CN103084731A - 能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头 - Google Patents
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Abstract
一种能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，它由夹持柄（1）、支撑圆柱体（2）、轴肩（3）和搅拌针（4）组成，搅拌针（4）与轴肩（3）的一端整体相连，轴肩（3）的另一端与支撑圆柱体（2）的锥形端的小端相连，支撑圆柱体（2）的锥形端的大端与圆柱端相连，支撑圆柱体（2）的圆柱端与夹持柄（1）相连接，其特征是在轴肩（3）的边缘处开有能去除飞边的切削槽（5），所述的切削槽（5）由一个与轴肩端面空间垂直的垂直切面及与轴端面夹角大于0度、小于90度的斜切面组成。本发明结构简单，制造方便，有利降低去飞边搅拌头的制造成本，获得高质量的表面平整光滑的焊缝，避免了焊后机械打磨等工艺对材料表面的损伤。采用本发明所提出的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，焊接过程与去飞边过程同时进行。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料连接技术，尤其是一种搅拌摩擦焊接技术，具体地说是一种能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头。
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（US5460317），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，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。
作为一种机械化连接技术，搅拌摩擦焊接过程中搅拌头高速旋转并向前进移动形成固相焊缝，没有焊缝余高。但是由于搅拌头的旋转、挤压作用导致搅拌摩擦焊接过程中塑性金属材料溢出搅拌头轴肩的包容空腔，形成特有的“飞边”现象，影响焊接质量。目前去除飞边的常用工艺为焊后机械打磨。费时费力，引起搅拌摩擦焊正常工艺流程的中断，降低了生产效率，且极易损伤被焊材料的表面。
搅拌头是实现搅拌摩擦焊的关键技术，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。
中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所申请的中国专利（CN 101176945）中，涉及了一种用于搅拌摩擦焊接组合式去飞边搅拌摩擦焊接搅拌头。该搅拌头为组合式结构，由搅拌头基体和切削刀体组成。切削刀体套接于搅拌头轴肩上，并用螺钉固定。该专利结构能够去除飞边，但结构过于复杂，在每次更换搅拌头时都需要先安装切削刀体，严重影响了生产效率。该结构对安装精度要求很高，如果刀体的刀尖高于轴肩底部，则不能做到完全去除飞边；如果刀体的刀尖低于轴肩底部，则会划伤焊缝表面。由于要用螺钉固定切削刀体，需在搅拌头上钻孔，不但严重影响了搅拌头的加工效率，而且钻孔导致了搅拌头的刚度下降，使搅拌头容易断裂。
发明内容
本发明的目的是针对现有的能去飞边的搅拌摩擦焊用搅拌头结构复杂，加工过程难以实现自动化，生产效率低的问题，设计一种结构简单，使用方便有利于实现自动化加工的能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头。
本发明的技术方案是：
一种能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，它由夹持柄1、支撑圆柱体2、轴肩3和搅拌针4组成，搅拌针4与轴肩3的一端整体相连，轴肩3的另一端与支撑圆柱体2的锥形端的小端相连，支撑圆柱体2的锥形端的大端与圆柱端相连，支撑圆柱体2的圆柱端与夹持柄1相连接，其特征是在轴肩3的边缘处开有能去除飞边的切削槽5，所述的切削槽5由一个与轴肩端面空间垂直的垂直切面及与轴端面夹角大于0主度、小于90度的斜切面组成。
轴肩3上开的切削槽5至少为两个，且均匀的分布在轴肩边缘处。
轴肩3上开的切削槽5与轴肩端面相交的两条交线之间形成的角度为60o-150o，即垂直切面与轴肩端面的交线与斜切面与轴肩端面的交线之间的夹角为60o-150o。
轴肩3上开的切削槽5沿轴肩半径方向上的宽度应不大于轴肩半径的十分之一，即轴肩端面与垂直切面交线的长度应不大于轴肩半径的十分之一。
轴肩3上开的切削槽5沿搅拌头轴线方向上的最大切深应大于焊接时的下压量，即斜切面与轴肩圆周面交线离轴肩端面的最大垂直距离最远的点离轴肩端面的距离应大于焊接时的下压量。
所述的斜切面与轴肩端面的夹角为10～60度。
本发明的有益效果：
本发明的搅拌头，搅拌摩擦焊过程中可有效的去处飞边，获得高质量的表面平整光滑的焊缝，避免了焊后机械打磨等工艺对材料表面的损伤。采用本发明所提出的搅拌头进行搅拌摩擦焊接，焊接过程与去飞边过程同时进行。由于本发明采用的搅拌头和去飞边结构为一体结构，没有给搅拌头上添加附属装置，在保持搅拌头原有特性的情况下，简化了工序，大大提高了生产效率。
本发明结构简单，制造方便，有利降低去飞边搅拌头的制造成本。
