一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头的制作方法

1.本实用新型属于搅拌摩擦焊技术领域，尤其涉及一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头。


背景技术：

2.搅拌摩擦焊(friction stir welding，fsw)是一种固相焊接技术，焊接的工具称为搅拌头，搅拌头一般有轴肩及搅拌针两个关键部分，焊接时需搅拌针扎入待焊试板，轴肩紧压或进入试板表面并高速旋转向前运动，此时搅拌头与待焊试板产生剧烈摩擦产热，进而完成材料的固相焊接；但是现有的轴肩与搅拌针常受这些摩擦及交变载荷发生磨损或断裂失效，在焊接钛合金、钢等硬度高，熔点高的材料时该问题尤其突出，已成为制约搅拌摩擦焊发展的一个重要瓶颈。因此，往往需要使用聚晶立方氮化硼、硬质合金、钨铼合金等红硬性好的材料来加工制作，但是超高硬度材料难以加工，搅拌针、轴肩多形状复杂，且使用紧定螺丝装夹搅拌头易造成局部应力集中，高硬度、高脆性材料易失效，因此很难在搅拌摩擦焊中使用这些材料；而搅拌摩擦焊中搅拌头常为一体式，而焊接中仅搅拌针、轴肩处易磨损，但这会导致整个搅拌头的失效，重新加工费时、费材，搅拌针与轴肩缺乏互换性；
3.传统的解决方法为：
4.1.配比粉末，进行粉末冶金，得到模坯后，进一步采用磨或电加工成型；但是该方法制备复杂，工序多、耗时长，良品率低，造价昂贵；
5.2.采用分体式结构，将搅拌针与其它部分分开制作，使用紧定螺丝固定搅拌针，相对第一种方案，能够解决搅拌针磨损的问题，但是紧定螺丝易造成搅拌针上某点的应力集中，若使用本身就高硬度韧性较差的材料更容易导致搅拌针的碎裂；
6.3.采用组合式结构，将搅拌针与轴肩一体制作，夹持刀柄部分一体制作，再用螺纹连接两部分，但是这种方案仅仅解决了刀柄部分材料浪费的问题；
7.4.运用复合材料的思想，将硬质材料嵌在合金钢搅拌头基体表面，使用粉末冶金制备搅拌头模坯，再进行后续加工，此方法大幅减少了高硬材料的使用量，但同样需要特殊工艺制造，价格昂贵，难以产业化。
8.需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。


