CN103071915B - 能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头 - Google Patents
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Abstract
一种能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头，它由夹持柄（1）、支撑体（2）、轴肩（3）和搅拌针（4）组成，其特征是所述的轴肩（3）与搅拌针相连的端面上分布有若干圈凹槽（7），在搅拌针（4）上分布有螺纹结构（8），螺纹结构（8）沿螺旋线分布在整个搅拌针上，螺纹结构（8）的螺牙的顶部为圆弧形结构，该圆弧形结构的半径为搅拌针（4）长度的0.5%-2%，螺牙的高度不小于搅拌针根部半径的1/20，螺牙的牙顶角不大于60度；在轴肩（3）端面的边缘处设有一个环形凸起结构（9）。本发明能降低焊机主轴和搅拌头受到的力，使搅拌头更耐用，焊机不容易损坏，可降低前进阻力30%以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊接技术，尤其是一种摩擦焊接技术，具体地说是一种能够减小焊接过程中行进的阻力，减小焊机主轴负载的搅拌摩擦焊用搅拌头。
背景技术
搅拌摩擦焊（FSW）是一种新型固相连接技术，适用于低熔点合金焊接。是1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明的（US 5460317），该技术的原理是利用高速旋转的搅拌头插入焊缝中，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使焊缝连接区处于热塑性状态并使其趋于熔化、混合，在一定的作用力下被连接在一起，搅拌头向前行进，而在搅拌头的后方则形成焊缝，从而完成固相连接。
搅拌头是搅拌摩擦焊接技术的核心部分，实现搅拌摩擦焊的关键技术。搅拌头用以提供搅拌摩擦焊接过程中所需的热量，是焊缝区域热塑性材料实现定向转移的载体，同时也是热塑性材料与周围材料实现扩散连接的工具。国外相关研究机构在搅拌头的形状设计、材料选取及加工工艺等方面都进行了大量的研究。国际专利（WO 93110935）中，搅拌头轴肩端面为平面，其轴线与工件表面垂直；中国专利（CN 1144499A）中，对搅拌头轴肩的端面形状改为内凹形、轴线相对于工件法线方向偏离了一定角度（主轴倾角）。为了更好地促进焊缝区材料的塑形流动，还有许多专利对轴肩进行了多种形式的改进。
在搅拌摩擦焊接的生产实践中，搅拌头在行进方向受到的阻力是很大的，这导致焊接主轴承受很大的负载，这不但对主轴的刚度要求很高，而且容易导致主轴因负载过大而断裂。
发明内容
本发明的目的是针对现有的摩擦焊用搅拌头均未考虑如何减少前进阻力来提高焊接效率和质量，而仅仅是通过增大主轴强度来克服前进阻力，导致摩擦焊接设备制备成本高的问题，设计一种能从根本上减少前进阻力，从而可以降低制备难度，延长焊接设备使用寿命，降低使用成本的能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头。
本发明的技术方案是：
一种能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头，它由夹持柄1、支撑体2、轴肩3和搅拌针4组成，轴肩3的一端与搅拌针4整体相连，另一端与支撑体2相连，支撑体2与夹持柄1相连接，夹持柄1、支撑体2、轴肩3和搅拌针4为同轴结构；夹持柄1上铣有夹持平面5；夹持柄1与支撑体2连接处有圆弧过渡；在轴肩3和支撑体2之间有一个锥台形过渡机构6，其特征是所述的轴肩3与搅拌针相连的端面上分布有若干圈凹槽7，在搅拌针4上分布有螺纹结构8，螺纹结构8沿螺旋线分布在整个搅拌针上，螺纹结构8的螺牙的顶部为圆弧形结构，该圆弧形结构的半径为搅拌针4长度的0.5%-2%，螺牙的高度不小于搅拌针根部半径的1/20，螺牙的牙顶角不大于60度；在轴肩3端面的边缘处设有一个环形凸起结构9。
所述的环形凸起结构9的高度不小于0.5mm。
所述的凹槽7为圆弧形凹槽，该圆弧形凹槽的深度不小于0.5mm。
本发明的有益效果：
