CN102350586B - 能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头 - Google Patents
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Abstract
一种能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，它主要由整体式搅拌针（1）和可拆卸式轴肩（2）及夹持柄（3）组成，其特征是所述的整体式搅拌针（1）由柱体（1-4）和锥形头部（1-5）整体相连而成，在柱体（1-4）的上端设有储料室（1-1），柱体（1-4）的中心设有输料孔（1-2），在锥形头部（1-5）上设有与输料孔（1-2）相通的径向喷孔（1-3）；所述的可拆卸式轴肩（2）套装在柱体（1-4）上，可拆卸式轴肩（2）的下端面与锥形头部（1-5）的上端面相抵，可拆卸式轴肩（2）的上端与夹持柄（30的下端相抵；挤压活塞（3-1）的主体伸入储料室（1-4）中，挤压活塞（3-1）的另一端伸出夹持柄（3）与施力装置（3-2）相连。本发明能减少摩擦焊过程中的基材减薄和飞边现象，明显提高焊接件的机械力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接工具，尤其是一种摩擦焊搅拌头，具体地说一种可以提高搅拌摩擦连接区力学性能和有效控制搅拌摩擦连接区厚度减薄的搅拌头。
背景技术
目前，搅拌摩擦连接（简称FSJ，俗称搅拌摩擦焊，又简称FSW）是一种固相连接技术，其是1991年英国焊接研究所（TWI）发明的（发明专利US5460317），该技术的原理就是把高速旋转的搅拌头插入工件中，搅拌头与工件之间通过搅拌产生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。
搅拌摩擦连接其连接区性能要比熔化焊接性能高得多，但与母材相比，其力学性能还是有一定的差距，这对于船舶、飞机等制造业来说，如果连接区的性能不高，易造成事故发生。另外搅拌摩擦连接时，经常出现连接区两边 “飞边”现象，这使得连接区厚度降低，这也是造成连接区力学性能下降的一个原因。
英国焊接研究所就搅拌摩擦焊技术申请的中国专利（CN 1144499A）、专利《一种搅拌摩擦焊的焊具》（申请号：200710135575.4）、专利《一种组合式搅拌摩擦焊工具》（申请号：200610135150.9）和专利《一种组合式去飞边搅拌摩擦焊搅拌头》（申请号：200710302169.2）中，虽然有些解决了飞边问题，但效果不是很好，而且连接区力学性能的提高没有得到体现，这严重阻碍了搅拌摩擦连接技术在各大工业制造中的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有的摩擦焊由于搅拌头结构设计不合理导至焊接过程中易出现焊接缺陷的问题，设计一种能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头。
本发明的技术方案是：
一种能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，它主要由整体式搅拌针1和可拆卸式轴肩2及夹持柄3组成，其特征是所述的整体式搅拌针1由柱体1-4和锥形头部1-5整体相连而成，在柱体1-4的上端设有储料室1-1，柱体1-4的中心设有与储料室1-1相通的输料孔1-2，在锥形头部1-5上设有径向喷孔1-3，径向喷孔1-3与输料孔1-2相通；所述的可拆卸式轴肩2套装在柱体1-4上，可拆卸式轴肩2的下端面与锥形头部1-5的上端面相抵，可拆卸式轴肩2的上端与也套装在柱体1-4上的夹持柄30的下端相抵；挤压活塞3-1的主体伸入储料室1-4中对其中的填充料4加压使之通过输料孔1-2和喷嘴进入焊接区域中，挤压活塞3-1的另一端伸出（密封）夹持柄3与施力装置3-2相连。
所述的可拆卸式轴肩2由上轴肩2-1和下轴肩2-2组成，在上轴肩2-1和下轴肩2-2之间安装有弹簧2-3。
所述的弹簧2-3数量一般为4、6或8个，取偶数便于轴肩受力均匀。
所述的填充料4为有利于提高搅拌摩擦连接区力学性能的耐磨、耐腐蚀纳米稀土金属。
所述的径向喷孔1-3的数量至少为2个。
本发明的有益效果：
本发明所提供的能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，搅拌摩擦连接过程中可以有效的控制连接区力学性能和连接区厚度，避免了搅拌摩擦连接区发生厚度减少现象发生。采用本发明提供的搅拌头进行搅拌摩擦连接，连接过程中通过搅拌头在连接区添加增强力学性能的稀有金属元素，一方面增强了连接区力学性能，另一方面增加了因飞边而减少的金属材料，保证了连接区厚度不变。这种搅拌头既可以提高连接区性能又可以有效控制连接区厚度降低，其大大提高了生产效率和连接区质量。另外可拆卸轴肩上弹簧可以帮助控制连接区金属的致密性，当连接区金属松疏，弹簧向下挤压。当连接区金属致密，弹簧向上挤压，这保证了连接区金属致密性基本一致，从而保证了连接区力学性能的一致性、均匀性。因此，本发明设计的搅拌头具有着很强的实用性。
