CN104475966A - 增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法，它涉及一种搅拌头及其制造方法。本发明为了解决目前在搅拌摩擦焊时，针对流动行为较差的材料在焊缝中出现沟槽、孔洞等缺陷问题。装置：搅拌针连在搅拌头轴肩上，搅拌针的侧面加工出右旋螺纹和一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°；方法：步骤一、搅拌头尺寸的确定；步骤二、确定搅拌针的使用长度；步骤三、在轴肩位置开设方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽；步骤四：在搅拌针侧面加工出右旋螺纹和平面；步骤五、固定被焊工件；步骤六、搅拌头定位；步骤七、对第一被焊工件和第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接。本发明用于搅拌摩擦焊接。

Description

增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌头及其制造方法，具体涉及一种增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法，属于焊接技术领域。
背景技术
从搅拌摩擦焊技术发明以来，不同的材料在焊缝成形方面表现出不同的特点，除焊接参数影响搅拌摩擦焊焊缝质量以外，搅拌头的形状对于搅拌摩擦焊焊缝的成形起着非常重要的作用。
搅拌头是搅拌摩擦焊所采用的一种非消耗的可转动的焊接工具。在焊接过程中，搅拌头具有与其周围材料摩擦产热、破碎工件表面氧化层、转移塑性材料等作用。因而，搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心，其结构设计决定了整个焊接过程的各个工艺参数和焊缝质量。对于搅拌摩擦焊来说，搅拌针旋转时所转移材料的体积和搅拌针自身体积的比值是十分重要的参数，这个比值对于提高塑性材料的流动非常重要，其值越大越好。目前，以圆柱状和圆锥状带螺纹搅拌针应用最为广泛，然而，对于一些流动行为较差的材料，在搅拌摩擦焊时，搅拌针可转移的材料的体积较小且其周围的材料在塑性流动过程中不能很好地结合在一起，容易在焊缝中出现沟槽、孔洞的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前在搅拌摩擦焊时，搅拌针可转移的材料的体积较小且其周围的材料在塑性流动过程中不能很好地结合在一起，容易在焊缝中出现沟槽、孔洞的问题。进而提供一种增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法。
本发明的装置技术方案是：它包括搅拌头轴肩和搅拌针，搅拌针固定连接在搅拌头轴肩的下端面上，搅拌针的直径小于搅拌头轴肩的直径，搅拌针的侧面加工出右旋螺纹和一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°。
本发明的方法技术方案是：通过以下步骤实现的：
步骤一、搅拌头尺寸的确定：
根据被焊工件的厚度确定上轴肩的直径和搅拌针直径：上轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的2.75～3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1～1.25倍；
步骤二、确定搅拌针的使用长度：
搅拌针的使用长度T比工件厚度t小0.1～0.2mm；
步骤三、在轴肩位置开设方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽：
其中θ表示阿基米德螺旋线转过的总度数，ρ表示极径，b为搅拌针直径φ2的1/2～1倍，表示θ等于零时的极径，a为1/(4π)～5/(π)，表示每旋转一度时极径的增加量，螺旋槽由内径向外径以顺时针方向向外扩展；
步骤四、在搅拌针侧面加工出螺纹和平面：
首先，在搅拌针侧面加工出右旋螺纹，然后，在搅拌针侧面加工出一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°；
步骤五、固定第一被焊工件和第二被焊工件：
将第一被焊工件和第二被焊工件对接设置且二者位于同一水平面上，即将第一被焊工件和第二被焊工件组对，用夹具固定在工作台上；所述第一被焊工件和第二被焊工件为同厚度的板材；
步骤六、搅拌头定位：
将搅拌头移至工件外侧进行定位，使搅拌头轴肩的端面与第一被焊工件和第二被焊工件的上端面重合，或扎入第一被焊工件和第二被焊工件深度H为0.01～0.5mm，搅拌针的轴心线位于第一被焊工件和第二被焊工件的对接面处；
步骤七、对第一被焊工件和第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接：
