CN100519044C - 一种搅拌摩擦焊的焊具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双层铝合金材料搅拌摩擦焊用焊具，该焊具包括后部圆柱形连接体、中间圆柱体、前部的搅拌针；中间圆柱体制有散热螺旋凹槽；焊具前部的搅拌针为圆锥形，该圆锥形表面制有螺旋槽；中间圆柱体的端头与搅拌针底部连接的轴肩为内凹的圆锥面，搅拌针圆锥面上均匀分布至少三条螺旋凹槽，该搅拌针的顶端制有半球形凹槽。搅拌针上的螺旋凹槽与半球形凹槽相交，在圆锥形搅拌针的顶端半球形凹槽边缘形成至少三个缺口。这种结构的搅拌摩擦焊焊具加强了铝合金在搅拌摩擦焊时金属的塑性流动，解决了双层板传热不良引起的下层板热量不足和不均匀的问题。

Description

一种搅拌摩擦焊的焊具

技术领域

本发明涉及一种焊具，尤其是作为双层铝合金板材搅拌摩擦焊用的焊具，属于材料连接技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型低温固相连接技术，适用于低熔点合金焊接。是1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)发明的(US5460317)，该技术的原理是利用高速旋转的搅拌头插入接缝中，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使焊接接缝区处于热塑性状态并被破碎、混合，在一定的压力作用下被连接在一起，搅拌头朝焊接方向高速旋转并挤压，而在搅拌头的后方则形成了焊缝，从而完成了固态连接。目前各国都在竞相研发，在航天航空、船舶、高速列车、装甲战车等领域有着广泛应用。搅拌摩擦焊由于在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成固态连接，所以金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低，有着突出的优点。

铝合金材料广泛用于工业和民用领域，近年来特殊形状铝合金材料越来越广泛地用作产品的支撑骨架，目前，随着液晶电视的尺寸越来越大，电视边框原来使用的工程塑料已经不能满足强度和刚性的要求，需要采用强度高的铝合金型材来制造液晶电视的边框。但由于液晶电视边框所采用的铝合金型材是一种其长、短边的内侧各有一个小凸台的特殊形状的铝合金型材，采用传统的铝合金焊接方法，如TIG焊(钨极惰性气体弧焊)，MIG焊(熔化极惰性气体保护焊)不能保证焊接后凸台的形状和尺寸，并且铝合金型材在熔化焊后的焊接变形也是家电产品所不能接受的，因此采用搅拌摩擦焊的工艺，利用焊接收缩变形小和力学性能损失低的优点，可以有效地解决上述问题。搅拌摩擦焊时，必须在待焊铝合金型材的内外侧镶拼辅助垫块形成双层铝合金材料结构，而现有的搅拌摩擦焊的搅拌头对上述双层铝合金材料焊接时，尤其对于特殊形状铝合金材料的焊接，存在的由于双层板传热问题引起的下层板焊接不上的问题，。专利号CN200310116992.6介绍了一种利用有槽销进行搅拌摩擦焊的装置和方法，专利200610010553.0介绍了一种铜及铜合金搅拌摩擦焊接用焊具，这两个专利提出的两种焊接用焊具均不适合应用于双层铝合金材料的搅拌摩擦焊。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对具有特殊形状铝合金型材进行搅拌焊接时，现有的搅拌摩擦焊接用焊具难以解决双层板传热问题引起的下层板焊接不上的问题，以及材料厚度不均匀和形状特殊等问题所造成的技术难点，使搅拌摩擦焊接难以达到理想的效果。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种搅拌摩擦焊的焊具，包括后部圆柱形连接体、中间圆柱体、前部的搅拌针；所述圆柱形连接体上制有防松紧固平台，所述中间圆柱体制有散热螺旋凹槽；所述焊具前部的搅拌针为圆锥形，该圆锥形表面制有螺旋槽；所述中间圆柱体的端头与搅拌针底部连接的轴肩为内凹的圆锥面，所述搅拌针圆锥面上均匀分布至少三条螺旋凹槽，该搅拌针的顶端制有半球形凹槽。

所述搅拌针上的螺旋凹槽与半球形凹槽相交，在圆锥形搅拌针的顶端半球形凹槽边缘形成至少三个缺口。

所述轴肩内凹的圆锥面的法线与搅拌针轴线的夹角为5～15度。

所述螺旋凹槽的螺旋角为55～65度。

所述半球形凹槽的深度为3～4mm。

所述螺旋槽的形状为下凹的半圆形，深度为2～3mm。

本发明将特殊形状的搅拌头摩擦面与L型铝合金型材的外表面(或内表面)接触，焊接时，由于在搅拌头的搅拌针上增加了至少三条螺旋凹槽，在搅拌头顶端增加了一个凹槽，该凹槽为部分圆形或部分椭圆形，从而能够加强铝合金在搅拌摩擦焊时金属的塑性流动，利用特别增加的金属流动产热，改善了L型铝合金型材在搅拌摩擦焊时由于双层板传热问题引起的下层板热量不足问题，从而实现了L型铝合金型材的高质量连接。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明应用的示意图。

图2为本发明搅拌摩擦焊的焊具的结构图。

具体实施方式

本发明实施例的特殊形状L型铝合金型材示意图如图1中的序1所示，用于制作大尺寸液晶电视边框。该型材的长、短边的内侧各有一个小凸台5，大尺寸液晶电视L型铝合金型材边框焊接后要求保证凸台的形状和尺寸，并且铝合金型材在熔化焊后的焊接变形要求也是很小的。