技术实现要素：

9.为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种完全拆分轴肩、搅拌针、夹持柄等搅拌头部位，且采用无顶丝设计装夹，不易造成局部应力集中的分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头。
10.为实现上述目的，本实用新型提出了一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，包括轴肩套筒、轴肩、搅拌针、垫片、弹簧垫圈、夹持柄和内六角螺栓，所述轴肩与所述轴肩套筒通过圆周凸台相连，所述搅拌针置于所述轴肩的近三角形槽内，所述轴肩套筒与所述夹持柄通过螺纹连接，所述内六角螺栓旋入所述夹持柄内，令所述垫片与所述搅拌针
相互抵接，组合完成后即可装夹至设备、完成焊接。
11.在一个示例中，所述轴肩套筒为筒形结构，所述轴肩套筒的内壁上部设有与所述夹持柄相连接的内螺纹，所述轴肩套筒的内壁下部设有与所述轴肩相连接的第一阶梯槽，所述第一阶梯槽壁面平行于筒形中轴线。
12.在一个示例中，所述轴肩为柱形结构，所述轴肩的中心具有阶梯槽孔，所述阶梯槽孔包括带有圆角的鲁洛克斯三角形槽，以及圆形通孔，所述轴肩的周向设有与所述轴肩套筒的第一阶梯槽相互配合的第二阶梯槽，所述轴肩底部设有以柱形结构中心为圆心的同心圆槽。
13.在一个示例中，所述搅拌针端部为带有倒角的圆锥体，所述搅拌针根部为具有鲁洛克斯三角形形貌的拉伸件，所述圆锥体与所述拉伸件中间靠直壁柱形结构相连，柱形直径与所述圆锥体底座直径相同，所述拉伸件与所述阶梯槽孔相适配。
14.在一个示例中，所述垫片呈圆形薄片状，所述垫片的一面有鲁洛克斯三角形凸出结构。
15.在一个示例中，所述弹簧垫圈呈圆环形，所述弹簧垫圈的外径与所述轴肩套筒的外径相同，所述弹簧垫圈的内径比所述轴肩套筒的最大内径小0.5mm。
16.在一个示例中，所述夹持柄为柱形结构，所述夹持柄中心开设有可容纳圆柱头所述内六角螺栓的阶梯孔和螺纹，所述夹持柄的根部铣有用于配合设备夹持的夹持面，所述夹持柄端部设有于所述轴肩套筒的所述内螺纹相适配的外螺纹。
17.通过本实用新型提出的一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头能够带来如下有益效果：
18.1.一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头，完全拆分轴肩、搅拌针、夹持柄等搅拌头部位，且采用无顶丝设计装夹，不易造成局部应力集中；
19.2.优化设计轴肩及搅拌针的特殊结构，缩小体积，一则减少材料浪费，二则使其易于成型或电加工制造，解决了聚晶立方氮化硼、陶瓷、硬质合金等高硬材料在fsw搅拌头制作中难以使用的问题。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
21.图1为本实用新型的一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头的爆炸图；
22.图2为本实用新型的一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头的装配图；
23.图3为本实用新型的一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头的截面剖视图；
24.图4为本实用新型轴肩套筒结构示意图；
25.图5为本实用新型的轴肩结构示意图；
26.图6为本实用新型的搅拌针结构示意图；
27.图7为本实用新型的垫片结构示意图；
28.图8为本实用新型的弹簧垫圈结构示意图；
29.图9为本实用新型的夹持柄结构示意图；
30.图10为本实用新型的夹持柄截面剖视图。
具体实施方式
31.为了更清楚的阐释本实用新型的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
33.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。
36.如图1～图10所示，本实用新型的实施例提出了一种分体组合式搅拌摩擦焊搅拌头，其包括轴肩套筒1、轴肩2、搅拌针3、垫片4、弹簧垫圈5、夹持柄6和内六角螺栓7，所轴肩2与轴肩套筒1通过圆周凸台相连，搅拌针3置于轴肩2的近三角形槽内，轴肩套筒1与夹持柄6通过螺纹连接，内六角螺栓7旋入夹持柄6内，令垫片4与搅拌针3相互抵接，组合完成后即可装夹至设备、完成焊接，轴肩套筒1为筒形结构，轴肩套筒1的内壁上部设有与夹持柄6相连接的内螺纹11，轴肩套筒1的内壁下部设有与轴肩2相连接的阶梯槽12，阶梯槽12壁面平行于筒形中轴线，轴肩2为柱形结构，轴肩2的中心具有阶梯槽孔21，阶梯槽孔21包括带有圆角的鲁洛克斯三角形槽，以及圆形通孔，轴肩2的周向设有与轴肩套筒1的第一阶梯槽12相互配合的第二阶梯槽22，轴肩2底部设有以柱形结构中心为圆心的同心圆槽23，搅拌针3端部为带有倒角的圆锥体31，搅拌针3根部为具有鲁洛克斯三角形形貌的拉伸件32，圆锥体31与拉伸件32中间靠直壁柱形结构相连，柱形直径与圆锥体31底座直径相同，拉伸件32与阶梯槽孔21相适配，垫片4呈圆形薄片状，垫片4的一面有鲁洛克斯三角形凸出结构，垫片4作用是避免内六角螺栓7与搅拌针3直接接触，造成搅拌针应力集中，进而在受较大压力时造成
失效，垫片4中凸出部分其高度加上搅拌针3对应部分高度应略大于轴肩2对应槽的深度，这样能够保证搅拌针的装夹稳定，弹簧垫圈5呈圆环形，弹簧垫圈5的外径与轴肩套筒1的外径相同，弹簧垫圈5的内径比轴肩套筒1的最大内径小0.5mm，弹簧垫圈5的作用是防止夹持柄6与轴肩套筒1之间轻易转动，其弹力可根据实际工况调整，一般来说，震动越频繁，幅度越大，要适量增大弹力，夹持柄6为柱形结构，夹持柄6中心开设有可容纳圆柱头内六角螺栓7的阶梯孔64和螺纹63，夹持柄6的根部铣有用于配合设备夹持的夹持面61，夹持柄6端部设有于轴肩套筒的内螺纹11相适配的外螺纹62，轴肩套筒1材料为钢或其它耐热、易加工、强度好的材料；轴肩2材料为高温合金、钨基合金、硬质合金或其它不易机加工，易电加工，高强耐热材料；搅拌针3材料为聚晶立方氮化硼(pcbn)、塞隆陶瓷、氧化锆陶瓷或其它高强、红硬性高的材料；垫片4材料为高温不锈钢或其它易加工、耐温、韧性好的材料；弹簧垫圈5材料为不锈钢；夹持柄6材料为热作模具钢或其他耐高温、韧性好的钢材，搅拌针3材料为聚晶立方氮化硼通过高温高压获得，得到坯模后，进行电加工及磨削加工后得到搅拌针；鲁罗克斯三角形结构一则是形状简单，利于聚晶立方氮化硼或陶瓷材料的粉末成型，二则利用其形状稳定性和弧面，保证了搅拌针3的结构强度及抗冲击性。焊接时，旋转造成的扭矩经搅拌针3传递给轴肩2，进而传递给轴肩套筒1，进而传递到夹持柄6，在焊具旋转启停时，会产生冲击，该冲击力可以通过该结构化解，保护硬而脆的材料。
37.工作原理：以本实用新型用于某型号4mm厚钛合金平板对接搅拌摩擦焊为例：
38.1)首先，选用4mm厚板材fsw中常使用的带有锥台形搅拌针的搅拌头尺寸，轴肩套筒直径为16mm，搅拌针端部3mm，搅拌针根部4mm，对应制备轴肩和搅拌针，轴肩中轴肩处直径为16mm，总高8mm，最大直径为18mm，材料为wc-co硬质合金，使用电火花加工制备；搅拌针锥形部分端部直径为3mm，根部为4mm，中间直壁0.8mm，以直径为7mm的圆的内接三角形作其鲁罗克斯三角形，厚度为2.75mm，该圆圆心、直壁部分圆柱的圆心，以及锥台圆心，三心共线，材料为聚晶立方氮化硼，高温高压粉末冶金，辅之以电加工完成制造；
39.2)其次，选用m8内六角螺栓，再根据搅拌针及轴肩尺寸，对应加工垫片，轴肩套筒、夹持柄及弹簧垫圈，并通过螺栓和设置的螺纹组合好搅拌头；
40.3)通过紧定螺丝装夹搅拌头至焊机，搅拌头倾角为2.5
°
，焊接参数为转速300rpm，焊速80mm/min，下压量0.1mm，即可完成焊接。
41.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
42.以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。