一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头及焊接方法
【专利摘要】本发明涉及一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头及焊接方法，在现有搅拌头的基础上增加一个切割辅助轴肩，该辅助轴肩的作用是切割去除不等厚接头中较厚侧多余的材料，而获得平整的搅拌摩擦焊焊缝。可在常规搅拌摩擦焊接设备上进行，无需对设备的机头或工装进行任何改装，大大简化了对设备和焊接方法的要求；且在焊接过程中，搅拌头的轴肩平行于零件的两侧表面，不会造成接头金属挤压不足或剪切损伤，有利于保证零件的完整性及可靠性；此外，对于厚度突变的零件，搅拌头的辅助切割轴肩也将发挥重要作用，保证零件焊接过程的顺利进行。
【专利说明】一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头及焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明属于搅拌摩擦焊接领域，涉及一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头及方法，该搅拌头易加工成型，焊接方法操作简便，接头质量高，可靠性好，易于推广应用。
【背景技术】
[0002]英国焊接研究所(The Welding Institute)发明的搅拌摩擦焊(Friction StirWelding,简称FSW，美国专利N0.5，460，317)，是一项固相连接技术。该技术为传统熔焊难以可靠解决的焊接难题提供了崭新的思路，不等厚焊接问题便是典型案例。采用传统熔焊TIG焊焊接不等厚零件，需要预先对接头进行处理，即根据工艺需求加工出特定的坡口。激光焊焊接不等厚零件，对接头焊前间隙有严格的要求。虽该两种工艺均适用于不等厚零件的焊接，但是难以避免熔焊中常见的气孔、夹杂等缺陷，以及焊后变形大的问题。搅拌摩擦焊技术的出现很好的解决了熔焊难以焊接材料及结构件的焊接问题，能够避免熔焊中常见的气孔、夹渣、裂纹等缺陷，是一种实现不等厚零件焊接的可靠方法。常规搅拌摩擦焊焊接不等厚度接头时，采用的方案是根据接头两侧母材的厚度差异，调整机头角度或工装倾角，保证焊接机头与零件呈一定倾斜角度，然后进行搅拌摩擦焊接，得到的不等厚接头成形美观、性能优异。虽然该方案可以实现不等厚接头的焊接，但在焊接过程中，需要焊接设备在具有焊接倾角的同时，还必须在垂直于焊接方向的平面内调整角度，从而保证机头与不等厚接头间存在一定倾角进而实现不等厚接头的搅拌摩擦焊接。即该方案要求机头同时满足实现两个方向调整倾斜角度的要求，对焊接设备要求较高。另外，也可以通过调整工装而满足不等厚搅拌摩擦焊接的条件，但是很多情况下，由于零件接头及产品尺寸的限制不允许工装调整一定角度，因而，上述常规搅拌摩擦焊焊接不等厚接头在工程应用过程中，均具有一定的局限性。
[0003]采用常规搅拌摩擦焊技术焊接不等厚零件，需调整焊接设备的机头或工装，同时实现搅拌头在焊接方向及垂直于焊接方向的两个方向倾斜，对设备要求较高，增加焊接的难度及成本；且在焊接过程中易存在搅拌头的轴肩对薄板侧金属挤压不足或剪切损伤，甚至导致缺陷的产生或零件的损坏，对接头性能影响较大，所以其对焊接过程的操作控制要求也较高；另外，采用传统搅拌摩擦焊技术焊接厚度突变的零件时，需分段多次焊接从而实现零件的连接，较耗时、难控制。
【发明内容】
[0004]要解决的技术问题
[0005]为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头及焊接方法。
[0006]技术方案
[0007]—种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于:切割搅拌头的辅助轴肩与轴肩端面呈3°?70°的锥面，切割辅助轴肩的高度比不等厚接头中厚度较大侧高3mm ?20mmo
[0008]所述锥面上设有螺纹，且螺纹的旋向与搅拌针上螺纹的旋向相反。
[0009]所螺纹的条数为I?6条。
[0010]一种采用所述任一项搅拌摩擦焊搅拌头的焊接方法，其特征在于步骤如下:将搅拌头置于焊接设备上，并以100?3000转/分旋转，搅拌针的轴线与不等厚对接焊缝重合，同时把不等厚接头较厚侧置于前进侧，然后焊接设备驱动搅拌头向焊接零件靠近，待搅拌头的轴肩贴实不等厚接头的厚度较小侧母材上表面时，停留2?20秒之后沿着不等厚焊缝进行搅拌摩擦焊接。
[0011]有益效果
[0012]本发明提出的一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头及焊接方法，在现有搅拌头的基础上增加一个切割辅助轴肩，该辅助轴肩的作用是切割去除不等厚接头中较厚侧多余的材料，而获得平整的搅拌摩擦焊焊缝。可在常规搅拌摩擦焊接设备上进行，无需对设备的机头或工装进行任何改装，大大简化了对设备和焊接方法的要求；且在焊接过程中，搅拌头的轴肩平行于零件的两侧表面，不会造成接头金属挤压不足或剪切损伤，有利于保证零件的完整性及可靠性；此外，对于厚度突变的零件，搅拌头的辅助切割轴肩也将发挥重要作用，保证零件焊接过程的顺利进行。