附图说明
图1为本发明的结构图。
图2为本发明的整体式搅拌针的结构示意图。
图3为本发明的可拆卸式轴肩的结构示意图。
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1-3所示。
一种能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，它主要由整体式搅拌针1和可拆卸式轴肩2及夹持柄3组成，如图1所示，可拆卸式轴肩2的材料可采用公知的普通钢材，整体式搅拌针1则可根据加工材料不同选择工具钢和钨铼合金等，夹持柄3中夹持柄主体3-3可选择45#钢，挤压活塞3-1可选择硬质合金钢。所述的整体式搅拌针1由柱体1-4和锥形头部1-5整体相连而成，在柱体1-4的上端设有用于装填填充料4的储料室1-1，填充料4可采用有利于提高搅拌摩擦连接区力学性能的耐磨、耐腐蚀纳米稀土金属；柱体1-4的中心设有与储料室1-1相通的输料孔1-2，在锥形头部1-5上设有至少2个径向喷孔1-3，径向喷孔1-3与输料孔1-2相通，如图2所示；所述的可拆卸式轴肩2套装在柱体1-4上，可拆卸式轴肩2的下端面与锥形头部1-5的上端面相抵，可拆卸式轴肩2的上端与也套装在柱体1-4上的夹持柄30的下端相抵，可拆卸式轴肩2由上轴肩2-1和下轴肩2-2组成，在上轴肩2-1和下轴肩2-2之间安装有弹簧2-3，如图3所示，弹簧2-3数量一般为4、6或8个，取偶数便于轴肩受力均匀；挤压活塞3-1的主体伸入储料室1-4中对其中的填充料4加压使之通过输料孔1-2和喷嘴进入焊接区域中，挤压活塞3-1的另一端伸出夹持柄3与施力装置3-2相连，施力装置3-2可为液压装置、气动装置或其它的机械施力装置，挤压活塞3-1与夹持柄3主体3-3相接触部分应采用密封结构，以防止填充料4沿挤压活塞3-1的轴向漏出。
此外，具体实施时，为了能及时补充填料，还可在夹持柄3上加孔出用于加料的孔，并使加料孔与储料室1-1相通，在加料孔的入口端加装密封盖。
本发明的可拆卸式轴肩2与整体式搅拌针1均为独立部件，使用时，应将可拆卸式轴肩2套在整体式搅拌针1上。而可拆卸轴肩2上弹簧2-3可以帮助控制连接区金属的致密性，当连接区金属松疏，弹簧向下挤压。当连接区金属致密，弹簧向上挤压，这保证了连接区金属致密性基本一致，从而保证了连接区力学性能的一致性、均匀性。
利用本发明的搅拌头对10mm厚7022铝合金进行搅拌摩擦连接，填充料4主要是采用钴、锰、镍等混合纳米粉末，获得的连接区厚度基本与母材厚度相同，连接区力学性能为母材的95%左右，而普通的搅拌搅拌摩擦连接7022铝合金，获得的连接区厚度为9.2mm，连接区力学性能仅为母材的85%左右。本发明的搅拌头提高了连接区力学性能11.8%，连接区厚度提高了8.7%。明显改善了摩擦焊的机械性能。
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)
1.一种能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，它主要由整体式搅拌针（1）和可拆卸式轴肩（2）及夹持柄（3）组成，其特征是所述的整体式搅拌针（1）由柱体（1-4）和锥形头部（1-5）整体相连而成，在柱体（1-4）的上端设有储料室（1-1），柱体（1-4）的中心设有与储料室（1-1）相通的输料孔（1-2），在锥形头部（1-5）上设有径向喷孔（1-3），径向喷孔（1-3）与输料孔（1-2）相通；所述的可拆卸式轴肩（2）套装在柱体（1-4）上，可拆卸式轴肩（2）的下端面与锥形头部（1-5）的上端面相抵，可拆卸式轴肩（2）的上端与也套装在柱体（1-4）上的夹持柄（3）的下端相抵；挤压活塞（3-1）的主体伸入储料室（1-4）中对其中的填充料（4）加压使之通过输料孔（1-2）和喷嘴进入焊接区域中，挤压活塞（3-1）的另一端伸出夹持柄（3）与施力装置（3-2）相连；所述的可拆卸式轴肩（2）由上轴肩（2-1）和下轴肩（2-2）组成，在上轴肩（2-1）和下轴肩（2-2）之间安装有弹簧（2-3）；所述的弹簧（2-3）数量为4、6或8个，取偶数便于轴肩受力均匀。
2.根据权利要求1所述的能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，其特征是所述的填充料（4）为有利于提高搅拌摩擦连接区力学性能的耐磨、耐腐蚀纳米稀土金属。
3.根据权利要求1所述的能增强搅拌摩擦连接区力学性能的搅拌头，其特征是所述的径向喷孔（1-3）的数量至少为2个。
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