CN102581475A - 倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具及方法 - Google Patents
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Abstract
倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具及方法，它涉及一种搅拌摩擦焊的焊具及方法，以解决现有双轴肩自持式搅拌摩擦焊需要预制导引孔和导出孔，搅拌摩擦焊过程中出现的热输入量过大导致接头性能降低的问题。焊具：上圆柱体、下圆柱体、主搅拌针、辅助搅拌针由上至下依次设置且制成一体，下圆柱体的下端面为凹形轴肩面，辅助搅拌针的上端面为凸形轴肩面。方法：一、确定辅助搅拌针的尺寸；二、确定凸形轴肩面与焊具中心轴线之间的下夹角；三、确定搅拌体的使用长度；四、确定凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的上夹角；五、焊具倾斜角的调整；六、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。本发明用于中空无支撑结构的焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊的焊具及方法，具体涉及一种用于中空无支撑结构并且在搅拌摩擦焊时倾角可以调节的焊具。
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所(The WeldingInstitute，TWI)发明以来，由于其具有焊接变形小、残余应力小，接头质量好、焊缝为细晶锻造组织结构，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时具有焊接操作简单、便于自动化焊接、焊接效率高等特点，搅拌摩擦焊已经在航天、航空、造船、列车、汽车、电力等多个工业制造领域得到广泛应用。在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高以及轻量化发展要求，对列车车体结构和焊接接头强度及其安全性的要求也越来越高。现代高速列车的车体已经形成以铝合金中空型材结构和搅拌摩擦焊接相结合的设计和制造主线。目前，铝合金列车壁板、顶板以及底板大都采用中空型材结构，中空型材结构的焊接是将搅拌摩擦焊技术应用于列车制造的重要方面。当前，对于中空型材结构的搅拌摩擦焊主要采用双轴肩自持式搅拌摩擦焊，双轴肩自持式搅拌摩擦焊在无支撑中空型材结构的焊接过程中，焊接前需要在启焊处预制导引孔，以便插入搅拌针；焊后，需预置导出孔，以便抽出搅拌针，预制导引孔和导出孔，难以形成封闭的结构完整的焊缝，还导致焊接过程操作复杂化；另外，在焊接过程中双轴肩搅拌摩擦焊针对不同的型材，倾斜角一般只能为0度，如果有倾斜角，背面的轴肩在焊接过程中具有切削作用，而不是应有的对焊缝的锻压作用；同时，存在焊接热输入大及搅拌针承载过大而影响接头的性能甚至造成搅拌针断裂。
发明内容
本发明的目的是为解决现有双轴肩自持式搅拌摩擦焊需要预制导引孔和导出孔，搅拌摩擦焊过程中出现的热输入量过大导致接头性能降低以及无刚性垫板支撑条件下焊缝难以成形的问题，提供一种倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具及方法。
本发明的焊具包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体和下圆柱体，搅拌体包括主搅拌针和辅助搅拌针，上圆柱体、下圆柱体、主搅拌针、辅助搅拌针由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体的外表面上设有夹持面，下圆柱体的外表面上设有至少两个环形隔热槽，主搅拌针为锥形体，主搅拌针的上端直径大于下端直径，主搅拌针的外表面设有螺纹，辅助搅拌针为锥形体，辅助搅拌针的下端为尖点，辅助搅拌针的锥形外表面沿圆周均布设有4～8个沟槽，所述下圆柱体的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面，所述辅助搅拌针的上端面为外边缘低于中心的凸形轴肩面。
本发明的方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、确定辅助搅拌针的尺寸：根据被焊件的厚度确定凹形轴肩面的凹形上轴肩直径、辅助搅拌针的轴肩直径和凹形轴肩面至辅助搅拌针的上端面之间的间距，凹形上轴肩直径为被焊件厚度的1.7倍～2.6倍，辅助搅拌针的轴肩直径为凹形上轴肩直径的0.2倍～0.4倍；
步骤二、确定凸形轴肩面与焊具中心轴线之间的下夹角：凸形轴肩面与焊具中心轴线之间的下夹角为45°～75°；
步骤三、确定搅拌体的使用长度：根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度，搅拌体的使用长度比被焊件的厚度小0.1mm～0.3mm；
步骤四、确定凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的上夹角：凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的上夹角为78°～82°；
步骤五、焊具倾斜角的调整：调整焊具的倾斜角即该焊具的焊具中心轴线与被焊件的法线的夹角，调整该夹角为1°～3°；
步骤六、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊：焊具以100转/分钟～1500转/分钟的转速，以1毫米/分钟～10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，凹形轴肩面的压入深度为0.1毫米～0.3毫米，以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。
