一种新型静轴肩搅拌摩擦焊接工具的制作方法

本实用新型属于焊接技术领域，具体是涉及一种新型静轴肩搅拌摩擦焊接工具。

背景技术：

搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型固相连接技术，是1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute, TWI)实用新型的(US5460317)，该技术的原理是利用高速旋转的搅拌头插入焊缝中，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使焊缝连接区处于热塑性状态，在搅拌头搅拌和挤压作用下被连接在一起，搅拌头向前行进，而在搅拌头的后方则形成焊缝，从而完成固相连接。

搅拌头作为搅拌摩擦焊接技术的核心部分，通过摩擦提供搅拌摩擦焊接过程中所需的热量，是焊缝区域热塑性材料实现定向转移的载体。作为一种固相连接技术，由于搅拌头的旋转、挤压作用导致焊接过程中塑性金属材料溢出焊缝区外，形成特有的“飞边”现象，导致焊缝略低于母材，从而影响接头性能和焊接表面质量。目前，去除飞边的常用工艺为焊后机械打磨，但费时费力，降低了生产效率，且极易损伤被焊工件表面质量。

搅拌头是实现搅拌摩擦焊的关键技术，国内外相关研究机构在搅拌头的形状设计、材料选取及加工工艺等方面都进行了大量的研究。目前，消除飞边的方式主要有两种。其一，改变搅拌头轴肩的端面平面，如端面为平面（参见国际专利申请W093110935)、内凹形或螺旋线等结构（参见中国专利申请CN1144499A）中；其二，在搅拌头上另加工一装置或结构，如添加切削头（参见中国专利申请CN101176945）或轴肩外缘加工成切削槽（参见中国专利申请CN201310046184）。但是，这两种方式都不能很好地消除飞边，方式一可减少飞边量，但不能彻底消除飞边，方式二因飞边温度较高而粘着在搅拌头上造成焊缝表面质量较差。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有搅拌摩擦焊接过程中存在的焊缝减薄和飞边的问题，提供一种结构可靠、操作容易、使用效果好，能够方便实现焊缝无减薄和无飞边的新型静轴肩搅拌摩擦焊接工具。

本实用新型的技术方案是这样实现的：

本实用新型所述的新型静轴肩搅拌摩擦焊接工具，其特点是：包括搅拌头、双列圆锥滚子轴承和静轴肩套，所述双列圆锥滚子轴承的内圈套接在搅拌头上并与搅拌头过盈配合连接，其外圈置于静轴肩套内并与静轴肩套过盈配合连接，所述搅拌头的下端设有搅拌针，所述搅拌针的上端设有轴肩，所述搅拌针穿过静轴肩套的中心通孔并使轴肩凸出于静轴肩套的下端面一定距离，所述搅拌头通过其上的夹持柄与焊接设备的动力装置相连接并在焊接设备的动力装置的带动下旋转及移动，焊接时所述搅拌针扎入被焊工件，直至静轴肩套的下端面与被焊工件紧密接触。

在焊接过程中，为了便于排出溢出的材料，所述搅拌头与静轴肩套之间设置有导流结构。而且，所述导流结构包括设置在搅拌头上且位于轴肩上端的导流体、设置在静轴肩套的中心通孔内用于与导流体配合使用的导流槽及设置在静轴肩套上且与导流槽相连通的导流孔。其中，所述导流体为同心环槽、螺纹槽或螺旋线槽。

为了进一步提高焊接效果，所述轴肩凸出于静轴肩套的下端面的距离为0.1～0.8mm。

为了确保使用可靠，所述轴肩的外径与静轴肩套的中心通孔的内径之间预留有0.05～0.5mm的间隙。

为了保证静轴肩套的下端面与工件表面紧密贴合，所述静轴肩套的下端面加工成具有倒角的平滑过渡面。

为了确保静轴肩套的下端面与待焊接头的形状相适应，以提高两者的贴合度，所述静轴肩套的下端面设置为平面结构、不等厚结构、阶梯型结构或不规则结构。

为了进一步提高本实用新型的使用寿命，所述静轴肩套上设置有散热维护孔槽。

为了使双列圆锥滚子轴承的连接及使用可靠，所述搅拌头上设置有连接柱和定位台阶，所述双列圆锥滚子轴承套接在该连接柱上并通过定位台阶实现定位。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点：

