一种消除搅拌摩擦焊匙孔的搅拌头的制作方法

本发明属于金属材料加工领域，具体的说是涉及一种消除搅拌摩擦焊匙孔的搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊（frictionstirwelding,fsw）是由英国焊接研究所（theweldinginstitute,twi）于1991年提出的新型固相连接技术，和传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊具有以下优点：（1）接头质量高，不易产生气孔、裂纹等缺陷；（2）焊接成本较低，无需填充材料和保护气体，厚焊接件无需加工坡口；（3）焊接过程安全，无污染、飞溅、烟尘、噪声等，且没有严重的电磁干扰和有害物质产生，是一种环保型连接方法；（4）焊接过程中焊件被刚性固定，且固相焊时加热温度较低，焊件不易变形；（5）便于机械化、自动化操作，质量较稳定，重复性高。因此，搅拌摩擦焊接尤其对于高强铝合金的焊接具有无可比拟的优势。

焊接过程结束时会在焊缝末端留下匙孔，匙孔的存在不仅影响焊缝表面的美观性，而且也会在一定程度上降低焊缝的力学性能，因此在工程应用过程中对匙孔进行修复是非常必要的。

在对某些结构进行搅拌摩擦焊时，可在起焊和收焊的位置设置起焊板和引出板，使匙孔不留在工件上；或是在产品零件的开口处引出搅拌摩擦焊的收焊匙孔，如在舱体上的口框处引出匙孔，而后加工去除；但该方法一方面造成了材料的大量浪费，另一方面对于回转结构的环缝焊接等情况不适用，对于薄板的搅拌摩擦焊，可采用无针式搅拌头进行焊接，焊接过程中仅依靠旋转的轴肩与焊件表面金属间的相互作用产生大量的摩擦热，促进内部金属的流动与混合，从而形成固相连接接头，此法由于无搅拌针的搅拌作用，对轴肩的截面形貌要求较高，搅拌摩擦焊过程中虽然不产生匙孔，但其适用的结构具有较大局限性，同时因搅拌头与母材之间的摩擦及搅拌作用减弱，接头的力学性能大大降低，另有采用搅拌针回抽技术来消除搅拌摩擦焊接时的匙孔，但搅拌针回抽设备较为复杂，对搅拌针性能要求较高，不适用于高转速搅拌摩擦焊接。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提供了一种消除搅拌摩擦焊匙孔的搅拌头，解决高转速搅拌摩擦焊匙孔消除问题，旨在实现无匙孔搅拌摩擦焊和搅拌摩擦焊缝缺陷的准等强修复。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明是一种消除搅拌摩擦焊匙孔的搅拌头，包括夹持装置、弹簧、锥形反射面、连接件、定位键、轴肩、顶针、搅拌针和激光测距仪，

夹持装置包括弹簧定位槽、定位孔、顶针螺孔，定位孔直径略大于定位键，顶针螺孔孔径与顶针的孔径相同；

弹簧的直径与弹簧定位槽的直径相同，弹簧的内径略大于连接件上端的外径，弹簧位于连接件与夹持装置之间并且卡在夹持装置的弹簧定位槽内，

连接件包括连接件中心通孔、对称连接孔，连接件中心通孔的直径略大于夹持装置底部的直径；

锥形反射面包括反射面中心通孔、连接螺孔；反射面中心通孔的直径略大于弹簧的外径，连接螺孔位置与连接件的对称连接孔相对应，连接螺孔与对称连接孔的直径相同；

轴肩包括轴肩中心孔、轴肩定位槽、轴肩螺纹孔和搅拌针槽，轴肩中心孔的直径与连接件中心通孔的直径相同，轴肩螺纹孔与对称连接孔的位置相对应，通过螺钉与连接件紧密固定在一起；

