CN101176945A - 一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头。该搅拌头为组合式结构，由搅拌头基体和切削刀体组成。搅拌头基体包括夹持柄、支撑肩台、轴肩和搅拌针；切削刀体包括安装圆环、切削刀座、切削刀片、紧定螺钉和螺纹通孔；切削刀体套接于搅拌头轴肩上，并用紧定螺钉固定。切削刀座一面为斜面，相对于搅拌头轴线方向倾斜角度为30～85°，另一面为直面，斜面上镶嵌有切削刀片，切削刀片下端面为切削刀刃，刀刃面存在有与搅拌摩擦焊焊接倾角相一致的倾斜角。该搅拌头可以有效去除搅拌摩擦焊接飞边，获得高质量的表面平整光滑的搅拌摩擦焊焊缝，也可以作为普通搅拌头使用。

Description

一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头

技术领域

本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊的一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊的基本原理如专利US5460317所述。在搅拌摩擦焊接过程中，利用搅拌头(FSW Tool)与工件之间产生的摩擦热使工件处于热塑性状态，搅拌头高速旋转并向前移动，处于热塑性状态的金属不断地从前端转移到后端，通过轴肩的挤压联合作用，形成致密的焊缝。搅拌头是搅拌摩擦焊接技术的核心部分，用以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，同时也是热塑性材料与周围材料实现扩散连接的工具。

作为一种机械化连接技术，搅拌摩擦焊焊接过程中搅拌头高速旋转并向前移动形成固相焊缝，没有焊缝余高。但是由于搅拌头的旋转、挤压作用导致搅拌摩擦焊接过程中塑性金属材料溢出搅拌头轴肩的包容空腔，形成特有的“飞边”现象，影响焊接质量；目前去除飞边的常用工艺为焊后机械打磨，费时费力，引起搅拌摩擦焊正常工艺流程的中断，且极易损伤被焊材料表面。

搅拌头是实现搅拌摩擦焊的关键技术，国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进行了大量的研究。在英国焊接研究所有关搅拌摩擦焊的国际专利(WO 93110935)中，搅拌头轴肩端面为平面，其轴线与工件表面垂直；而英国焊接研究所就搅拌摩擦焊技术申请的中国专利(CN 1144499A)中，对搅拌头轴肩的端面形状以及轴向方向作了改进—端面改成内凹形，轴线相对于工件法线方向偏离了一定角度(主轴倾角)。为了更好地促进焊缝区材料的塑性流动，对轴肩进行了多种形式的改进。

专利WO2004101205-A2提供了一种用于铜合金及其他高熔点材料的的搅拌摩擦焊用搅拌头，搅拌头采用分体式设计。搅拌头材料为在高温和高压下直接烧结得到的高熔点耐磨材料，搅拌头固定在夹持体内。

专利US6227430B1提供了一种用于厚板焊接的搅拌头，搅拌头采用整体式结构，搅拌针采用了旋向不同的多段螺纹组成，相邻螺纹段旋向相反，该搅拌头可以采用较小的搅拌针直径实现厚板材料的搅拌摩擦焊接。

专利《一种铜及铜合金搅拌摩擦焊接用焊具》(申请号：200610010553.0)为了解决用于较高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头浪费材料、不利于修改尺寸及实用性差等问题，设计为分体式结构，由夹持体与搅拌头组成。

但是围绕搅拌摩擦焊搅拌头的改进设计和专利申请主要集中于搅拌头轴肩型面和搅拌针形状及螺纹、开槽等外形设计，未曾涉及解决搅拌摩擦焊接中由于搅拌头及搅拌摩擦焊焊接特点导致的飞边，上述专利所提出的搅拌头在搅拌摩擦焊焊接中均存在飞边现象，影响到搅拌摩擦焊焊接过程的顺利进行。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能在搅拌摩擦焊接过程中有效去除飞边的一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头。

本发明的技术解决方案是，搅拌头由搅拌头基体和切削刀体组成，搅拌头基体包括夹持柄、支撑肩台、轴肩和搅拌针；切削刀体包括安装圆环、切削刀座、切削刀片和紧定螺钉；轴肩的一端是与其为一体的搅拌针，另一端为夹持柄，夹持柄下端连接支撑肩台，夹持捅上铣有夹持平面；切削刀体上的安装圆环为回转体结构，在安装圆环琴转圆柱面上设置有垂直于回转体轴线的螺纹通孔；安装圆环的一个端面设有与安装圆环为一体的切削刀座，切削刀体套接于搅拌头轴肩上，并用紧定螺钉固定。