本发明的搅拌摩擦焊搅拌头，通过对搅拌头上的搅拌针结构进行优化设计，解决了搅拌摩擦焊接过程中，行进方向受力很大的问题，降低了焊机主轴和搅拌头受到的力，使搅拌头更耐用，焊机不容易损坏。
经实验证明，同等条件下，可降低前进阻力30%以上。
附图说明
图1是本发明的搅拌头的结构示意图。
图2是本发明的搅拌针的局部放大示意图。
图3是本发明的搅拌针上的螺牙的放大结构示意图。
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。
一种能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头，它由夹持柄1、支撑体2、中间过渡机构6、轴肩3和搅拌针4整体相连而成，如图1所示，轴肩3的一端与搅拌针4整体相连，另一端与支撑体2相连，支撑体2与夹持柄1相连接，夹持柄1、支撑体2、轴肩3和搅拌针4为同轴结构；夹持柄1上铣有夹持平面5；夹持柄1与支撑体2连接处有圆弧过渡；在轴肩3和支撑体2之间有一个锥台形过渡机构6。所述的轴肩3与搅拌针相连的端面上分布有两圈圆弧形或多边形凹槽7，其中以圆弧形为最佳，加工最为方便，采用圆弧形凹槽时，凹槽的深度应不小于0.5mm，凹槽7的数量还可为一个或两个以上，如图2所示，在搅拌针4上分布有螺纹结构8，螺纹结构8沿螺旋线分布在整个搅拌针上，螺纹结构8的螺牙的顶部为圆弧形结构，如图3所示，该圆弧形结构的半径为搅拌针4长度的0.5%-2%，螺牙的高度不小于搅拌针根部半径的1/20，螺牙的牙顶角不大于60度；在轴肩3端面的边缘处设有一个高度不小于0.5mm的环形凸起结构9，该凸起结构能在焊接过程中限制材料向外流动的趋势，使材料不会流出焊缝区。
如图1所示。在搅拌针根部半径为6mm，针长为10mm，轴肩半径为15mm。搅拌针上分布有特殊的螺纹结构，螺纹结构沿螺旋线分布在整个搅拌针上；螺纹结构8顶点处厚度（即圆弧顶的直径）为0.1mm；螺纹结构8两边夹角为30o；搅拌针4上分布的特殊的螺纹结构8的深度为0.6mm。在焊接过程中，由于搅拌针上特殊的螺纹结构（该螺纹结构扁平，锋利），改变普通搅拌头以挤压为主的受力模型。在减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头前进过程中，特殊的螺纹结构能够对材料进行剪切，螺纹上的负前角能够很好的减小剪切产生的力，从而减小焊接过程中的前进阻力。
将采用本发明设计的搅拌头与相同类型的搅拌头进行试验，实际测量证明，本发明的搅拌头的前进阻力可减少30%以上。
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)
1.一种能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头，它由夹持柄（1）、支撑体（2）、轴肩（3）和搅拌针（4）组成，轴肩（3）的一端与搅拌针（4）整体相连，另一端与支撑体（2）相连，支撑体（2）与夹持柄（1）相连接，夹持柄（1）、支撑体（2）、轴肩（3）和搅拌针（4）为同轴结构；夹持柄（1）上铣有夹持平面（5）；夹持柄（1）与支撑体（2）连接处有圆弧过渡；在轴肩（3）和支撑体（2）之间有一个锥台形过渡机构（6），其特征是所述的轴肩（3）与搅拌针相连的端面上分布有若干圈凹槽（7），在搅拌针（4）上分布有螺纹结构（8），螺纹结构（8）沿螺旋线分布在整个搅拌针上，螺纹结构（8）的螺牙的顶部为圆弧形结构，该圆弧形结构的半径为搅拌针（4）长度的0.5%-2%，螺牙的高度不小于搅拌针根部半径的1/20，螺牙的牙顶角不大于60度；在轴肩（3）端面的边缘处设有一个环形凸起结构（9）。
2.根据权利要求1所述的能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是所述的环形凸起结构（9）的高度不小于0.5mm。
3.根据权利要求1所述的能减小前进阻力的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是所述的凹槽（7）为圆弧形凹槽，该圆弧形凹槽的深度不小于0.5mm。
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