定位键的直径略小于夹持装置的定位孔的直径，定位键的长度略小于轴肩定位槽的直径；

在施焊过程中，由轴向向下施加压力，使弹簧压紧，从而顶针将搅拌针顶出，填充入匙孔，实现匙孔的消除。

本发明利用与母材同质的细金属棒作为可消耗式搅拌针，搅拌头轴向安装有弹簧与顶针，可使搅拌头朝向母材压紧，将搅拌针压出填充入匙孔，搅拌头上安装有光滑的锥形反射面，与激光测距装置配合，可精准测出轴肩相对芯轴位移量，依据该位移量和弹簧比例系数计算轴肩与工件之间的轴向力与搅拌针的压入量，补焊过程中，轴肩与工件接触后，当相对位移量及其导数大于等于零时，继续向下施加压力，使弹簧压紧、搅拌针填入，在相对位移量与预设位移量相同时，停止下压，此时可保证补焊所需的轴向压力及足够的填充金属，为了防止轴肩过多压入工件和提高系统反应速度，当母材金属受热软化，使相对位移量导数为负时，提升搅拌头，当相对位移量为零时，即可完成补焊。

本发明的有益效果是：

（1）通过调节搅拌头下压量即弹簧压缩量结合控制系统，可在施焊过程中实时调整焊接轴向压力；（2）通过更换不同直径轴肩及搅拌针，即可适应不同尺寸匙孔的补焊；（3）弹簧压力恒定，不会因为震动导致轴向压力发生显著变化；（4）可根据锥形反射面与激光测距仪对焊接过程进行控制；（5）弹簧减震效果好，焊接噪声小、稳定性好；（6）补焊完成后仅需重新装填搅拌针，大大提高补焊效率和材料的利用率，使得匙孔补焊更高效、环保。

本发明结构简单，易于实现，可消除传统搅拌摩擦焊中匙孔，同时保持了搅拌摩擦焊技术本身所具有的高质量、高效、低成本、低变形、易于自动化、无需保护气、低能耗、对环境无污染等诸多优点，是名副其实的“绿色”补焊新方法，对提高搅拌摩擦焊焊接质量具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明夹持装置结构示意图。

图3是本发明顶针结构示意图。

图4是本发明弹簧结构示意图。

图5是本发明锥形反射面结构示意图。

图6是本发明连接件结构示意图。

图7是本发明定位键结构示意图。

图8是本发明轴肩结构示意图。

图9是本发明搅拌针结构示意图。

具体实施方式

为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。

如图1-9所示，本发明是一种消除搅拌摩擦焊匙孔的搅拌头，包括夹持装置1、弹簧2、锥形反射面3、连接件4、定位键5、轴肩6、顶针7、搅拌针8和激光测距仪9，激光测距仪9为松下公司生产的松下hg-c1100的测距仪，所述夹持装置1包括弹簧定位槽1-1、定位孔1-2、顶针螺孔1-3，弹簧定位槽1-1设置在夹持装置的中部，定位孔1-2在夹持装置的中下部，顶针螺孔设置在夹持装置的底部，所述定位孔1-2直径大于定位键50.5-1mm，确保定位键5能与之配合；顶针螺孔1-3孔径与顶针7的孔径相同，确保顶针7能与之配合，也就是说顶针7与夹持装置1底部的顶针螺孔配合，所述弹簧2的直径与所述弹簧定位槽1-1的直径相同，所述弹簧2的内径大于所述连接件4上端的外径0.5-1mm，所述弹簧2的线径及所述弹簧2的长度根据焊接所需压力而定，所述弹簧2位于所述连接件4与所述夹持装置1之间并且卡在夹持装置1的弹簧定位槽1-1内，可消耗式搅拌针与轴肩底部搅拌针槽6-4配合，所述连接件4包括连接件中心通孔4-1、对称连接孔4-2，所述连接件中心通孔4-1的直径大于所述夹持装置1底部的直径0.5-1mm；接件中心通孔为贯通连接件4的圆孔，两个对称连接孔对称的设置在连接件中心通孔的两侧；所述锥形反射面3包括反射面中心通孔3-1、连接螺孔3-2；所述反射面中心通孔3-1的直径大于弹簧2的外径0.5-1mm，所述连接螺孔3-2位置与连接件4的对称连接孔4-2相对应，所述连接螺孔3-2与所述对称连接孔4-2的直径相同；所述轴肩6包括轴肩中心孔6-1、轴肩定位槽6-2、轴肩螺纹孔6-3和搅拌针槽6-4，所述轴肩中心孔6-1的直径与连接件中心通孔4-1的直径相同，轴肩螺纹孔6-3与对称连接孔4-2的位置相对应，通过螺钉与连接件4紧密固定在一起；也就是说连接件与轴肩的固定是通过螺栓连接，搅拌针槽6-4依据匙孔大小选用不同直径，另外，连接件与夹持装置的连接是通过固定键与轴肩定位槽配合；所述定位键5的直径小于所述夹持装置1的所述定位孔1-2的直径0.3-0.8mm，所述定位键5的长度小于轴肩定位槽6-2的直径1-2mm。

