CN101518850A - 随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具 - Google Patents

Abstract

随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具，它涉及一种焊具。本发明为解决现有搅拌摩擦焊焊缝存在残余应力、焊接变形和飞边的问题。本发明的搅拌针为锥体，轴肩的上端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，轴肩的上端外径上设有过渡台肩，至少两个垫片和下夹持体由下至上设置在定位台肩的上端面上，下夹持体的上端面上均布设有至少三个与碾压球相配合的凹槽，每个凹槽中装有一个碾压球，上夹持体上均布设有与碾压球相配合的球形孔，球形孔与凹槽相对应，上夹持体设置在下夹持体的上端面上。本发明利用过渡台肩周围均布的碾压球对焊缝及近缝区进行随焊碾压，实现焊缝表面拉应力向压应力的转变，控制焊接变形和消除焊缝两侧的飞边，乃至进一步细化焊缝表层的晶粒。

Description

随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具

技术领域

本发明涉及一种焊具，具体说是用于搅拌摩擦焊过程中对焊缝及近缝区进行随焊碾压的组合式搅拌摩擦焊具。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是1991年在英国焊接研究所(TWI)发明的一种新的固相连接方法，其工作基本原理如专利US5460317和US5813592所述。搅拌摩擦焊过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产热使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。虽然，搅拌摩擦焊与传统的熔焊相比，热输入量低，其接头力学性能优异，但搅拌摩擦焊接头仍存在残余应力，特别是较大残余拉应力的存在致使接头耐应力腐蚀性能降低，焊缝两侧飞边的存在，产生应力集中降低接头的力学性能，而且焊缝表层空洞的产生也会降低接头的力学性能。特别是对薄板焊接时，残余应力的存在致使焊后工件变形。

焊接结构件中，通过碾压的方式控制焊缝残余应力和焊接变形，目前已开展了系列研究。有人提出了一种随焊碾压法，在焊枪后面跟随一个碾压轮，对焊后尚处于高温的焊缝金属施加碾压力，迫使其延展以抵消焊接过程中压缩塑性变形，达到控制焊接变形的目的。但这种方法设备庞大，制造成本高，应用对象主要集中于长直平板的弧焊、较大型筒体的纵缝及环缝的弧焊，对被焊件形状要求比较严格，另外由于主要靠碾压轮轴承承受碾压力，碾压轮的尺寸较大，可到达性较差。另有报道提出了利用旋转的单一挤压杆在钨极氩弧焊过程中对焊缝进行挤压，通过对冷却过程中的焊缝金属施加适度的旋转挤压作用，所产生的纵向及横向延展减小或消除焊缝及近缝区的弹性拉应力，甚至将其转变为压应力，从而降低残余应力和变形[焊接学报，2008，29(6)：101-104]。但这种随焊旋转挤压装置需要单独的控制机构、挤压装置及其位置调整机构、固定支架和空气压缩机，结构复杂，多用于弧焊过程中。而对于搅拌摩擦焊，近年有人采用低塑变抛光(Low Plasticity Burnishing，LPB)的方法，利用单一碾压杆对焊接过程完成后的焊缝进行碾压处理，将焊缝表层的拉应力转化为压应力，提高了焊缝的耐腐蚀性能[Proceedings of the ASM IFHTSE ConferenceColumbus，OH，2002]。但这种方法为搅拌摩擦焊工序完成后的二次加工，费时费力，且单一碾压杆携带的单一碾压头进行碾压效率较低。

目前，仅通过搅拌摩擦焊具外形(如圆柱形、截锥形、非圆截形、锥形螺纹和螺旋形等)和结构(如一体式、分体式、可伸缩式等)的设计，还没有同时实现焊缝残余应力、焊接变形和飞边的控制。因此，设计一种新型的随焊碾压搅拌摩擦焊具来实现焊缝残余应力、焊接变形和飞边的控制是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是为解决现有搅拌摩擦焊焊缝存在残余应力、焊接变形和飞边的问题，提供一种随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具。