如图1所示，在该实施例中，将L型铝合金型材1反放，即搅拌头摩擦面接触L型铝合金型材1的内表面，在待焊的L型铝合金型材1的内外侧镶分别拼辅助垫块3、4。

图2所示的本发明的搅拌头2的结构，包括后部圆柱形连接体7、中间圆柱体8、前部的搅拌针10；圆柱形连接体7上制有防松紧固平台6，中间圆柱体8制有散热螺旋凹槽9；焊具前部的搅拌针10为圆锥形，该圆锥形表面制有螺旋槽12；中间圆柱体8的端头与搅拌针10底部连接的轴肩14为内凹的圆锥面，搅拌针10圆锥面上均匀分布至少三条螺旋凹槽13，该搅拌针10的顶端制有半球形凹槽11，搅拌针上的螺旋凹槽13与半球形凹槽11相交，在圆锥形搅拌针10的顶端半圆形凹槽11边缘形成至少三个缺口。轴肩14的内凹的圆锥面的法线与搅拌针10轴线的夹角为5～15度，螺旋凹槽13的螺旋角为55～65度。半球形凹槽11的深度为3～4mm。螺旋槽12的形状为下凹的半圆形，深度为2～3mm。螺旋槽12也可以为三角形截面，所述三角形截面为54度，深度为2～3mm。

这种结构加强了L型铝合金型材在搅拌摩擦焊时金属的塑性流动，利用特别增加的金属流动产热改善了在搅拌摩擦焊接时由于双层板传热问题引起的下层板热量不足问题，解决了搅拌摩擦焊工艺对焊接部位需要接触摩擦的特殊要求，在L型铝合金型材加辅助垫块3、4后，改善了双层板的传热问题，实现L型材的高质量连接。在焊接过程中金属塑性流动的产生热量，主要是由搅拌头5前面锥形的特殊形状的搅拌针10焊接过程中挤压产生，园锥形搅拌针10上加工的至少3条螺旋凹槽13，增加了塑性金属从下往上的流动，在流动的金属往上流动时碰到内凹的轴肩14，在内凹的轴肩14的阻挡下，金属又向下运动，这时流动的金属就形成了一个由下往上又由上相下闭合的流场，使塑性金属形成了剧烈的运动。根据塑性金属加工原理，塑性金属的剧烈运动将会产生大量的热量。同时在园锥形搅拌针10的顶端加工成半圆形凹槽11，并且和螺旋凹槽13相交，在园锥形搅拌针10的顶端半圆形凹槽11的边缘形成3个缺口，便于塑性金属从缺口中流出和流入。

在焊接时，由特殊的夹具将L型铝合金型材1，以及辅助垫块3、4夹紧在焊接工作台上，搅拌头2从C点开始旋转并插入辅助垫块3，然后开始焊接，这时L型铝合金型材1和辅助垫块3、4在厚度方向上形成一整体结构，由搅拌头2的轴肩14旋转摩擦产生的热量的传热可以连续的进行，当搅拌头2到达A点时，厚度方向上已经是两层，即L型铝合金型材和辅助垫块3，由于在L形型材1和辅助垫块3之间的接缝处有一个空气层界面，而空气是热的不良导体，因而两层金属之间的热量难以传递。处于下面的辅助垫块3由于热量不足这时容易产生焊接不上的问题，但下面的辅助垫块3是工艺垫块，焊接后是需要机械加工去除的，所以垫块焊接质量的好坏没有关系。搅拌头2到达D点后，这时L型铝合金型材已经焊接完毕。

以下是采用本发明装置进行焊接的一个实际应用例子：

经过试验验证，焊接时，采用本发明的搅拌头后，搅拌头旋转速在600转/分钟的较低转速时，就可以获得焊接质量良好的焊缝，而现有的搅拌头的转速须达到1000转/分钟，且焊接效果还不理想。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，如螺旋凹槽的旋向等等，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种搅拌摩擦焊的焊具，包括后部圆柱形连接体(7)、中间圆柱体(8)、前部的搅拌针(10)；所述圆柱形连接体(7)上制有防松紧固平台(6)，所述中间圆柱体(8)制有散热螺旋凹槽(9)；其特征在于：所述焊具前部的搅拌针(10)为圆锥形，该圆锥形表面制有螺旋槽(12)；所述中间圆柱体(8)的端头与搅拌针(10)底部连接的轴肩(14)为内凹的圆锥面，所述搅拌针(10)圆锥面上均匀分布至少三条螺旋凹槽(13)，该搅拌针(10)的顶端制有半球形凹槽(11)。

2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述搅拌针(10)上的螺旋凹槽(13)与半球形凹槽(11)相交，在圆锥形搅拌针(10)的顶端半球形凹槽(11)边缘形成至少三个缺口。

3.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述轴肩(14)内凹的圆锥面的法线与搅拌针(10)轴线的夹角为5～15度。

4.根据权利要求1或2所述的一种搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述螺旋凹槽(13)的螺旋角为55～65度。

5.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述半球形凹槽(11)的深度为3～4mm。

6.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述螺旋槽(12)的形状为下凹的半圆形，深度为2～3mm。

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