CN101774081B - 能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头 - Google Patents

Abstract

一种能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头，其特征是搅拌头主要由搅拌头基体和外轴肩组成；搅拌头基体主要由夹持柄、支承肩台、内轴肩和搅拌针组成；搅拌针和支持柄与内轴肩为一体；搅拌针上车有螺纹和至少四个螺纹槽；内轴肩的一端上开有凹面球冠和U形的槽口；外轴肩主要由外轴肩套筒、刀具底座和刀片组成；外轴肩上的外轴肩套筒为圆柱套筒结构，在外轴肩套筒的外表面上钻有垂直于内轴肩旋转轴线的固定螺纹通孔；在外轴肩套筒的一端面设有与外轴肩套筒为一体的刀具底座，刀片焊接在刀具底座上，外轴肩套接于搅拌头内轴肩上，并通过外轴肩固定螺钉固定。本发明可以有效的控制搅拌摩擦焊焊缝减薄效应发生，同时还可获得高质量的焊接表面。

Description

能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头

技术领域

本发明涉及一种机械加工刀具，尤其是一种摩擦焊接用搅拌头，具体地说是一种能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头。

背景技术

众所周知，搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型的固态焊接技术，它的工作原理非常简单。是1991年英国焊接研究所(TWI)发明的(发明专利US5460317)，该技术的原理是利用高速旋转的搅拌头(FSW Tool)插入焊缝中，搅拌头与工件之间产生摩擦热使工件处于塑性状态并被破碎、混合，在一定的压力作用下连接在一起，搅拌头高速旋转并向前移动，处于塑性状态的金属不断地从前端移动到后端，通过轴肩的挤压联合作用，形成致密的焊缝，从而完成了固相连接。在搅拌摩擦焊技术中，搅拌头是核心部分，其是焊缝成形所需热量的主要来源，也是焊缝区材料实现定向转移的载体，同时也是焊缝区材料与其周边材料实现连接的工具。

搅拌摩擦焊焊后没有焊缝余高，但却形成了特有的“飞边”现象，最终造成了焊缝处材料损失，使得焊缝处发生了“减薄效应”，焊缝的高度低于了焊接前母材的厚度。目前控制减薄的方法主要是减小焊接时的下压力或者将焊缝处的材料高度增加，这些方法都不能很好的控制减薄，前者严重的影响了焊接质量，后者费时、费料，且效果也不是很明显。

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改成了内凹面，然而其并未改变焊接的“飞边”现象，焊缝的减薄量并未得到很好的控制。

申请号为200710135575.4，发明名称为《一种搅拌摩擦焊的焊具》的中国专利所设计的搅拌头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，但搅拌针形状的设计并未很好的控制焊缝处金属流动方向，使得金属停留在焊缝中心并被压缩而减小焊缝的减薄程度，最终还是导致“飞边”现象严重，金属损失，“减薄效应”严重。

申请号为200610135150.9，发明名称为《一种组合式搅拌摩擦焊工具》的中国专利所设计的搅拌头是将轴肩与搅拌针分开，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，其主要目的就是对易损的搅拌针容易更换，这样的搅拌头仍然不能控制焊接时的“减薄效应”。

申请号为200710302169.2，发明名称为《一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头》中国专利所设计的搅拌头可以有效的去除摩擦焊接“飞边”，获得高质量的表面平整光滑的搅拌摩擦焊焊缝，但是此搅拌头也未能控制焊接时的“减薄效应”。

但是搅拌头的设计改进和专利申请主要集中在轴肩的设计、搅拌针的设计和去“飞边”组合设计，未曾涉及解决搅拌摩擦焊焊接中由于搅拌头和搅拌摩擦焊焊接特点导致的焊接“减薄效应”发生，上述专利所提出的搅拌头在焊接摩擦焊焊接中均存在“减薄效应”现象，严重影响了焊接质量及后序加工工艺。