轴肩与搅拌针的转速为200转/分钟～3000转/分钟，搅拌头整体以20毫米/分钟～5000毫米/分钟的速度沿第一被焊工件和第二被焊工件的对接面长度方向行走，直至焊接完成。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
一、本发明的轴肩开设有阿基米德螺旋线，能够使轴肩具备储藏塑性材料的能力，并能促进焊缝材料在轴肩作用区由轴肩外缘向焊缝中心的流动，既有利于焊缝的成形，又可以有效避免焊缝的减薄。
二、本发明的搅拌针上带有右旋的螺纹会促进焊缝塑化材料在垂直方向的流动。当搅拌针逆时针旋转时，搅拌针表面的螺纹将驱动其周围材料向下运动，流动的塑化材料在底部受到刚性底板的阻碍作用，朝周边挤压原处于焊缝底部的材料，使其向更远的位置迁移。
三、本发明的搅拌针侧面加工出一个与轴线方向平行的平面促进了焊缝塑性材料水平方向的流动。此平面的存在使搅拌针具有一定储存塑性材料的能力，并在旋转过程中带动这一部分塑性材料共同运动。此平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°，这样设计既不会出现由于平面面积过大导致的搅拌针强度降低，在焊接过程中发生断裂的问题，又避免了平面面积过小导致的材料在水平方向的流动不明显的缺点，使焊接过程中材料水平方向流动的效果达到最佳。
同传统的搅拌针相比，该设计既促进了材料垂直方向的流动，又有利于更多材料在水平方向上随搅拌针一起转动，因此，对于流动行为较差的材料，可以增强焊缝材料的流动，从而为得到更高性能的焊缝提供了可能。
附图说明
图1是本发明方法实施的示意图。图中1是搅拌头，1-1是搅拌头轴肩，1-2是搅拌针，2是第一被焊工件，3是第二被焊工件。图2是搅拌针截面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的搅拌头包括搅拌头轴肩1-1和搅拌针1-2，搅拌针1-2固定连接在搅拌头轴肩1-1的下端面上，搅拌针1-2的直径小于搅拌头轴肩1-1的直径，搅拌针1-2的侧面加工出右旋螺纹和一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°。搅拌头的制造方法是通过以下步骤实现的：步骤一、搅拌头尺寸的确定：根据第一被焊工件2和第二被焊工件3的厚度确定上轴肩的直径和搅拌针直径：轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的2.75～3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1～1.25倍，根据第一被焊工件2和第二被焊工件3的厚度来选择搅拌头的各部分的尺寸，是为保证焊缝的成形及接头质量的稳定性；步骤二、确定搅拌针的使用长度：搅拌针的使用长度T比工件厚度t小0.1～0.2mm；步骤三、在轴肩位置开出方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽，其中θ表示阿基米德螺旋线转过的总度数，ρ表示极径，b为搅拌针直径φ2的1/2～1倍，表示θ等于零时的极径，a为1/(4π)～5/(π)，表示每旋转一度时极径的增加量，螺旋槽由内径向外径以顺时针方向向外扩展，这样做的目的：一方面可以增大轴肩与焊缝塑性材料的接触面积，从而增加搅拌摩擦焊接过程中的产热；另一方面具有阿基米德螺旋线的轴肩可以增强其下方的塑性材料向焊缝中心流动，有效克服了由于焊缝减薄而导致的性能下降问题；步骤四、在搅拌针侧面加工出螺纹和平面：在搅拌针侧面加工出右旋螺纹，一方面可以增加搅拌针与工件摩擦的表面积，从而增加搅拌摩擦焊接过程的产热，另一方面是与轴肩的阿基米德螺旋线相配合，使被焊塑性材料受到旋转螺纹的挤压力垂直向下的分量，增强了焊缝材料在垂直方向的流动行为，从而有效避免焊缝根部出现孔洞缺陷；在此基础之上，在搅拌针侧面加工出一个与轴线方向平行的平面，此平面的存在使搅拌针具有一定储存材料的能力，并在旋转过程中使被焊材料受到此平面在水平方向上的挤压力同搅拌针一起运动，从而增强焊缝材料水平方向的流动行为；此平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°，这样设计既不会出现由于平面面积过大导致的搅拌针强度降低，在焊接过程中发生断裂的问题，又避免了平面面积过小导致的材料在水平方向的流动不明显的缺点，使焊接过程中材料水平方向流动的效果达到最佳；步骤五、固定第一被焊工件2和第二被焊工件3：将第一被焊工件2和第二被焊工件3对接设置且二者位于同一水平面上，即将第一被焊工件2和第二被焊工件3组对，用夹具固定在工作台上；所述第一被焊工件2和第二被焊工件3为同厚度的板材；步骤六、搅拌头定位：将搅拌头移至工件外侧进行定位，使搅拌头轴肩1-1的端面与第一被焊工件2和第二被焊工件3的上端面重合，或扎入被焊工件2深度H为0.01～0.5mm，搅拌针1-2的轴心线位于第一被焊工件2和第二被焊工件3的对接面处，搅拌头轴肩1-1的端面低于第一被焊工件2和第二被焊工件3的上表面，以调整上、下轴肩的受力情况；步骤七、对第一被焊工件2和第二被焊工件3进行搅拌摩擦焊接：轴肩1-1与搅拌针1-2的转速为200转/分钟～3000转/分钟，搅拌头整体以20毫米/分钟～5000毫米/分钟的速度沿第一被焊工件2和第二被焊工件3的对接面长度方向行走，直至焊接完成。