[0013]利用该焊接工具焊接不等厚零件，不需要增加主轴倾斜调整轴，也不需要调整工装，可直接进行搅拌摩擦焊接，且该焊接工具及方法也可适用于厚度渐变的零件，大大简化了不等厚零件搅拌摩擦焊接的工艺过程，显著提升搅拌摩擦焊的工程适用性。
[0014]本发明的焊接工具不仅可以降低搅拌摩擦焊接不等厚零件时对焊接设备的要求，简化焊接过程，而且还可以保证焊接接头的完整性和可靠性，提高零件的接头性能，此外，对于厚度突变的零件焊接，本发明的焊接工具也具有明显的优势。因此，本发明能有效优化不等厚零件搅拌摩擦焊接的工艺过程，简化对焊接设备的要求，提高焊接效率，保证焊接接头质量，对搅拌摩擦焊的工程应用具有很大的推动作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1:本发明搅拌头示意图
[0016]I一搅拌针,2—轴肩端面，3—切割辅助轴肩；
[0017]图2:本发明技术方案实施示意图
[0018]4一搅拌头，5—厚板，6—薄板，A—搅拌头旋转方向，B—焊接方向(搅拌头前进方向)；
[0019]图3:本发明技术方案实施2024/6082不等厚铝合金焊接接头示意图。
【具体实施方式】
[0020]现结合实施例、附图对本发明作进一步描述:
[0021]将搅拌头置于焊接设备上，并以一定转速旋转(根据被焊接材料的焊接)，搅拌针的轴线与不等厚对接焊缝重合，同时把不等厚接头较厚侧置于前进侧，然后焊接设备驱动搅拌头向焊接零件靠近，待搅拌头的轴肩端面贴实不等厚接头的薄板侧母材上表面时，停留一定时间之后沿着不等厚焊缝进行搅拌摩擦焊接。[0022]实施例一
[0023]焊接6082不等厚铝合金，母材厚度分别为5mm和7mm。
[0024]加工搅拌头轴肩直径为Φ 12mm，切割辅助轴肩的角度为45°，高度为10mm。
[0025]焊接过程:将搅拌头置于焊接设备上，并以500?1500转/分旋转，旋转方向为逆时针，待轴肩接触薄板母材上表面后，持续旋转并在工件上停留5?10秒之后，然后沿焊缝焊接。试验结果表明接头内部没有缺陷，拉伸试验件的断裂位置均在5mm母材的搅拌摩擦焊接头的热影响区。
[0026]实施例二
[0027]焊接2024不等厚招合金，母材厚度分别为2mm和4mm ；
[0028]加工搅拌头轴肩处直径为Φ 10mm，切割辅助轴肩的角度为8°，高度为14mm。
[0029]焊接过程:将搅拌头置于焊接设备上，并以800?2000转/分旋转，旋转方向为顺时针，待轴肩接触薄板母材上表面后，持续旋转并在工件上停留3?8秒之后，然后沿焊缝焊接。试验结果表面接头内部没有缺陷，拉伸试验件的断裂位置均在2mm母材侧的搅拌摩擦焊接头。
[0030]实施例三
[0031 ] 焊接2024与6082不等厚铝合金，2024铝合金厚度为4mm，6082铝合金厚度分别为
4.5mm, 5mm, 5.5mm 和 6mm。
[0032]加工搅拌头轴肩处直径为Φ 15mm，切割辅助轴肩的角度为70°，高度为20mm。
[0033]焊接过程:将搅拌头置于焊接设备上，并以600?1000转/分旋转，旋转方向为逆时针，待轴肩接触2024铝合金母材上表面后，持续旋转并在工件上停留5?10秒之后，然后沿焊缝焊接。试验结果表面接头内部没有缺陷，拉伸试验件的断裂位置在6082侧搅拌摩擦焊接头的边缘，结果如图3所示。
【权利要求】
1.一种焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于:切割搅拌头的辅助轴肩与轴肩端面呈3°?70°的锥面，切割辅助轴肩的高度比不等厚接头中厚度较大侧高3mm?20mmo
2.根据权利要求1所述焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于:所述锥面上设有螺纹，且螺纹的旋向与搅拌针上螺纹的旋向相反。
3.根据权利要求1所述焊接不等厚零件的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于:所螺纹的条数为I?6条。
4.一种采用权利要求1?3所述任一项搅拌摩擦焊搅拌头的焊接方法，其特征在于步骤如下:将搅拌头置于焊接设备上，并以100?3000转/分旋转，搅拌针的轴线与不等厚对接焊缝重合，同时把不等厚接头较厚侧置于前进侧，然后焊接设备驱动搅拌头向焊接零件靠近，待搅拌头的轴肩贴实不等厚接头的厚度较小侧母材上表面时，停留2?20秒之后沿着不等厚焊缝进行搅拌摩擦焊接。
【文档编号】B23K20/26GK103949769SQ201410186236
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年5月5日 优先权日:2014年5月5日
【发明者】李文亚, 李锦锋, 张志函, 高大路, 王卫兵 申请人:西北工业大学