切削刀体安装圆环上的切削刀座沿安装圆环圆周方向均匀分布，切削刀座一面为斜面，斜面角度为30～85°，另一面为直面，斜面上镶嵌有切削刀片，切削刀体随安装圆环沿搅拌头轴线方向上下移动。

搅拌头切削刀片下端面为切削刀刃，刀刃面存在有与搅拌摩擦焊焊接倾角相一致的倾斜角，倾角范围为1.5～5°。

搅拌头切削刀片的刀体材料为高速钢或硬质合金钢或其它公知的刀具材料。

本发明所提出的组合式去飞边搅拌头，搅拌摩擦焊接过程中可有效的去除飞边，获得高质量的表面平整光滑的焊缝，避免了焊后机械打磨等工艺对材料表面的损伤。采用本发明所提出的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，焊接过程与去除飞边过程同时进行，大大提高了生产效率。同时，本发明所提出的搅拌头采用了分体式结构，可以方便的拆卸或者更换切削刀体，同时切削刀体还可以沿搅拌头轴线方向上下调整，本发明所提出的搅拌头也可以作为普通搅拌头使用，提高了搅拌摩擦焊工具的实用性。

附图说明

图1为本发明所述组合式去飞边搅拌头的结构示意图；

图2为本发明搅拌头基体示意图；

图3为本发明所述组合式去飞边搅拌头切削刀体结构示意图；

图4为本发明所述组合式去飞边搅拌头切削刀片结构示意图；

图5为图4切削刀片的侧视图；

图6为本发明所述搅拌头搅拌摩擦焊接时使用状态示意图。

具体实施方式

如图1所示，该搅拌头为组合式结构，由搅拌头基体1与切削刀体2组成。搅拌头基体1包括夹持捅1-1-1、支撑肩台1-2、轴肩1-3和搅拌针1-4等组成。切削刀体2由安装圆环2-1、切削刀座2-2、切削刀片2-3和紧定螺钉2-5等组成。

本发明所提出的组合式搅拌摩擦焊搅拌头夹持捅1-1-1、支撑肩台1-2、轴肩1-3和搅拌针1-4为同轴圆柱体，支撑肩台1-2的直径大于夹持捅1-1的直径。夹持捅1-1上铣有夹持平面1-5。

本发明所提出的组合式搅拌摩擦焊搅拌头切削刀体安装圆环2-1为回转体结构，在回转圆柱面上设置有垂直于回转体轴线的螺纹通孔2-5。安装圆环2-1的内孔直径与搅拌头轴肩直径相同，安装圆环安装于搅拌头轴肩1-3之上，采用内六角平端紧定螺钉2-4将安装圆环固定于搅拌头轴肩上。安装圆环上有切削刀座2-2，切削刀座沿安装圆环圆周方向均匀分布，根据需要还可以设置不同的切削刀座数量。切削刀座一面为斜面，相对于搅拌头轴线方向斜面角度为30～85°，斜面上镶嵌有切削刀片2-3。切削刀体可以沿搅拌头轴线方向上下调整，用以改变切削刀刃与被焊材料表面间的距离。

如图4、图5所示，本发明所提出的组合式搅拌摩擦焊搅拌头切削刀下端面为切削刀刃，刀刃面存在倾斜角3，与搅拌摩擦焊焊接倾角4相一致。

如图6所示，搅拌摩擦焊焊接时需要一定的焊接倾角4和压入量6，以实现材料的可靠连接，但同时也带来了搅拌摩擦焊所特有的飞边。本发明所提出的组合式去飞边搅拌头切削刀体可以沿搅拌头轴线方向上下移动，切削刀刃端面还存在与焊接倾角相一致的倾斜角，可以有效去除搅拌摩擦焊接飞边，同时又完全避免了划伤被焊材料表面，从而可以获得高质量的表面平整光滑的搅拌摩擦焊焊缝。本发明所提出的组合式去飞边搅拌头也可以将切削刀体拆卸，作为普通搅拌头使用。