本发明包括搅拌头、上夹持体、下夹持体、至少一个垫片和至少三个均布的碾压球，搅拌头由搅拌针、轴肩、定位台肩、圆柱体和夹持体组成，搅拌针、轴肩、定位台肩、圆柱体和夹持体依次由上至下制成一体，搅拌针位于轴肩的前端面的轴心处，夹持体上设有夹持面，搅拌针为锥体，轴肩的上端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，轴肩的上端外径上设有过渡台肩，圆柱体的外表面上设有环形凹槽，至少两个垫片和下夹持体由下至上设置在定位台肩的上端面上，下夹持体的上端面上均布设有至少三个与碾压球相配合的凹槽，每个凹槽中装有一个碾压球，上夹持体上均布设有与碾压球相配合的球形孔，球形孔与凹槽相对应，上夹持体设置在下夹持体的上端面上。

本发明具有以下优点：一、本发明利用过渡台肩周围均布的碾压球对焊缝及近缝区进行随焊碾压，实现焊缝表面拉应力向压应力的转变，控制焊接变形和消除焊缝两侧的飞边，乃至进一步细化焊缝表层的晶粒，进而提高接头的性能，提高其耐应力腐蚀性能。二、本发明可以实现任意长度的直线焊缝和曲线焊缝的随焊碾压，相对单一碾压杆携带的碾压头，提高了碾压效率和碾压均匀性，相对焊后焊缝的低塑变抛光方法而言，缩短了工时，保证了搅拌摩擦焊工序的连续性。三、本发明更换灵活、可实施性强，能够满足各种厚度板材的直线焊缝和曲线焊缝的随焊碾压处理的要求。

附图说明

图1是本发明的整体结构主剖视图(碾压球9上的碾压面9-1为球面)，图2是图1的俯视图，图3是图1的I局部放大图，图4是本发明的整体结构主剖视图(碾压球9上的碾压面9-1为平面)。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式包括搅拌头、上夹持体6、下夹持体7、至少一个垫片8和至少三个均布的碾压球9，搅拌头由搅拌针1、轴肩2、定位台肩3、圆柱体4和夹持体5组成，搅拌针1、轴肩2、定位台肩3、圆柱体4和夹持体5依次由上至下制成一体，搅拌针1位于轴肩2的前端面的轴心处，夹持体5上设有夹持面5-1，使其与搅拌主轴内孔配合，并用紧固螺钉锁紧，搅拌针1为锥体，轴肩2的上端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面2-1，轴肩2的上端外径上设有过渡台肩2-2，圆柱体4的外表面上设有环形凹槽4-1，至少一个垫片8和下夹持体7由下至上设置在定位台肩3的上端面上，下夹持体7的上端面上均布设有至少三个与碾压球9相配合的凹槽7-1，每个凹槽7-1中装有一个碾压球9，上夹持体6上均布设有与碾压球9相配合的球形孔6-1，球形孔6-1与凹槽7-1相对应，上夹持体6设置在下夹持体7的上端面上。垫片8的材质为不锈钢，垫片8上均加工有圆孔，使长沉头螺钉11能够穿过，碾压球9的材质为硬质合金，碾压球9随轴肩2的同步旋转，实现对焊缝和近缝区材料的随焊碾压；环形凹槽4-1起隔热作用；上夹持体6、下夹持体7、碾压球9和短沉头螺钉10构成碾压结构体，均匀分布于过渡台肩2-2周围的多个短沉头螺钉10将碾压球9固定于上夹持体6与下夹持体7之间，多个均布的长沉头螺钉11将碾压结构体与定位肩台3固定；碾压结构体与定位肩台3之间的相对位置通过垫片8进行调整。搅拌摩擦焊过程中，根据轴肩2的压入量，并通过垫片8对碾压结构体与定位台肩3间距的调整，实现碾压球9上碾压面9-1与过渡台肩2-2端面间距d的调整，进而控制碾压球9对焊缝及近缝区工件表层的碾压强度，同时，该碾压结构体中的碾压球9为可更换件，根据被焊件和碾压的差异，可以选择不同直径的碾压球9。