本发明具有以下优点：一、本发明将搅拌摩擦焊焊具设计为具有主搅拌针和辅助搅拌针的一体式双轴肩的自持式搅拌摩擦焊具，且主搅拌针的上轴肩面为凹形轴肩面，辅助搅拌针的上轴肩面为凸形轴肩面，由于凸形轴肩面的直径远小于凹形轴肩面的直径，在搅拌摩擦焊接过程中，辅助搅拌针直接压入被焊件，不需要预制导引孔和导出孔，能够形成封闭的结构完整的焊缝，简化了操作过程，提高了中空无支撑结构件搅拌摩擦焊的适应能力。二、凸形轴肩面的直径远小于上凹形轴肩面的直径，解决了双轴肩自持式搅拌摩擦焊的热输入量过大的问题。三、辅助搅拌针的凸形轴肩面的引入使得搅拌摩擦焊过程中可以采取不同的焊具倾斜角，使得焊缝下表面成形良好。四、该焊具的主搅拌针的凹形轴肩面可以防止焊接过程中，塑性金属向外流动，保证了搅拌摩擦焊缝的上表面成形。五、辅助搅拌针的沟槽使得搅拌体在旋转过程中更容易压入无支撑中空结构型材中，避免了待焊工件的塌陷问题。
附图说明
图1是本发明倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具的整体结构主剖视图；图2是主搅拌针3和辅助搅拌针4的位置关系示意图；图3是图1的I局部放大图。
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，本实施方式包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体1和下圆柱体2，搅拌体包括主搅拌针3和辅助搅拌针4，上圆柱体1、下圆柱体2、主搅拌针3、辅助搅拌针4由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体1的直径小于下圆柱体2的直径，上圆柱体1的外表面上设有夹持面1-1，下圆柱体2的外表面上设有至少两个环形隔热槽2-1，主搅拌针3为锥形体，主搅拌针3的上端直径大于下端直径，主搅拌针3的外表面设有螺纹3-1，辅助搅拌针4为锥形体，辅助搅拌针4的下端为尖点，辅助搅拌针4的锥形外表面沿圆周均布设有4～8个沟槽4-1，沟槽4-1用以保证辅助搅拌针4能更容易的插入待焊工件中，下圆柱体2的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面2-2，凹形轴肩面2-2有效防止了塑性金属材料的流出，辅助搅拌针4的上端面为外边缘低于中心的凸形轴肩面4-2，凸形轴肩面4-2作为辅助搅拌针4的上凸结构，以满足搅拌摩擦焊过程中焊具倾角调整的需要。
具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的凸形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的夹角为下夹角α，下夹角α为45°～75°。凸形轴肩面4-2为辅助搅拌针4的轴肩面。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说明本实施方式，本实施方式的凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的夹角为上夹角β，上夹角β为78°～82°。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：本实施方式的焊具的材质为高速钢。高速钢可以重复使用。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具体说明本实施方式的实现步骤：
步骤一、确定辅助搅拌针4的尺寸：根据被焊件的厚度确定凹形轴肩面2-2的凹形上轴肩直径D1、辅助搅拌针4的轴肩直径D2和凹形轴肩面2-2至辅助搅拌针4的上端面之间的间距L，凹形上轴肩直径D1为被焊件厚度的1.7倍～2.6倍，辅助搅拌针4的轴肩直径D2为凹形上轴肩直径D1的0.2倍～0.4倍；
步骤二、确定凸形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的下夹角α：凸形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的下夹角α为45°～75°；
步骤三、确定搅拌体的使用长度L：根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度L，搅拌体的使用长度L比被焊件的厚度小0.1mm～0.3mm；
步骤四、确定凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的上夹角β：凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的上夹角β为78°～82°；
步骤五、焊具倾斜角的调整：调整焊具的倾斜角即该焊具的焊具中心轴线N-N与被焊件的法线的夹角，调整该夹角为1°～3°度；
步骤六、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊：焊具以100转/分钟～1500转/分钟的转速，以1毫米/分钟～10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，凹形轴肩面2-2的压入深度为0.1毫米～0.3毫米，以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。
具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤一中凹形上轴肩直径D1为被焊件厚度的2倍，辅助搅拌针4的轴肩直径D2为凹形上轴肩直径D1的0.3倍。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤二中凸形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的下夹角α为55°；步骤四中凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N的之间的上夹角β为80°。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中搅拌体的使用长度L比被焊件的厚度小0.2mm。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤五中焊具的焊具中心轴线N-N与被焊件的法线的夹角为2°度。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式十：本实施方式为步骤六中焊具以800转/分钟的转速，以3毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，凹形轴肩面2-2的压入深度为0.2毫米，以300毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。其它步骤与具体实施方式五相同。
