CN101209512A - 一种组合式搅拌摩擦焊接工具 - Google Patents

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CN101209512A CN 200610135150 CN200610135150A CN101209512A CN 101209512 A CN101209512 A CN 101209512A CN 200610135150 CN200610135150 CN 200610135150 CN 200610135150 A CN200610135150 A CN 200610135150A CN 101209512 A CN101209512 A CN 101209512A
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冯艾寒
马宗义
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中国科学院金属研究所
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一种组合式搅拌摩擦焊接工具,其特征在于:该工具是由轴肩和搅拌针两部分组成,不同结构设计和不同材料的轴肩和搅拌针可以互换,装配之后形成一个完整的焊接工具。本发明提供的组合式设计不仅为搅拌摩擦焊接工具制备提供了更大灵活性,也为易损耗部分搅拌针的更换提供了可能性。这样的搅拌摩擦焊接工具设计可在易于造成搅拌针折断和磨损的焊接工况下使用。

Description

一种组合式搅拌摩擦焊接工具技术领域:本发明涉及金属材料的焊接技术,特别提供了一种组合式搅拌摩擦焊接工 具设计。 背景技术:搅拌摩擦焊接是1991年在英国焊接研究所发明的一种新的固态焊接工艺, 它的工作原理是非常简单的。 一个特殊设计的非消耗的焊接工具(由搅拌针和 轴肩组成)髙速旋转使搅拌针插入到欲连接板之间,当轴肩与工件表面接触后, 搅拌针沿接缝同时作横向运动。焊接工具与工件间的剧烈摩擦导致焊区温度明 显升髙,导致材料塑化。搅拌针的作用是搅动焊缝区的材料,使其产生塑性流 变和混合,轴肩的作用是对由搅拌针搅动变形的材料施加锻造作用,从而形成 密实无缺陷的焊缝。传统的搅拌摩擦焊接工具是整体设计,即搅拌针和轴肩是 由一块材料加工而成的。然而这样的设计有三个缺点。第一,搅拌针是焊接过 程中受力最苛刻的部分,除承受纵向力外还承受很大的横向剪切应力,焊接工 具最主要的损坏方式就是搅拌针的折断。此外,在焊接金属基复合材料时,复 合材料中的陶瓷相对焊接工具产生严重的磨损,磨损主要发生在搅拌针上 (Scripta Mater" vol. 45, No. 1 (2001), 75-80和丄Mater. Sci., vol.37, No. 23 (2002), 4999-5005)。当搅拌针发生折断或严重磨损后整个焊接工具也就报废了 。第二,整体式焊接工具只能用同一种材料加工而成,在焊接髙熔点、高硬度材料,受 力最苛刻的搅拌针需要使用造价更高的髙性能材料,这样用料更多、受力并不 苛刻的轴肩也只能随之使用同样的材料。第三,研究显示,搅拌针和轴肩的几 何形状对焊头的微观结构和性能具有重要影响,然而对于整体式工具设计,一 种工具只能提供一种工具结构变化。如果想研究搅拌针和轴肩的几何形状设计 对焊接接头的影响,就需要制备大量的不同结构的焊接工具。因此,无论从原 材料及加工成本还是从研究便利的角度考虑,焊接工具采用整体式设计都是不 可取的。发明内容:本发明的目的在于提供一种组合式搅拌摩擦焊接工具设计,不同结构设计 和不同材料的轴肩和搅拌针可以互换,装配之后形成一个完整的焊接工具。这 样不仅可用最少的轴肩和搅拌针设计来实现最多的焊接工具结构和功能的变 化,而且可以通过更换损坏的搅拌针来恢复焊接工具的使用功能。本发明设计了一种新的组合式搅拌摩擦焊接工具,工具由轴肩和搅拌针两 部分组成,两部分加工成型后组装在一起形成完整的搅拌摩擦焊接工具。轴肩 和搅拌针具有不同的结构设计并可采用不同的材料制备,但具有完全相同的装 配设计和可互换的公差。因而,通过不同结构设计和不同材料的轴肩和搅拌针 的互换可以形成更多的搅拌摩擦焊接工具的结构和功能变化,当搅拌针发生折 断或严重磨损时,只需更换搅拌针就可以恢复焊接工具的使用功能,这不仅大 大节省焊接工具的制备成本,而且使搅拌摩擦焊接操作具有更大的灵活性。实 际使用表明这种组合式搅拌摩擦焊接工具完全可以满足搅拌摩擦焊接使用需 求,并且装配、拆卸方便。附图说明:图1为轴肩与搅拌针插入式装配方式示意图;

