一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法与流程

本发明属于搅拌摩擦焊领域，尤其是涉及一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊(frictionstirwelding，fsw)是英国焊接研究所(twi)在1991年发明的一种新型固相连接方法，其工作原理是将高速旋转的搅拌头压入被焊金属，产生大量的摩擦热和塑性变形热使工件材料局部塑化，塑化材料在轴肩锻压下冷却形成致密的接头。fsw与传统的熔焊相比，具有热输入低，残余应力及变形小，接头力学性能优异等优点。fsw过程中无需填充材料，但轴肩需维持一定的下压量保证摩擦产热及焊缝密实与强化，焊缝塑性材料势必外溢，发生焊缝减薄现象。随着搅拌摩擦焊技术的推广及应用，焊缝减薄的负面影响日益显著。首先，焊缝减薄的发生往往伴随着焊缝的飞边缺陷，需要进行二次加工，费时费力。其次，焊缝减薄导致接头的承载能力下降，尤其针对薄板焊接时，焊缝减薄导致承载力下降更为明显。第三，焊缝变薄使焊缝边缘产生应力集中，导致构件抗疲劳性能降低。

在航空航天领域结构件焊接的要求中，明确规定焊缝区域不得发生减薄现象。现有研究工作中，通常采用焊前焊缝处增材或焊后非焊缝处减材的方式来解决焊缝减薄的问题，但这些补救方法降低了工作效率，增加了焊接成本。另有报道采用静止轴肩式搅拌摩擦焊，其轴肩不发生旋转且仅作用在焊缝较薄表层，因此能够以较小的减薄量形成焊缝。但是静止轴肩式搅拌摩擦焊的焊具设计较复杂，持续工作能力和寿命有所降低，且对工况和压入量控制精度较高，限制了其在无减薄搅拌摩擦焊中的广泛应用，尤其是厚板焊接，易产生热输入不足，致使弱连接的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法，夹持体、内侧轴肩和搅拌体采用分体设计，通过两个调节螺栓可分别调节内侧轴肩和搅拌针的压入量，焊接过程中可保证焊缝内部的成形，外侧轴肩与待焊母材表面保持零压入量，外侧轴肩的内凹面能够容纳由内侧轴肩和搅拌针挤压而溢出的热塑性材料，并对其进行旋转碾压再成形，形成无飞边、无减薄的搅拌摩擦焊焊缝。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具，包括焊具夹持体、内侧轴肩、搅拌体、轴肩调节螺栓、针长调节螺栓、轴肩紧固螺栓和搅拌体紧固螺栓，所述焊具夹持体包括一体成型且同轴设置的夹持柄和外侧轴肩，所述的外侧轴肩设置在夹持柄的下部；

在夹持柄的轴心处设有第一螺纹通孔，所述的轴肩调节螺栓设置在第一螺纹通孔中，在轴肩调节螺栓的轴心处设有第二螺纹通孔，所述的针长调节螺栓设置在第二螺纹通孔中，在外侧轴肩的轴心处设有竖直夹持孔，外侧轴肩的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，所述的内侧轴肩设置在竖直夹持孔中，且内侧轴肩的上端面与轴肩调节螺栓的下端面相抵，内侧轴肩的下端外露在外侧轴肩的下端面外，内侧轴肩的轴心处设有容纳通孔，所述的搅拌体设置在容纳通孔中，所述的搅拌体包括同轴一体成型的搅拌针座和搅拌针，所述的搅拌针座的上端面与针长调节螺栓的下端面相抵，搅拌针外露在内侧轴肩的下端面外，旋转轴肩调节螺栓调节内侧轴肩的伸长量，旋转针长调节螺栓调节搅拌针的伸长量，轴肩紧固螺栓锁紧内侧轴肩，搅拌体紧固螺栓锁紧搅拌体。

进一步的，外侧轴肩的竖直夹持孔的侧壁上设有两个垂直外侧轴肩中轴线的第三螺纹通孔，内侧轴肩的容纳通孔的侧壁上设有垂直内侧轴肩中轴线的水平夹持孔，且水平夹持孔与其中一个第三螺纹通孔正对相通，内侧轴肩的外表面设有内侧轴肩夹持面，且内侧轴肩夹持面与另一个第三螺纹通孔正对相通，轴肩紧固螺栓穿过第三螺纹通孔后抵在内侧轴肩夹持面上实现固定内侧轴肩，搅拌针座外表面上设有搅拌针座夹持面，搅拌体紧固螺栓穿过水平夹持孔及与水平夹持孔正相对的第三螺纹通孔后抵在搅拌针座夹持面上实现固定搅拌体。

进一步的，所述夹持柄的外直径小于外侧轴肩的外直径，夹持柄的外表面上设有焊具夹持面，外侧轴肩的外表面上设有上下两个环形散热槽，两个环形散热槽以下的外侧轴肩为倒锥形结构。