由上可知，选择不同直径的轴肩6和搅拌针8，即可调整所补焊匙孔大小；调节搅拌头下压量即弹簧2压缩量，即可调整焊接压力，在施焊过程中，由轴向向下施加压力，使弹簧2压紧，从而顶针7将搅拌针8顶出，填充入匙孔，实现匙孔的消除。

该搅拌头在搅拌摩擦焊过程中，通过消耗与被焊材料同质的搅拌针，对匙孔进行填充补焊，在对匙孔进行填充补焊时，利用搅拌头上的锥形反射面与激光测距仪组成的测量系统，对下压力、轴向压力、主轴转速等参数进行调节，对母材施加纵向压力使弹簧压紧，借助钢制顶针将与母材同质搅拌针顶出，利用搅拌针的塑性流动对匙孔进行填充，最终实现对搅拌摩擦焊匙孔和缺陷的固相补焊，本发明根据激光测得轴肩与轴芯相对位移量控制弹簧压紧程度，即可控制焊接轴向压力及填充金属体积，且弹簧压力稳定，不会因振动而使轴向力剧烈变化；

本发明与搅拌针回抽技术相比，结构简单，可适用于高转速补焊，与组合补焊技术相比不会出现熔焊过程中可能导致的缺陷。

该搅拌头组装的流程包括如下步骤：

（1）：清点各部分构件，区分定位键5和顶针7；

（2）：将顶针7旋入夹持装置1的顶针螺孔1-3中；

（3）：将弹簧2从下至上，套入夹持装置1；

（4）：将锥形反射面3从下至上，套入夹持装置1；

（5）：将连接件4从下至上，套入夹持装置1；

（6）：推动连接件4，使弹簧压2紧至露出定位孔1-2，将定位键5插入定位孔1-2，从而阻止连接件4的y-方向移动；

（7）：将轴肩6由下至上套入夹持装置1，调整连接件4与轴肩6相对位置，使对称连接孔4-2与螺纹孔6-3对齐，并用螺栓连接；

（8）：将搅拌针8由下至上插入轴肩底部搅拌针槽6-4；

（9）：此时消除搅拌摩擦焊匙孔的搅拌摩擦头的组装过程结束。

该搅拌摩拆卸的流程包括如下步骤：

（1）：沿y-方向将搅拌针7取出；

（2）：将螺栓旋下，沿着y-方向推动轴肩6，取下轴肩6；

（3）：将连接件4沿y+方向压紧，使定位键5松动，沿x方向抽出定位键5；

（4）：沿着y-方向依次取下连接件4、锥形反射面3、弹簧2。

本发明利用与母材同质的细金属棒作为可消耗式搅拌针，搅拌头轴向安装有弹簧与顶针，可使搅拌头朝向母材压紧，将搅拌针压出填充入匙孔，搅拌头上安装有光滑的锥形反射面，与激光测距装置配合，可精准测出轴肩相对芯轴位移量，依据该位移量和弹簧比例系数计算轴肩与工件之间的轴向力与搅拌针的压入量，补焊过程中，轴肩与工件接触后，当相对位移量及其导数大于等于零时，继续向下施加压力，使弹簧压紧、搅拌针填入，在相对位移量与预设位移量相同时，停止下压，此时可保证补焊所需的轴向压力及足够的填充金属，为了防止轴肩过多压入工件和提高系统反应速度，当母材金属受热软化，使相对位移量导数为负时，提升搅拌头，当相对位移量为零时，即可完成补焊。