发明内容

本发明的目的是针对现有的搅拌焊接用搅拌头无法解决焊缝厚度减薄的问题，设计一种能在搅拌摩擦焊接过程中有效控制焊缝减薄厚度的组合式搅拌头。

本发明的技术方案是：

一种能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头，其特征是主要由搅拌头基体1和外轴肩2组成，所述的搅拌头基体1主要由夹持柄3、支承肩台4、内轴肩5和搅拌针6组成；搅拌针6、夹持柄3和内轴肩5为整体结构，搅拌针6和夹持柄3分别布置在内轴肩5的两端，支承肩台4套接在支承柄3上；所述的外轴肩2主要由外轴肩套筒7、刀具底座8、刀片9、外轴肩固定螺钉10和固定螺纹通孔11组成；外轴肩套筒7为圆柱套筒结构，它的一端与支承肩台4相抵，在外轴肩套筒7的外表面上钻有垂直于内轴肩5旋转轴线的固定螺纹通孔11；在外轴肩套筒7的另一端上设有与外轴肩套筒7一体的刀具底座8，刀片9焊接在刀具底座8上，外轴肩2套接于内轴肩5上并通过旋装在固定螺纹孔11中的外轴肩固定螺钉10实现周向固定；所述的搅拌针6为圆锥体结构，在圆锥体表面设有螺纹12，螺纹12方向为从搅拌针头部13到搅拌针尾部14，搅拌针尾部14与内轴肩5通过一个凹球冠面15相连，搅拌针头部13为半球形结构，在搅拌针6圆锥体表面还至少设有四条均匀分布的沿轴向的螺纹槽16，螺纹槽16从搅拌针头部13延伸到搅拌针尾部14；所述的内轴肩5的靠近搅拌针6一端的端面上设有数量与所述的螺纹槽16数量相等的阿基米德螺纹线状槽口17，所述槽口17的断面呈U形结构，所述槽口17的起始位置与螺纹槽16位于搅拌针尾部14的一端相对，所述槽口17的止于内轴肩5的外环19面。

所述的槽口17的宽度和深度随阿基米德螺纹线路径18逐渐减小，其中靠近内轴肩5的外环19一端的终止端的宽度和深度约为靠近凹球冠面15起始端的30～60％，阿基米德螺纹线路径18的旋向与螺纹槽16旋向一致。

所述的外轴肩2上的刀具底座8沿外轴肩套筒7圆周方向均匀分布，数量与所述槽口17的数量相同，刀具底座8的一面为斜面，该斜面相对于内轴肩5旋转轴线的夹角为30°～60°，刀具底座8的另一面内凹在外轴肩套筒7内壁上，刀片9安装固定在刀具底座8的斜面上；在外轴肩套筒7内壁上与刀具底座8上的斜面相对位置处开有一个圆弧形小口20，圆弧形小口20的底端长度和高度均与内轴肩外环19上槽口17长度和宽度一致；圆弧形小口20内侧的圆弧曲线21的弯曲方向与槽口17的阿基米德螺纹线路径18旋向相同。