图2为轴肩与搅拌针旋入式装配方式示意图;图3螺线形轴肩设计结构示意;图4轮辐形轴肩设计结构示意;图5同心形轴肩设计结构示意;图6涡轮形轴肩设计结构示意;图7蜂窝形轴肩设计结构示意;图8八卦形轴肩设计结构示意;图9轮辐形轴肩的側剖面图;图10同心形轴肩的侧剖面图;图11典型的搅拌针结构示意;图12典型的搅拌针结构示意; 图13典型的搅拌针结构示意; 图14典型的搅拌针结构示意。 具体实施方式:图l、 2给出轴肩和搅拌针两种典型的装配方式示意图。第一种为插入式装 配(图1),撹拌针通过合理的公差配合插入轴肩,进入深度由轴肩内部的凸台 设计或顶丝限定,搅拌针在轴肩内部的固紧由侧面顶丝来实现。第二种为螺紋 旋入式装配(图2),轴肩和搅拌针装配部分分别加工有内、外螺紋,把搅拌针 旋入轴肩螺孔实现装配,搅拌针旋入深度由轴肩内部的凸台设计或顶丝限定。轴肩的几何设计从普通的锅盔形到含有各种结构细节的特殊形,图3~8给 出了几种含有结构细节的轴肩设计,图9、 10为轮辐形和同心形轴肩的側剖面 图。

搅拌针设计从无结构特点的柱形和锥形(包括圆形和各种多边形截面)到 加工有各种螺紋的柱形和锥形设计,搅拌针表面可加工有各种凹槽或平面。图11〜14给出了几种典型的搅拌针设计。 实施例l釆用高速钢作为工具材料,采用车、铣、钻等机加工工艺分别加工出焊接 工具的轴肩和搅拌针部分,热处理到^0的HRC硬度后进行精磨成型。轴肩与 搅拌针通过精密的滑动装配组合在一起,装配公差为0.01mm,通过轴肩内部的 凸台设计和固紧螺钉,实现搅拌针的精确定位和固紧。这样的组合焊接工具可 广泛用于焊接铝、镁、铜合金及其复合材料。当搅拌针折断或严重磨损后,取 出损坏的搅拌针,更换一新的搅拌针即可恢复焊接工具的使用功能。比较例1采用同样的材料和机加工工艺加工出同样尺寸的整体式焊接工具,工具具 有^60的同样HRC硬度,这样的焊接工具可以满足一般的焊接要求。然而,当 进行低热输入焊接时,搅拌针经常折断;进行复合材料焊接时,搅拌针很容易 发生磨损。当搅拌针发生折断或严重磨损后,这种整体式的焊接工具就只能报 废了。实施例2采用高速钢和高温合金作为原材料,采用车、铣、钻等机加工工艺分别加 工出髙速钢轴肩和高温合金搅拌针,高速钢的轴肩热处理到40的HRC硬度后 与髙温合金搅拌针进行精磨成型。轴肩与搅拌针的装配通过螺紋来实现,并采 用螺钉实现搅拌针的定位和固紧。这样的组合焊接工具主要用于焊接铜合金及 其它髙熔点金属材料。当高温合金搅拌针折断或严重磨损后,取出损坏的搅拌

针,更换一新的搅拌针即可恢复焊接工具的使用功能。比较例2采用髙速钢和同样机加工工艺加工出同样尺寸的整体式焊接工具,工具具 有^0的同样HRC硬度,这样的焊接工具在焊接髙熔点材料时热强性不足,搅 拌针易于发生损坏, 一旦搅拌针损坏这种整体式的焊接工具就只能«了 。比较例3釆用髙温合金和同样机加工工艺加工出同样尺寸的整体式焊接工具,这样 的焊接工具具有很好的热强性,适用于焊接高熔点材料。然而,即使在焊接高熔点材料时, 一些低热输入焊接条件也常常造成高温合金搅拌针在较低温度下 的折断或磨损,搅拌针损坏后这种造价昂贵的整体式髙温合金焊接工具就只能 躯了。

Claims (4)

1. 一种组合式搅拌摩擦焊接工具,其特征在于:该工具是由轴肩和搅拌针两部分组成,装配之后形成一个完整的焊接工具。
2、 按照权利要求l所述组合式搅拌摩擦焊接工具,其特征在于:所述轴肩 和搅拌针的装配部分互为榫卯结构。
3、 按照权利要求1所述组合式搅拌摩擦焊接工具,其特征在于:所述轴肩 和搅拌针的装配部分为螺紋连接结构。
4、 按照权利要求l、 2或3所述组合式搅拌摩擦焊接工具,其特征在于互 配的轴肩和搅拌针选用不同的材料。
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