进一步的，所述第一螺纹通孔的直径比竖直夹持孔的直径大0.5-2mm，轴肩调节螺栓的第二螺纹通孔的直径比搅拌针座的直径大0.2-1mm。

进一步的，所述外侧轴肩的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，内凹角为6-10°，凹形轴肩面的外边缘直径为10-30mm。

进一步的，内侧轴肩上的水平夹持孔为直槽口，直槽口上下边的长度为10-15mm，轴肩紧固螺栓和搅拌体紧固螺栓的直径均为5-8mm，内侧轴肩伸长量的范围为0-5mm。

进一步的，内侧轴肩的外直径为8-12mm，内直径为3-6mm，在内侧轴肩的底端面上设有内凹过渡肩面，内凹过渡肩面的内外侧分别为内肩面和外肩面，内凹过渡肩面的宽度为0.5-1mm，内凹过渡肩面距离外肩面高度为1.5-2mm，距离内肩面高度为0.5-1mm。

进一步的，外侧轴肩上两个环形散热槽的宽度、深度和间距均为2-4mm。

进一步的，搅拌体的长度比内侧轴肩的长度长5-10mm，所述搅拌针为锥体，搅拌针长度为1-8mm，搅拌针的锥面与搅拌体的轴线的夹角为12-18°，锥体表面设有右旋螺纹，其螺距为0.35-0.85mm。

一种利用上述焊具实现一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗待焊板材并固定在刚性支撑平台上；

步骤2：组装焊具，设置内侧轴肩和搅拌针的压入量；

步骤21：将内侧轴肩设置在竖直夹持孔中，将轴肩调节螺栓设置在第一螺纹通孔中，通过旋转轴肩调节螺栓调节内侧轴肩的伸长量，并通过轴肩紧固螺栓紧固内侧轴肩；步骤22：将搅拌体设置在容纳通孔中，将针长调节螺栓设置在第二螺纹通孔中，通过旋转针长调节螺栓调节搅拌针的伸长量，并通过搅拌体紧固螺栓紧固搅拌体；

步骤3：安装焊具，启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头的位置，使其处于焊缝中心的正上方；

步骤4：设置焊具旋转速度和焊接速度，并使外侧轴肩与待焊母材表面保持零压入量，进行焊接；

步骤5：焊接完成后取下焊接试件，完成一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊过程。

相对于现有技术，本发明所述的一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法具有以下优势：

本发明所述的一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法，

一、本发明采用组合式搅拌头，内侧轴肩设有足够的下压量，外侧轴肩与待焊母材表面保持零压入量，因此能够降低轴肩热输入，减小热影响区域，提升接头力学性能。

二、外侧轴肩的零压入量从根本上抑制焊缝飞边和焊缝减薄。

三、本发明能够通过两个夹持柄尾部内置调节螺栓分别调整搅拌针与内侧轴肩的伸长量，对不同板厚构件的焊接具有更大的适应性，并能够灵活实现工艺窗口优化。

四、本发明无需焊前增材及焊后处理，可有效提高焊接效率，降低焊接成本。

五、本发明焊具简便易操作，同步旋转的内外轴肩有效避免了焊缝表面材料流动性不足导致的沟状缺陷。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具的结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具中的内侧轴肩的结构示意图；

图3为图1中i局部放大图。

附图标记说明：

1-焊具夹持体，1-1-夹持柄，1-1-1-焊具夹持面，1-1-2-第一螺纹通孔，1-2-外侧轴肩，1-2-1—环形散热槽，1-2-2-竖直夹持孔，1-2-3-凹型轴肩面，1-2-4-第三螺纹通孔，2-内侧轴肩，2-1-容纳通孔，2-2-水平夹持孔，2-3-内侧轴肩夹持面，2-4内凹过渡肩面，3-搅拌体，3-1-搅拌针座，3-1-1-搅拌针座夹持面，3-2-搅拌针，4-轴肩调节螺栓，4-1-第二螺纹通孔，5-针长调节螺栓，6-轴肩紧固螺栓，7-搅拌体紧固螺栓。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图3所示，一种一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具，包括焊具夹持体1、内侧轴肩2、搅拌体3、轴肩调节螺栓4、针长调节螺栓5、轴肩紧固螺栓6和搅拌体紧固螺栓7，所述焊具夹持体1包括一体成型且同轴设置的夹持柄1-1和外侧轴肩1-2，所述的外侧轴肩1-2设置在夹持柄1-1的下部；

在夹持柄1-1的轴心处第一螺纹通孔1-1-2，所述的轴肩调节螺栓4设置在第一螺纹通孔1-1-2中，在轴肩调节螺栓4的轴心处设有第二螺纹通孔4-1，所述的针长调节螺栓5设置在第二螺纹通孔4-1中，在外侧轴肩1-2的轴心处设有竖直夹持孔1-2-2，外侧轴肩1-2的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面1-2-3，所述的内侧轴肩2设置在竖直夹持孔1-2-2中，且内侧轴肩2的上端面与轴肩调节螺栓4的下端面相抵，内侧轴肩2的下端外露在外侧轴肩1-2的下端面外，内侧轴肩2的轴心处设有容纳通孔2-1，所述的搅拌体3设置在容纳通孔2-1中，所述的搅拌体3包括同轴一体成型的搅拌针座3-1和搅拌针3-2，所述的搅拌针座3-1的上端面与针长调节螺栓5的下端面相抵，搅拌针3-2外露在内侧轴肩2的下端面外，旋转轴肩调节螺栓4调节内侧轴肩2的伸长量，旋转针长调节螺栓5调节搅拌体3的伸长量，轴肩紧固螺栓6锁紧内侧轴肩2，搅拌体紧固螺栓7锁紧搅拌体3。