具体实施方式二：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的碾压球9上露在上夹持体6端面外的碾压面9-1为球面或加工成具有平滑倒角的平面。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的碾压球9的数量为3～8个，碾压球9的直径为5～12mm，碾压面9-1的球面弧度为90°～150°。这样设计为防止硬质合金球脱落。单个碾压球9进行定位，碾压球9与碾压球9之间不存在相互干涉。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式的过渡台肩2-2端面与碾压球9上的碾压面9-1之间的间距d为0.1～0.25mm。这样设计能控制碾压球9对焊缝及近缝区工件表层的碾压强度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式的垫片8的厚度为0.01～2mm。垫片8主要起到精确定位和微调的作用，例如间距为1.0mm时，采用一个垫片就可以了，而间距为1.51mm时，就必须采用1.0mm、0.5mm和0.01mm三个垫片，因为没有1.51mm的垫片。碾压结构体与定位台肩3的距离通过多个垫片8进行调整，调整的精度为0.01mm，控制碾压球9对焊缝和近缝区材料的碾压强度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的凹形轴肩面2-1的直径D2为10～26mm，过渡台肩2-2的直径D3为12～28mm。碾压直径D1由过渡台肩2-2的直径D3和碾压球9与过渡台肩2-2的间距来确定，碾压直径D1为30～56mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的搅拌针1的高度h为1.8～9.6mm，锥面与搅拌头轴线的夹角α为12～18°，搅拌针1的锥体表面设有右旋螺纹，其螺距为0.35～0.85mm。这样设计使搅拌针1的搅拌效果最佳。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的夹持体5的直径为19.9mm，夹持面5-1的宽度H为1～3mm，长度L为28～36mm。这样设计能够保证夹持体5与搅拌主轴内孔配合。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的圆柱体4的直径D为22～28mm，环形凹槽4-1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。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

Claims (5)

1、一种随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具，它包括搅拌头，搅拌头由搅拌针(1)、轴肩(2)、定位台肩(3)、圆柱体(4)和夹持体(5)组成，搅拌针(1)、轴肩(2)、定位台肩(3)、圆柱体(4)和夹持体(5)依次由上至下制成一体，搅拌针(1)位于轴肩(2)的前端面的轴心处，夹持体(5)上设有夹持面(5-1)，其特征在于：它还包括上夹持体(6)、下夹持体(7)、至少一个垫片(8)和至少三个碾压球(9)，搅拌针(1)为锥体，轴肩(2)的上端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面(2-1)，轴肩(2)的上端外径上设有过渡台肩(2-2)，圆柱体(4)的外表面上设有环形凹槽(4-1)，至少两个垫片(8)和下夹持体(7)由下至上设置在定位台肩(3)的上端面上，下夹持体(7)的上端面上均布设有至少三个与碾压球(9)相配合的凹槽(7-1)，每个凹槽(7-1)中装有一个碾压球(9)，上夹持体(6)上均布设有与碾压球(9)相配合的球形孔(6-1)，球形孔(6-1)与凹槽(7-1)相对应，上夹持体(6)设置在下夹持体(7)的上端面上。

2、根据权利要求1所述的随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：碾压球(9)上露在上夹持体(6)端面外的碾压面(9-1)为球面或加工成具有平滑倒角的平面。

3、根据权利要求1或2所述的随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：碾压球(9)的数量为3～8个，碾压球(9)的直径为5～12mm，碾压面(9-1)的球面弧度为90°～150°。

4、根据权利要求3所述的随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：过渡台肩(2-2)端面与碾压球(9)上的碾压面(9-1)之间的间距(d)为0.1～0.25mm。

5、根据权利要求4所述的随焊碾压的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：垫片(8)的厚度为0.01～2mm。

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