一、搅拌摩擦焊接过程中可以有效避免飞边的产生，获得高质量、表面光滑的焊缝；

二、通过静轴肩套可实现对塑化材料的挤压作用，使多余的飞边材料挤入焊缝，避免了焊缝因下压量而产生的减薄，可提高接头的综合力学性能；

三、本实用新型提出的焊接工具为组合结构，可以方便拆卸或者更换易损耗零件（例如：搅拌头、轴承和静轴肩套）；

四、采用本实用新型所提出的焊接工具，焊接过程无飞边且表面光滑，大大提高了生产效率；

五、焊接过程可实现无倾角焊接，可明显简化焊接设备主轴结构。

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。

附图说明

图1 为本实用新型的立体结构示意图。

图2 为本实用新型的分解结构示意图。

图3 为本实用新型所述搅拌头的结构示意图。

图4 为本实用新型所述静轴肩套的剖开结构示意图。

图5 为本实用新型所述静轴肩套端面平板对接结构示意图。

图6 为本实用新型所述静轴肩套端面不等厚对接结构示意图。

图7 为本实用新型所述静轴肩套端面阶梯对接结构示意图。

具体实施方式

如图1-图7所示，本实用新型所述的新型静轴肩搅拌摩擦焊接工具，包括搅拌头1、双列圆锥滚子轴承2和静轴肩套3。其中，搅拌头1由下往上依次包括：搅拌针11、轴肩12、导流体13、连接柱14、定位台阶15和夹持柄16，而且组成搅拌头1的各部段可以加工成一体，也可以加工成分体式再采用螺纹或其它方式连接在一起。同时，在夹持柄16上设置有便于其安装到焊接设备的动力装置上的夹持面17。并且，双列圆锥滚子轴承2的内圈是套接在搅拌头1的连接柱14上并与连接柱14过盈配合连接，同时双列圆锥滚子轴承2是通过定位台阶15实现固定。导流体13可以是流线形结构体，也可以是同心环结构体。具体地，导流体13为同心环槽、螺纹槽或螺旋线槽。

双列圆锥滚子轴承2的外圈则是置于静轴肩套3内并与静轴肩套3过盈配合连接。静轴肩套3由一大套筒和一小套筒连接而成，大套筒与小套筒可以是一体成型，也可以是分体加工后再通过连接件或连接结构组装在一起。其中，大套筒套接在双列圆锥滚子轴承2的外圈上，而搅拌针11是在搅拌头1的带动下由大套筒穿入，并沿小套筒上开设的中心通孔31穿出，直至搅拌头1上的轴肩12凸出于小套筒的下端面32的距离为0.1～0.8mm，该值为压入量。而且，轴肩12的外径与中心通孔31的内径之间预留有0.05～0.5mm的间隙。同时，在小套筒的中心通孔31的孔壁上开设有用于与导流体13配合使用的导流槽33，该导流槽33为环形槽。在小套筒的侧壁上则开设有与导流槽33相连通的导流孔34，在本实施方式中，导流孔34等间隔环设有至少三个，而且导流孔34可以为圆孔，也可以为长方形孔。通过导流体13、导流槽33和导流孔34组成导流结构，从而使焊接过程中溢出的材料便于排出，确保焊接效果。为了进一步提高本实用新型的使用寿命，在静轴肩套3的大套筒上等间隔地环设有多个散热维护孔槽35。

为了使静轴肩套3的下端面32与被焊工件的表面贴合紧密，且适应性强，静轴肩套3的下端面32加工成具有倒角的平滑过渡面。而且，静轴肩套3的下端面32的形状及尺寸可根据被焊工件的待焊处的形状及尺寸进行相应设置，以实现不规则接头的焊接。例如：将静轴肩套3的下端面32设置为平面结构（如图4所示）、不等厚结构（如图5所示）、阶梯型结构（如图6所示）或不规则结构。焊接时，焊接工具可垂直于被焊工件的表面，也可以保持一定的焊接倾角，焊接倾角范围可以为1.5～5º，根据倾角度数相应调整静轴肩套3的下端面32平滑过渡平面角度，以保证静轴肩套3的下端面32与被焊工件的表面紧密贴合。

本实用新型所述的焊接工具，是通过夹持柄16与焊接设备的动力装置相连接且在焊接设备的动力装置的带动下高速旋转并沿焊接位置移动，即焊接工具的轴心线为转轴，焊接工具绕其转轴高速旋转的同时，沿其被焊位置移动，搅拌针11扎入被焊工件至轴肩12嵌入工件为0.1～0.8mm，即静轴肩套3的下端面32与被焊工件的表面紧贴，从而对被焊工件的待焊区域施加压力，这样就能够通过摩擦和剧烈塑性变形产热使待焊区域的材料达到塑化状态。

通过本实用新型所述的焊接工具进行焊接，其具体步骤如下：

步骤一，将焊接工具通过其夹持柄16连接在焊接设备的动力装置上；

步骤二，将被焊工件安装固定在工装夹具上，并将搅拌头1的搅拌针11置于被焊工件的焊缝处；

步骤三，启动焊接设备转动，焊接工具在焊接设备的动力装置的带动下高速旋转，搅拌头1的搅拌针11扎入被焊位置直至轴肩12嵌入工件，根据被焊工件的待焊厚度，轴肩12嵌入深度为0.1～0.8mm，并且扎入直至静轴肩套3的下端面32与工件的表面紧贴；

步骤四，焊接工具在焊接设备的动力装置带动下高速旋转的同时沿待焊焊缝移动，使搅拌头1的搅拌针11和轴肩12与被焊工件的待焊处摩擦产生热量，从而使待焊处的材料达到塑化状态，且塑化后的材料在搅拌头1的轴肩12和静轴肩套3的下端面32的挤压作用下实现融合，最终实现被焊工件待焊处的固相连接。

本实用新型是通过实施例来描述的，但并不对本实用新型构成限制，参照本实用新型的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本实用新型权利要求限定的范围之内。