CN102581470A - 一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具 - Google Patents

一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具 Download PDF

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邹家生
赵勇
叶友利
许俊华
喻利花
张豪
张捷
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Abstract

本发明公开了一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，所述焊具由夹持体和安装在夹持体一端的搅拌头以及紧固螺钉组成的组合结构，所述夹持体为一大小直径的圆柱体，其中大直径段圆柱体的端面开设有一中心盲孔，大直径段圆柱体外圆面上开设有安装紧固螺钉的一垂直中心盲孔中心线的螺纹通孔；所述搅拌头为一“”字形圆柱体，所述“
Figure DDA0000139719660000012
”字形圆柱体的上平面上设有圆锥形搅拌针，所述“”字形圆柱体的下段圆柱体安装在所述夹持体大直径段圆柱体端面开设的中心盲孔中。本发明既节约制作搅拌头昂贵的高熔点高热强性材料，降低加工制作成本，又便于进行搅拌头的尺寸修改，提高了焊具的实用性。

Description

一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具
技术领域
本发明属于材料连接技术领域，涉及一种搅拌摩擦焊的焊具，尤其涉及一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具。
背景技术
超高强度铝合金是广泛应用于航空航天、交通运输和其它工业部门的重要结构材料之一，具有强度高、密度小，以及优良的综合性能。采用传统的铸造制备工艺，因合金元素的固溶量低而导致合金固溶强化效果不明显，喷射成形技术的发展为开发新一代超高强铝合金提供了新的途径，该技术可大幅提高合金元素的固溶度，细化晶粒、均匀组织、消除宏观偏析等，从而使材料的性能显著提高，特别是抗拉强度和屈服强度。
以美国、日本、英国、德国、法国、意大利为代表的工业发达国家均在90年代初采用喷射沉积技术开发成功了含Zn量8％(质量分数)以上(最高达14％)，抗拉强度为780～830MPa，δ为10％～13％的新一代超高强7000系铝合金产品，被广泛用于制造各种航空航天器中的结构部件、高速列车挂钩、赛车和其它体育竞技器材中的零部件等，但焊接过程的特殊性使得焊接接头无法采用相同的强韧化机理来提高性能，制约了其在大飞机等重要航空航天领域的应用。
喷射成形技术实现了金属凝固过程的快速凝固、原位凝固和高致密度多重技术指标，既突破了铸造工艺缓慢凝固、宏观偏析和疏松的技术瓶颈，又突破了粉末冶金工艺的难以致密化、构件规格小的技术瓶颈，使金属材料实现高性能和大规格的双重提高。采用喷射成形技术制备的Al-Zn-Mg-Cu高性能铝合金在制备大型飞机结构部件时，必然会牵涉到连接技术。而连接接头的性能将会影响到整个结构件的性能。大型客机和运输机的生产能力能反映一个国家的综合工业和经济实力，已经成为中国航空工业发展的重点。需要采用超高强铝合金的零部件形状千差万别，由于设备的能力以及铸锭的尺寸问题，不可能由铸、锻工艺解决所有的问题。焊接加工已经成为喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金扩大应用的关键工艺。
由于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金的强韧性原理和特点，使其焊接技术必然面临两大困难：即母材金属熔化后再凝固结晶时过饱和Zn的析出以及母材金属和焊缝金属的性能匹配问题。
熔化焊具有设备简单，操作方便，适应性强等优点，被广泛应用于铝合金的焊接。但基于上述喷射成形铝合金强韧性的原理，熔化焊的焊缝强度要达到母材的强度，其难度是非常大的。
搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型低温固相连接技术，适用于低熔点合金焊接。1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)发明，该技术的原理是利用高速旋转的搅拌头插入接缝中，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使焊接接缝区处于热塑性状态并被破碎、混合，在一定的压力作用下被连接在一起，搅拌头朝焊接方向高速旋转并挤压，而在搅拌头的后方则形成了焊缝，从而完成了固态连接。目前各国都在竞相研发，在航天航空、船舶、高速列车、装甲战车等领域有着广泛应用。搅拌摩擦焊是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成固态连接，该技术具有金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低等突出的优点，因此搅拌摩擦焊非常适合焊接喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金，从目前的研究结果来看，搅拌摩擦焊焊接喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金已经具备大规模工业应用的条件。
目前的搅拌摩擦焊搅拌头材料多数是工具钢，其强度和硬度可以满足普通铝合金的搅拌摩擦焊，但喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金由于具有780～830MPa的抗拉强度，所以原有的工具钢材料已经不能满足搅拌摩擦焊的要求。若采用硬度更高的硬质合金，由于其加工和制造的困难，并且价格较高，所以不适合加工整体的搅拌头。常规的搅拌头的搅拌针长度是固定的，一定长度的搅拌针只能焊接对应厚度的焊缝，若要实现不同厚度焊缝的焊接就需要制造不同规格的搅拌头，特别是采用昂贵的高熔点材料制造的搅拌头，整体制造时，搅拌头造价昂贵，不适合大量制造。
发明内容
本发明的目的所要解决的技术问题是：由于现有的用于搅拌摩擦焊的搅拌头其材料强度和硬度不能满足780～830MPa喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金的要求，所以需要采用更高强度和硬度的搅拌头材料。由于整体结构搅拌头对于不同厚度的焊缝需要制造多种规格的搅拌头，而整体结构搅拌头也不利于对硬质合金焊具进行结构尺寸修改，所以提出一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊接的组合式硬质合金焊具。
为了达到上述目的，本发明解决技术问题所采取的技术方案是：
一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，所述焊具由夹持体和安装在夹持体一端的搅拌头以及紧固螺钉组成，所述夹持体为一大小直径的圆柱体，其中大直径段圆柱体的端面开设有一中心盲孔，大直径段圆柱体外圆面上开设有安装紧固螺钉的一垂直中心盲孔中心线的，螺纹通孔，所述搅拌头为一“”字形圆柱体，所述“
Figure BDA0000139719640000032
”字形圆柱体的上平面上设有圆锥形搅拌针，所述“
Figure BDA0000139719640000033
”字形圆柱体的下段圆柱体安装在所述夹持体大直径段圆柱体端面开设的中心盲孔中，所述圆锥形搅拌针表面还设置有螺纹线条。
所述夹持体小直径段圆柱体外圆面上加工有一平行轴线的平面。
所述“
Figure BDA0000139719640000034
”字形圆柱体的下段圆柱体外圆面上加工有一平行轴线的平面。
所述搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金。
所述的夹持体的材质为工具钢。
本发明的用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具具有以下优点和有益效果：
1、由于本发明的搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金，GT35在退火状态下有较好的加工性能，其硬度HRC为39～46，在淬火后其硬度可以达到HRC68～72，比工具钢的硬度HRC58～62要高许多，具有良好的耐磨性。
2、由于本发明的焊具采用组合式结构，既能节约制作搅拌头昂贵的高熔点高热强性材料，降低加工制作成本，又便于进行搅拌头的尺寸修改，提高了焊具的实用性，达到适合于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊接。
附图说明
图1为本发明的组合结构的示意图。
图中：1、夹持体；2、搅拌头；3、紧固螺钉。
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详细说明。
如图1所示，一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具为组合式结构，所述组合式结构由夹持体1和安装在夹持体1一端的搅拌头2以及紧固螺钉3组成，所述夹持体1为一大小直径的圆柱体，其中大直径段圆柱体的端面开设有一中心盲孔，大直径段圆柱体外圆面上开设有安装紧固螺钉3的一垂直中心盲孔中心线的螺纹通孔，小直径段圆柱体外圆面上加工有一平行轴线的平面；所述搅拌头2为一“
Figure BDA0000139719640000041
”字形圆柱体，所述“
Figure BDA0000139719640000042
”字形圆柱体的上平面上设置有圆锥形搅拌针，所述圆锥形搅拌针表面还设置有螺纹线条；所述“
Figure BDA0000139719640000043
”字形圆柱体的下段圆柱体安装在所述夹持体1大直径段圆柱体端面开设的中心盲孔中，所述“
Figure BDA0000139719640000044
”字形圆柱体的下段圆柱体对应螺纹通孔的外圆面上加工有一平行轴线的平面。
所述搅拌头2的材质为GT35钢结硬质合金。
所述的夹持体1的材质为工具钢。