实施例1：

结合图1、图2、图3、图4、图5说明本实施方式。在本实施例中搅拌摩擦焊焊接参数为焊接倾角4为1.5°，搅拌头相对于被焊材料表面5的压入量6为0.15mm。搅拌摩擦焊搅拌头为分体式结构，由搅拌头基体与切削刀体组成。搅拌头基体包括夹持捅1-1、肩台2、轴肩1-3和搅拌针1-4等组成。切削刀体由安装圆环2-1、切削刀座2-2、切削刀片2-3和紧定螺钉2-4等组成。搅拌头基体夹持捅1-1上铣有夹持平面1-5，采用紧定螺钉固定于搅拌摩擦焊机主轴上，可以根据具体情况选择不同规格的螺钉以提供足够的紧固力，支撑肩台1-2起轴向定位与支撑作用。搅拌摩擦焊搅拌头切削刀体安装圆环2-1为回转体结构，在回转圆柱面上设置有垂直于回转体轴线的螺纹通孔2-5。安装圆环2-1的内孔直径与搅拌头轴肩直径相同，安装圆环安装于搅拌头轴肩1-3之上，采用内六角平端紧定螺钉2-4将安装圆环固定于搅拌头轴肩1-3上。安装圆环2-1上有切削刀座2-2，在本实施例中有3个切削刀座沿安装圆环圆周方向均匀分布，切削刀座2-2一面为斜面，斜面角度为30°，斜面上镶嵌有切削刀片2-3，刀刃面倾斜角3为1.5°，调整切削刀体沿搅拌头轴线方向上下移动，使切削刀刃面搅拌头轴肩边缘距离为0.15mm。

实施例2：

结合图5说明本实施方式。在本实施例中搅拌摩擦焊焊接参数为焊接倾角4为5°，搅拌头压入量6为0.1mm。在本实施例中所采用的本发明提出的组合式去飞边搅拌头主要结构形式与实施例1相同，不同之处在于切削刀体有2个切削刀座，并且沿安装圆环圆周方向对称分布，切削刀座一面为斜面，斜面倾斜角度为85°，斜面上镶嵌有切削刀片2-3，刀刃面倾斜角3为5°，调整切削刀体沿搅拌头轴线方向上下移动，使切削刀刃面搅拌头轴肩边缘距离为0.1mm。

实施例3：

结合图2和图5说明本实施方式。在本实施例中搅拌摩擦焊所焊材料5为钛合金，焊接方向7如图5所示。焊接参数为焊接倾角4为2.5°，搅拌头压入量6为0.08mm。在本实施例中所采用的本发明提出的组合式去飞边搅拌头主要结构形式与实施例1相同，不同之处在于图2所示搅拌头基体1为钨-铼高温合金材料。切削刀体有4个切削刀座，并且沿安装圆环圆周方向均匀分布，切削刀座一面为斜面，斜面倾斜角度为65°，斜面上镶嵌有切削刀片2-3，刀刃面倾斜角3为2.5°，调整切削刀体沿搅拌头轴线方向上下移动，使切削刀刃面搅拌头轴肩边缘距离为0.08mm。

Claims (4)

1.一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，搅拌头由搅拌头基体(1)和切削刀体(2)组成，搅拌头基体(1)包括夹持柄(1-1)、支撑肩台(1-2)、轴肩(1-3)和搅拌针(1-4)；切削刀体(2)包括安装圆环(2-1)、切削刀座(2-2)、切削刀片(2-3)、紧定螺钉(2-4)和螺纹孔(2-5)；轴肩(1-3)的一端是与其为一体的搅拌针(1-4)，另一端为夹持柄(1-1)，夹持柄(1-1)上套接支撑肩台(1-2)，夹持捅(1-1)上铣有夹持平面(1-5)；切削刀体(2)上的安装圆环(2-1)为回转体结构，在安装圆环(2-1)回转圆柱面上设置有垂直于回转体轴线的螺纹通孔(2-5)；安装圆环(2-1)的一个端面设有与安装圆环为一体的切削刀座(2-2)，切削刀体(2)套接于搅拌头轴肩(1-3)上，并用紧定螺钉(2-4)固定。

2.根据权利要求1所述的一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，所述的切削刀体(2)上的切削刀座(2-2)沿安装圆环(2-1)圆周方向均匀分布，切削刀座(2-2)一面为斜面，相对于搅拌头轴线方向倾斜角度为55～85°，另一面为直面，斜面上镶嵌有切削刀片(2-3)，切削刀体(2)可沿搅拌头轴线方向上下移动调整。

3.根据权利要求1所述的一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，搅拌头切削刀片(2-3)下端面为切削刀刃，刀刃面存在有与搅拌摩擦焊焊接倾角(4)相一致的倾斜角(3)，角度范围为1.5～5°。

4.根据权利要求3所述的一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，搅拌头切削刀片(2-3)的刀体材料为高速钢或硬质合金钢或其它公知的刀具材料。

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