具体实施方式十一：本实施方式为步骤六中焊具以500转/分钟的转速，以2毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，凹形轴肩面2-2的压入深度为0.2毫米，以100毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。其它步骤与具体实施方式五相同。
Claims (10)
1.一种倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具，所述焊具包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体(1)和下圆柱体(2)，其特征在于：所述搅拌体包括主搅拌针(3)和辅助搅拌针(4)，上圆柱体(1)、下圆柱体(2)、主搅拌针(3)、辅助搅拌针(4)由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体(1)的直径小于下圆柱体(2)的直径，上圆柱体(1)的外表面上设有夹持面(1-1)，下圆柱体(2)的外表面上设有至少两个环形隔热槽(2-1)，主搅拌针(3)为锥形体，主搅拌针(3)的上端直径大于下端直径，主搅拌针(3)的外表面设有螺纹(3-1)，辅助搅拌针(4)为锥形体，辅助搅拌针(4)的下端为尖点，辅助搅拌针(4)的锥形外表面沿圆周均布设有4～8个沟槽(4-1)，所述下圆柱体(2)的下端面为外边缘高于中心的凹形轴肩面(2-2)，所述辅助搅拌针(4)的上端面为外边缘低于中心的凸形轴肩面(4-2)。
2.根据权利要求1所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述凸形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的夹角为下夹角(α)，下夹角(α)为45°～75°。
3.根据权利要求1或2所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的夹角为上夹角(β)，上夹角(β)为78°～82°。
4.根据权利要求3所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述焊具的材质为高速钢。
5.一种利用权利要求1所述焊具实现倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述方法是通过以下步骤实现的：
步骤一、确定辅助搅拌针(4)的尺寸：根据被焊件的厚度确定凹形轴肩面(2-2)的凹形上轴肩直径(D1)、辅助搅拌针(4)的轴肩直径(D2)和凹形轴肩面(2-2)至辅助搅拌针(4)的上端面之间的间距(L)，凹形上轴肩直径(D1)为被焊件厚度的1.7倍～2.6倍，辅助搅拌针(4)的轴肩直径(D2)为凹形上轴肩直径(D1)的0.2倍～0.4倍；
步骤二、确定凸形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的下夹角(α)：凸形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的下夹角(α)为45°～75°；
步骤三、确定搅拌体的使用长度(L)：根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度(L)，搅拌体的使用长度(L)比被焊件的厚度小0.1mm～0.3mm；
步骤四、确定凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的上夹角(β)：凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的上夹角(β)为78°～82°；
步骤五、焊具倾斜角的调整：调整焊具的倾斜角即该焊具的焊具中心轴线(N-N)与被焊件的法线的夹角，调整该夹角为1°～3°度；
步骤六、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊：焊具以100转/分钟～1500转/分钟的转速，以1毫米/分钟～10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，凹形轴肩面2-2的压入深度为0.1毫米～0.3毫米，以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。
6.根据权利要求5所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤一中凹形上轴肩直径(D1)为被焊件厚度的(2)倍，辅助搅拌针(4)的轴肩直径(D2)为凹形上轴肩直径(D1)的0.3倍。
7.根据权利要求5所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤二中凸形轴肩面(4-2)与焊具中心轴线(N-N)之间的下夹角(α)为55°；步骤四中凹形轴肩面(2-2)与焊具中心轴线(N-N)的之间的上夹角(β)为80°。
8.根据权利要求5所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤三中搅拌体的使用长度(L)比被焊件的厚度小0.2mm。
9.根据权利要求5所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤五中焊具的焊具中心轴线(N-N)与被焊件的法线的夹角为2°度。
10.根据权利要求5所述倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤六中焊具以800转/分钟的转速，以3毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，凹形轴肩面(2-2)的压入深度为0.2毫米，以300毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。
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