外侧轴肩1-2的竖直夹持孔1-2-2的侧壁上设有两个垂直外侧轴肩中轴线的第三螺纹通孔1-2-4，内侧轴肩2的容纳通孔2-1的侧壁上设有垂直内侧轴肩中轴线的水平夹持孔2-2，且水平夹持孔2-2与其中一个第三螺纹通孔1-2-4正对相通，内侧轴肩2的外表面设有内侧轴肩夹持面2-3，且内侧轴肩夹持面2-3与另一个第三螺纹通孔1-2-4正对相通，轴肩紧固螺栓6穿过第三螺纹通孔1-2-4后抵在内侧轴肩夹持面2-3上实现固定内侧轴肩2，搅拌针座3-1外表面上设有搅拌针座夹持面3-1-1，搅拌体紧固螺栓7穿过水平夹持孔2-2及与水平夹持孔2-2正相对的第三螺纹通孔1-2-4后抵在搅拌针座夹持面3-1-1上实现固定搅拌体3。

夹持柄1-1的直径小于外侧轴肩1-2的直径，夹持柄1-1的外表面上设有焊具夹持面1-1-1，外侧轴肩1-2的外表面上设有上下两个环形散热槽1-2-1，两个环形散热槽1-2-1以下的外侧轴肩1-2为倒锥形结构。

第一螺纹通孔1-1-2的直径比竖直夹持孔1-2-2的直径大0.5-2mm，轴肩调节螺栓4的第二螺纹通孔4-1的直径比搅拌针座3-1的直径大0.2-1mm。

外侧轴肩1-2的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面1-2-3，凹形轴肩面1-2-3的外边缘直径为10-30mm，内凹角为6-10°，内凹面能够容纳由内侧轴肩和搅拌针挤压而溢出的热塑性材料，避免焊缝飞边。

内侧轴肩2上的水平夹持孔2-2设置为直槽口，直槽口上下边的长度为10-15mm，直槽口的设置可以在轴肩紧固螺栓6紧固搅拌体3的情况下，调节内侧轴肩2的上下移动，轴肩紧固螺栓6和搅拌体紧固螺栓7的直径均为5-8mm，内侧轴肩2伸长量的调节范围为0-5mm。

内侧轴肩2的外直径为8-12mm，内直径为3-6mm，在内侧轴肩2的底端面上设有内凹过渡肩面2-4，内凹过渡肩面2-4的内外侧分别为内肩面和外肩面，内凹过渡肩面2-4的宽度为0.5-1mm，内凹过渡肩面2-4距离外肩面高度为1.5-2mm，距离内肩面高度为0.5-1mm，这样设计可使内侧轴肩2起到摩擦产热、引导材料流动以及对材料进行挤压作用。

外侧轴肩1-2上两个环形散热槽1-2-1的宽度、深度和间距均为2-4mm，这样设计能够保证散热效果最好。

搅拌体3的长度比内侧轴肩2的长度长5-10mm，所述搅拌针3-2为锥体，搅拌针3-2长度为1-8mm，搅拌针3-2的锥面与搅拌体的轴线的夹角为12-18°，锥体表面设有右旋螺纹，其螺距为0.35-0.85mm。

一种利用上述焊具实现一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊方法，具体包括以下步骤：

步骤1：清洗待焊板材并固定在刚性支撑平台上；

步骤2：组装焊具，设置内侧轴肩2和搅拌针3-2的压入量；

步骤21：将内侧轴肩2设置在竖直夹持孔1-2-2中，将轴肩调节螺栓4设置在第一螺纹通孔1-1-2中，通过旋转轴肩调节螺栓4调节内侧轴肩2的伸长量，通过轴肩紧固螺栓6紧固内侧轴肩2；步骤22：将搅拌体3设置在容纳通孔2-1中，将针长调节螺栓5设置在第二螺纹通孔4-1中，通过旋转针长调节螺栓5调节搅拌针3-2的伸长量，通过搅拌体紧固螺栓7紧固搅拌体3；

步骤3：安装焊具，启动搅拌摩擦焊设备，调整搅拌头的位置，使其处于焊缝中心的正上方；

步骤4：设置焊具旋转速度和焊接速度，焊具转速在1-10000rpm，焊接速度在1-1000mm/min，并使外侧轴肩1-2与待焊母材表面保持零压入量，进行焊接；

步骤5：焊接完成后取下焊接试件，完成一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊过程。

一次焊接同步二次再成形无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法，适用于同种及异种材料之间的连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。