本发明的有益效果：

本发明的组合式搅拌头，在搅拌摩擦焊过程中可以有效的控制焊缝减薄厚度，去除飞边，获得高质量的表面平整光滑的焊缝，避免了搅拌摩擦焊严重的“减薄效应”的发生。

利用本发明提供的搅拌头进行搅拌摩擦焊在焊接过程中既可以有效的控制焊接减薄效应发生，又可以去除焊后的飞边现象，大大提高了生产效率和焊接质量。

本发明的组合式搅拌头在去除外轴肩后，还可以作为一种普通的搅拌头使用，使本发明的搅拌头实现一头多用的目有，提高了实用性。

附图说明

图1(a)为本发明的组合式搅拌头的结构示意图；

图1(b)为本发明的组合式搅拌头的立体分解结构示意图；

图2为发明搅拌头基体的结构示意图；

图3为本发明的组合式搅拌头的搅拌针的三维结构示意图；

图4为本发明的组合式搅拌头的内轴肩靠近搅拌针底端的端面结构示意图；

图5为本发明的组合式搅拌头的外轴肩结构示意图；

图6为本发明的组合式搅拌头的外轴肩内的刀具底座的结构示意图；

图7为本发明的组合式搅拌头的外轴肩内的刀片的结构示意图；

图8为本发明的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-7所示。

一种能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头，它主要由搅拌头基体1和外轴肩2组成，所述的搅拌头基体1主要由夹持柄3、支承肩台4、内轴肩5和搅拌针6组成；搅拌针6、夹持柄3和内轴肩5为整体结构，搅拌针6和夹持柄3分别布置在内轴肩5的两端，支承肩台4套接在支承柄3上；所述的外轴肩2主要由外轴肩套筒7、刀具底座8、刀片9、外轴肩固定螺钉10和固定螺纹通孔11组成；外轴肩套筒7为圆柱套筒结构，它的一端与支承肩台4相抵，在外轴肩套筒7的外表面上钻有垂直于内轴肩5旋转轴线的固定螺纹通孔11；在外轴肩套筒7的另一端上设有与外轴肩套筒7一体的刀具底座8，刀片9焊接在刀具底座8上，外轴肩2套接于内轴肩5上并通过旋装在固定螺纹孔11中的外轴肩固定螺钉10实现周向固定；所述的搅拌针6为圆锥体结构，在圆锥体表面设有螺纹12，螺纹12方向为从搅拌针头部13到搅拌针尾部14，搅拌针尾部14与内轴肩5通过一个凹球冠面15相连，搅拌针头部13为半球形结构，在搅拌针6圆锥体表面还至少设有四条均匀分布的沿轴向的螺纹槽16，螺纹槽16从搅拌针头部13延伸到搅拌针尾部14；所述的内轴肩5的靠近搅拌针6一端的端面上设有数量与所述的螺纹槽16数量相等的阿基米德螺纹线状槽口17，所述槽口17的断面呈U形结构，所述槽口17的起始位置与螺纹槽16位于搅拌针尾部14的一端相对，所述槽口17的止于内轴肩5的外环19面。具体实施时所述的槽口17的宽度和深度可随阿基米德螺纹线路径18逐渐减小，其中靠近内轴肩5的外环19一端的终止端的宽度和深度约为靠近凹球冠面15起始端的30～60％，阿基米德螺纹线路径18的旋向与螺纹槽16旋向一致。所述的外轴肩2上的刀具底座8可沿外轴肩套筒7圆周方向均匀分布，数量与所述槽口17的数量相同，刀具底座8的一面为斜面，该斜面相对于内轴肩5旋转轴线的夹角为30°～60°，刀具底座8的另一面内凹在外轴肩套筒7内壁上，刀片9安装固定在刀具底座8的斜面上；在外轴肩套筒7内壁上与刀具底座8上的斜面相邻位置处开有一个圆弧形小口20，圆弧形小口20的底端长度和高度均与内轴肩外环19上槽口17长度和宽度一致；圆弧形小口20内侧的圆弧曲线21的弯曲方向与槽口17的阿基米德螺纹线路径18旋向相同。

详述如下：

如图1(a)和图2所示，该搅拌头为组合式结构，它由搅拌头基体1和外轴肩2组成。搅拌头基体1包括夹持柄3、支承轴台4、内轴肩5和搅拌针6组成。外轴肩2由外轴肩套筒7、刀具底座8、刀片9、外轴肩固定螺钉10和固定螺纹通孔11等组成。图1(b)为搅拌头的三维爆炸图，从图中可以看出各零部件组装方式。

本发明所提出的降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊组合式搅拌头夹持柄3、支承肩台4、内轴肩5、搅拌针6和外轴肩套筒7同轴，且夹持柄3、支承肩台4和内轴肩5为同轴圆柱体，夹持柄3上铣有夹持平面22；搅拌针6为圆锥体结构。在设计中，夹持柄3、支承肩台4、内轴肩5和搅拌针6设计为一个整体结构，如图1(b)所示。

如图3所示，搅拌针6为圆锥体结构，搅拌针头部13为半球冠状结构，尾部14与内轴肩5相连，在搅拌针6圆锥体表面铣有螺纹12，螺纹角为50～70°；搅拌针6圆柱体表面还车有至少四条均匀分布的轴向螺纹槽16，其螺纹角为55～85°，深度为1～3mm。

如图4所示，内轴肩5靠近搅拌针6尾部14的端面开有凹面球冠15，其深度为2～3mm，同时凹面球冠15表面开有横断面呈U形的U形槽口17，其起始位置与搅拌针尾部14的螺纹槽16的位置一致。U形槽口17的形状是以U形面为侧面，按阿基米德螺纹线路径18加工而成，U形槽口17结束于内轴肩外环19，U形槽口17的宽度和深度随阿基米德螺纹线路径18逐渐减小，终止端的宽度和深度一般为起始端的30-60％，U形槽口17数量与螺纹槽16相同，阿基米德螺纹线路径方向也与螺纹槽16旋转方向一致。