附图说明
图1是本发明搅拌头的结构示意图。
图2为本发明搅拌头切削槽部分的放大结构示意图。
图3为本发明的搅拌头使用状态示意图。
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1-2所示。
一种能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，它由夹持柄1、支撑圆柱体2、轴肩3和搅拌针4整体相连而成，支撑圆柱体2由圆柱部分和锥台部分连接而成，在圆柱部分还有设有环形圈，如图1所示，搅拌针4与轴肩3的一端整体相连，轴肩3的另一端与支撑圆柱体2的锥形端的小端相连，支撑圆柱体2的锥形端的大端与圆柱端相连，支撑圆柱体2的圆柱端与夹持柄1相连接，在轴肩3的边缘处至少开有两个能去除飞边的切削槽5，切削槽5最好是均匀的分布在轴肩3的边缘处，所述的切削槽5由一个与轴肩端面空间垂直的垂直切面及与轴端面夹角大于0度、小于90度的斜切面组成，具体实施时，斜切面与轴肩端面的夹角(锐角)最好为10～60度。
如图2所示，轴肩3上开的切削槽5与轴肩端面相交的两条交线之间形成的角度α为60o-150o，图2中的夹角近似于90度，即垂直切面与轴肩端面的交线7与斜切面与轴肩端面的交线8之间的夹角α为40o-150o。为了取得理想的去飞边效果，轴肩3上开的切削槽5沿轴肩半径方向上的宽度即交段7的长度应不大于轴肩3半径的十分之一，轴肩3上开的切削槽5沿搅拌头轴线方向上的最大切深应大于焊接时的下压量，即斜切面与轴肩圆周面交线离轴肩端面的垂直距离最远的点离轴肩端面的距离应大于焊接时的下压量。沿搅拌头轴线方向上的深度应大于焊接时的下压量。搅拌摩擦焊接时，需要一定的焊接倾角和压入量，以实现材料的可靠连接，但同时也带来了搅拌摩擦焊所特有的飞边。本发明所提出的搅拌头可以有效的去处搅拌摩擦焊接飞边，同时又避免划伤焊接材料表面，从而可以获得高质量、表面平整光滑的搅拌摩擦焊焊缝。
如图1、图2所示，搅拌摩擦焊焊接参数为焊接倾角为1.5o，搅拌头相对于被焊材料表面的压入量为0.15mm。搅拌摩擦焊接搅拌头为一体结构。由搅拌头由夹持柄、支撑圆柱体、轴肩和搅拌针组成。轴肩的一端是与其为一体的搅拌针，另一端为支撑圆柱体，支撑圆柱体的与夹持柄相连接。搅拌头夹持柄上铣有夹持平面，用来安装搅拌头与焊机上。支撑圆柱体起到支撑作用，保证整个搅拌头的刚度。在轴肩边缘处开有切削槽。切削槽位于轴肩边缘处，切削槽为三个，且均匀的分布在轴肩边缘处。轴肩3上开的切削槽5与轴肩面相交的两条线之间形成的角度为60o-150o。切削槽沿轴肩半径方向上的深度应不大于轴肩半径的十分之一，沿搅拌头轴线方向上的深度应大于焊接时的下压量。在本实施例中有3个槽体结构，切削槽角度为90o，切削槽沿半径方向上的深度为2mm，沿轴线方向上的深度为2mm。在焊接过程中，搅拌头随着旋转运动和前进运动的进行，产生焊缝，同时也产生飞边。切削槽体也随着搅拌头的运动而运动，在切削槽运动到产生的飞边处时，槽体上的切削刃将切除飞边，在旋转运动的作用下，切下的飞边将沿着槽体边缘排除槽体，如图3所示。
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 (6)
1.一种能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，它由夹持柄（1）、支撑圆柱体（2）、轴肩（3）和搅拌针（4）组成，搅拌针（4）与轴肩（3）的一端整体相连，轴肩（3）的另一端与支撑圆柱体（2）的锥形端的小端相连，支撑圆柱体（2）的锥形端的大端与圆柱端相连，支撑圆柱体（2）的圆柱端与夹持柄（1）相连接，其特征是在轴肩（3）的边缘处开有能去除飞边的切削槽（5），所述的切削槽（5）由一个与轴肩端面空间垂直的垂直切面及与轴端面夹角大于0度、小于90度的斜切面组成。
2.根据权利要求1所述的能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，其特征在于：轴肩（3）上开的切削槽（5）至少为两个，且均匀的分布在轴肩边缘处。
3.根据权利要求1所述的能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，其特征在于：轴肩（3）上开的切削槽（5）与轴肩端面相交的两条交线之间形成的角度为60o-150o，即垂直切面与轴肩端面的交线与斜切面与轴肩端面的交线之间的夹角为60o-150o。
4.根据权利要求1所述的能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，其特征在于：轴肩（3）上开的切削槽（5）沿轴肩半径方向上的宽度应不大于轴肩半径的十分之一，即轴肩端面与垂直切面交线的长度应不大于轴肩半径的十分之一。
5.根据权利要求1所述的能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，其特征在于：轴肩（3）上开的切削槽（5）沿搅拌头轴线方向上的最大切深应大于焊接时的下压量，即斜切面与轴肩圆周面交线离轴肩端面的最大垂直距离最远的点离轴肩端面的距离应大于焊接时的下压量。
6.根据权利要求1所述的能去飞边的搅拌摩擦焊用一体式搅拌头，其特征在于：所述的斜切面与轴肩端面的夹角为10～60度。
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