的螺纹连接柱5与套筒2的螺纹连接孔9上分别有配合的内外螺纹，用于中心基体1与套筒2的连接，所用的螺纹直径为M = 16mm。参照附图1、图2、图3以及图4。组合搅拌摩擦焊搅拌头由中心基体1和套筒2两部分组成，中心基体1和套筒2均为一体成型，两者通过螺纹配合；中心基体1可单独作为搅拌头使用，用于薄板的焊接。本实施例中中心基体1的结构包括夹持体3、挡肩4、螺纹连接柱5、中心基体轴肩 6和基体搅拌针7 ；在圆柱型夹持体3的下端为挡肩4，挡肩4的下端为螺纹连接柱5，螺纹连接柱5连接具有斜面结构的中心基体轴肩6，中心基体轴肩6中心设有基体搅拌针7 ；所述套筒2包括套筒夹持体8、螺纹连接孔9、套筒轴肩10和套筒搅拌针11。本实施例中套筒2的结构包括套筒夹持体8、螺纹连接孔9、套筒轴肩10和套筒搅拌针11 ；所述套筒2包括套筒夹持体8，螺纹连接孔9，套筒轴肩10和套筒搅拌针11 ；套筒夹持8外表面为两个用于夹持的互相平行的平面，用于扳手等工具的夹持以方便中心基体 1与套筒2的组合与拆卸；内部设有螺纹连接孔9，螺纹连接孔9下方为具有斜面结构的套筒轴肩10，在套筒轴肩10的中心设有套筒搅拌针11。本实施例中连接关系为中心基体1同轴插入套筒2中，螺纹连接柱5与螺纹连接孔9上分别有配合的内外螺纹，通过螺纹连接柱5与螺纹连接孔9螺纹配合后中心基体轴肩6与套筒夹持体8连接，基体搅拌针7与套筒搅拌针11同轴连接。
权利要求
1.一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于包括中心基体(1) 和套筒O)；所述中心基体(1)包括夹持体(3)、挡肩、螺纹连接柱(5)、中心基体轴肩 (6)和基体搅拌针(7)；在圆柱型夹持体C3)的下端为挡肩，挡肩(4)的下端为螺纹连接柱(5)，螺纹连接柱( 连接具有斜面结构的中心基体轴肩(6)，中心基体轴肩(6)中心设有基体搅拌针(7)；所述套筒( 包括套筒夹持体(8)、螺纹连接孔(9)、套筒轴肩(10)和套筒搅拌针(11)；所述套筒( 包括套筒夹持体(8)，螺纹连接孔(9，套筒轴肩(10和套筒搅拌针(11)；套筒夹持体(8)外表面为两个用于夹持的互相平行的平面，内部设有螺纹连接孔(9)，螺纹连接孔(9)下方为具有斜面结构的套筒轴肩(10)，在套筒轴肩(10)的中心设有套筒搅拌针(11)；中心基体(1)和套筒O)的连接关系为中心基体(1)同轴插入套筒 (2)中，螺纹连接柱( 与螺纹连接孔(9)上分别有配合的内外螺纹，通过螺纹连接柱(5) 与螺纹连接孔(9)螺纹配合后中心基体轴肩(6)与套筒夹持体(8)连接，基体搅拌针(7) 与套筒搅拌针(11)同轴连接。
2.根据权利要求1所述针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于 所述中心基体搅拌针(7)和套筒搅拌针(11)为柱形光头、柱形螺纹、锥形光头或锥形螺纹形式。
3.根据权利要求1或2所述针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于所述中心基体搅拌针(7)和套筒搅拌针(11)采用低碳钢、不锈钢、高速钢和高温合金。
4.根据权利要求1或2所述针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于当中心基体搅拌针(7)长度为2. 5mm、中心基体轴肩(6)直径为8mm时，所述套筒搅拌针(11)长度变化范围为4 10mm，套筒轴肩(10)直径为8 24mm。
全文摘要
本发明涉及一种针对不同厚度板材的组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于中心基体同轴插入套筒中，螺纹连接柱与螺纹连接孔上分别有配合的内外螺纹，通过螺纹连接柱与螺纹连接孔螺纹配合后中心基体轴肩与套筒夹持体连接，基体搅拌针与套筒搅拌针同轴连接。在加工过程中，中心基体通用，只需加工一系列不同尺寸参数的套筒即可，无需加工多个整体的搅拌头，因而节省加工材料。在焊接过程中若发生搅拌头磨损，仅需对套筒进行更换而中心基体仍可继续使用。节约了搅拌头装卸时间，提高了焊接效率。同时，中心基体与套筒可以选用异种材料，以适应多种材料的焊接。
文档编号B23K20/26GK102151979SQ20111010737
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月28日 优先权日2011年4月28日
发明者李文亚, 杨茜, 石祥虎, 蒋若蓉 申请人:西北工业大学