如图5、6所示，外轴肩2的外轴肩套筒7上均匀对称分布有与U形槽口17数量相同的连接用固定螺纹通孔11，刀具底座8沿外轴肩套筒7圆周方向均匀分布，数量与U形槽口17数量相同，刀具底座8的一面为斜面，相对于内轴肩5旋转轴线的夹角为30～60°，刀具底座8的另一面与外轴肩套筒7为一体。在刀具底座8的斜面上通过钎焊焊有刀片9。在刀具底座8的斜面相对位置处开有一个圆弧形小口20(与斜面处于同一个安装孔中，如图5)，圆弧形小口20的底端长度和高度均与内轴肩外环19的U形槽口17长度和宽度一致。圆弧形小口20内侧的圆弧曲线21的弯曲方向与U形槽口17的阿基米德螺纹线路径18旋向一致。

图7为刀片9的结构示意图，它通过钎焊的方式焊接在外轴肩套筒7上的刀具底座8的斜面上，其切削刃可以通过手持砂轮进行打磨，既方便又经济。

如图8所示，当搅拌头工作时，搅拌针6通过其锥体表面的螺纹12旋入加工材料里面，并通过螺纹槽16散热并将挤压的材料推进到内轴肩5的凹面球冠15内，通过主轴旋转，将凹面球冠15内的材料均匀分布到各U形槽口17内，并通过内轴肩5的下压力形成焊缝；但在焊接过程中不免有材料被挤出内轴肩5的外围形成飞边，此时通过外轴肩2的刀片9将飞边材料剪切挤进圆弧形小口20内，再通过旋转惯性力作用将挤进圆弧形小口20内的材料顺U形槽口17再次挤入内轴肩5内，以保证焊缝处的材料不被损失。

本发明的搅拌头焊接的焊缝既控制了搅拌摩擦焊的减薄效应问题，又得到了高质量的表面平整光滑的搅拌摩擦焊焊缝。同时本发明的搅拌头在卸去外轴肩，可以作为普通的搅拌头使用。

实例1。

采用高速钢作为工具材料，采用车、铣、刨和钻等加工方法按加工工艺分别加工出搅拌基体的搅拌针、内轴肩、夹持柄和支撑平台以及外轴肩上刀具底座焊接的刀片，并且通过热处理方法将上述各零部件硬度提高到55～65HRC，并对相应的部位进行精磨处理。外轴肩的外轴肩套筒采用45#钢材，通过车、铣、钻及攻丝等加工方法按加工工艺加工出，并通过钎焊技术将刀片焊接在外轴肩套筒上的刀具底座上。用手持砂轮机去除刀具周边突出部位。外轴肩固定螺钉按规格直接从市场购买。搅拌针上的螺纹角为60°，搅拌针上的螺纹槽深度为1.5mm，内轴肩的凹面球冠深度为2.5mm，螺纹槽、U形槽口、圆弧形小口、刀具底座、刀片、外轴肩固定螺钉和固定螺纹通孔均为4个，且分布均匀。按上述的工艺将组合式控制焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊搅拌头组合而成。材料选用铝合金，厚度为10mm，通过本发明设计的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，焊缝的最低高度为9.8mm，焊缝的减薄程度控制在2％，焊缝部位无飞边，且表面平整光滑。

比较例1

采用同样的材料作为工具材料，且去除外轴肩、内轴肩的U形槽口、搅拌针上的螺纹及螺纹槽，其他尺寸及工艺同上，焊接的材料、焊接的工艺参数(下压力p、旋转速度ω和焊接速度υ)同上。通过焊接测量得出焊缝的最低高度为9.2mm，其减薄了8％，焊缝部位飞边严重，高度达到2mm，表面粗糙且不平整。

实例2

采用硬质合金(钨钛钴合金)作为工具材料，通过相应加工方法及加工工艺分别加工出搅拌基体的搅拌针、内轴肩、夹持柄和支撑平台以及外轴肩上刀具底座焊接的刀片，其硬度达到92.5HRA，并对相应的部位进行精磨处理。外轴肩的外轴肩套筒采用45#钢材，通过车、铣、钻及攻丝等加工方法按加工工艺加工出，并通过钎焊技术将刀片焊接在外轴肩套筒上的刀具底座上。用手持砂轮机去除刀具周边突出部位。外轴肩固定螺钉按规格直接从市场购买。搅拌针上的螺纹角为55°，搅拌针上的螺纹槽深度为3mm，内轴肩的凹面球冠深度为3mm，螺纹槽、U形槽口、圆弧形小口、刀具底座、刀片、外轴肩均为5个，均匀分布。固定螺钉和固定螺纹通孔均为4个，且分布均匀。按上述的工艺将组合式控制焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊搅拌头组合而成。材料选用铝合金，厚度为30mm，通过本发明设计的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，焊缝的最低高度为29.55mm，焊缝的减薄程度控制在1.5％，焊缝部位无飞边，且表面平整光滑。