Claims (6)

1.一种用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述焊具由夹持体和安装在夹持体一端的搅拌头以及紧固螺钉组成的组合结构，所述夹持体为一大小直径的圆柱体，其中大直径段圆柱体的端面开设有一中心盲孔，大直径段圆柱体外圆面上开设有安装紧固螺钉的一垂直中心盲孔中心线的螺纹通孔；所述搅拌头为一“
Figure FDA0000139719630000011
”字形圆柱体，所述“
Figure FDA0000139719630000012
”字形圆柱体的上平面上设有圆锥形搅拌针，所述“
Figure FDA0000139719630000013
”字形圆柱体的下段圆柱体安装在所述夹持体大直径段圆柱体端面开设的中心盲孔中。
2.根据权利要求1所述的用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述圆锥形搅拌针表面还设置有螺纹线条。
3.根据权利要求2所述的用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述夹持体小直径段圆柱体外圆面上加工有一平行轴线的平面。
4.根据权利要求1所述的用于喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述“
Figure FDA0000139719630000014
”字形圆柱体的下段圆柱体外圆面上加工有一平行轴线的平面。
5.根据权利要求1所述喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述的搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金。
6.根据权利要求1所述喷射成形Al-Zn-Mg-Cu铝合金搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述的夹持体的材质为工具钢。
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