比较例2

采用同样的材料作为工具材料，且去除外轴肩、内轴肩的U形槽口、搅拌针上的螺纹及螺纹槽，其他尺寸及工艺同上，焊接的材料、焊接的工艺参数(下压力p、旋转速度ω和焊接速度υ)同上。通过焊接测量得出焊缝的最低高度为27.3mm，其减薄了9％，焊缝部位飞边严重，高度达到3mm，表面粗糙且不平整。

由上述两个实例的比较可知，本发明的组合式搅拌头可以有效的控制搅拌摩擦焊焊缝减薄效应的发生，同时还可获得高质量的焊接表面质量。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头，其特征是它主要由搅拌头基体(1)和外轴肩(2)组成，所述的搅拌头基体(1)主要由夹持柄(3)、支承肩台(4)、内轴肩(5)和搅拌针(6)组成；搅拌针(6)、夹持柄(3)和内轴肩(5)为整体结构，搅拌针(6)和夹持柄(3)分别布置在内轴肩(5)的两端，支承肩台(4)套接在支承柄(3)上；所述的外轴肩(2)主要由外轴肩套筒(7)、刀具底座(8)、刀片(9)、外轴肩固定螺钉(10)和固定螺纹通孔(11)组成；外轴肩套筒(7)为圆柱套筒结构，它的一端与支承肩台(4)相抵，在外轴肩套筒(7)的外表面上钻有垂直于内轴肩(5)旋转轴线的固定螺纹通孔(11)；在外轴肩套筒(7)的另一端上设有与外轴肩套筒(7)一体的刀具底座(8)，刀片(9)焊接在刀具底座(8)上，外轴肩(2)套接于内轴肩(5)上并通过旋装在固定螺纹孔(11)中的外轴肩固定螺钉(10)实现周向固定；所述的搅拌针(6)为圆锥体结构，在圆锥体表面设有螺纹(12)，螺纹(12)方向为从搅拌针头部(13)到搅拌针尾部(14)，搅拌针尾部(14)与内轴肩(5)通过一个凹球冠面(15)相连，搅拌针头部(13)为半球形结构，在搅拌针(6)圆锥体表面还至少设有四条均匀分布的沿轴向的螺纹槽(16)，螺纹槽(16)从搅拌针头部(13)延伸到搅拌针尾部(14)；所述的内轴肩(5)的靠近搅拌针(6)一端的端面上设有数量与所述的螺纹槽(16)数量相等的阿基米德螺纹线状槽口(17)，所述槽口(17)的断面呈U形结构，所述槽口(17)的起始位置与螺纹槽(16)位于搅拌针尾部(14)的一端相对，所述槽口(17)止于内轴肩(5)的外环(19)。

2.根据权利要求1所述的组合式搅拌头，其特征是所述的槽口(17)的宽度和深度随阿基米德螺纹线路径(18)逐渐减小，其中靠近内轴肩(5)的外环(19)一端的终止端的宽度和深度约为靠近凹球冠面(15)起始端的30～60％，阿基米德螺纹线路径(18)的旋向与螺纹槽(16)旋向一致。

3.根据权利要求1所述的组合式搅拌头，其特征是所述的外轴肩(2)上的刀具底座(8)沿外轴肩套筒(7)圆周方向均匀分布，数量与所述槽口(17)的数量相同，刀具底座(8)的一面为斜面，该斜面相对于内轴肩(5)旋转轴线的夹角为30°～60°，刀具底座(8)的另一面内凹在外轴肩套筒(7)内壁上，刀片(9)安装固定在刀具底座(8)的斜面上；在外轴肩套筒(7)内壁上与刀具底座(8)上的斜面相对位置处开有一个圆弧形小口(20)，圆弧形小口(20)的底端长度和高度均与内轴肩外环(19)上槽口(17)长度和宽度一致；圆弧形小口(20)内侧的圆弧曲线(21)的弯曲方向与槽口(17)的阿基米德螺纹线路径(18)旋向相同。

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