具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤一中轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1倍。上述搅拌头尺寸可保证焊缝成形的稳定性。其它步骤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，本实施方式的步骤二中搅拌针的使用长度T比工件厚度t小0.2mm。上述数值使得搅拌摩擦焊接效果最佳。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中轴肩位置开出方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽，其中b为搅拌针直径φ2的2/3倍，表示θ等于零时的极径，a为1/(2π)，表示每旋转一度时极径的增加量。上述数值使得搅拌摩擦焊接效果最佳。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤六中扎入第一被焊工件2和第二被焊工件3深度H为0.15mm。上述数值使得搅拌摩擦焊接效果最佳。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤七中轴肩1-1的转速为800转/分钟，焊接速度为200毫米/分钟。上述焊接参数为搅拌摩擦焊的最佳工艺参数值。其它步骤与具体实施方式一相同。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (7)

1.一种增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：它包括搅拌头轴肩(1-1)和搅拌针(1-2)，搅拌针(1-2)固定连接在搅拌头轴肩(1-1)的下端面上，搅拌针(1-2)的直径小于搅拌头轴肩(1-1)的直径，搅拌针(1-2)的侧面加工出右旋螺纹和一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°。
2.一种制造权利要求1所述的增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的方法，其特征在于：所述方法通过以下步骤实现的：
步骤一、搅拌头尺寸的确定：
根据被焊工件的厚度确定上轴肩的直径和搅拌针直径：上轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的2.75～3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1～1.25倍；
步骤二、确定搅拌针的使用长度：
搅拌针的使用长度T比工件厚度t小0.1～0.2mm；
步骤三、在轴肩位置开设方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽：
其中θ表示阿基米德螺旋线转过的总度数，ρ表示极径，b为搅拌针直径φ2的1/2～1倍，表示θ等于零时的极径，a为1/(4π)～5/(π)，表示每旋转一度时极径的增加量，螺旋槽由内径向外径以顺时针方向向外扩展；
步骤四、在搅拌针侧面加工出螺纹和平面：
首先，在搅拌针侧面加工出右旋螺纹，然后，在搅拌针侧面加工出一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°；
步骤五、固定第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)：
将第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)对接设置且二者位于同一水平面上，即将第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)组对，用夹具固定在工作台上；所述第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)为同厚度的板材；
步骤六、搅拌头定位：
将搅拌头移至工件外侧进行定位，使搅拌头轴肩(1-1)的端面与第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的上端面重合，或扎入第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)深度H为0.01～0.5mm，搅拌针(1-2)的轴心线位于第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的对接面处；
步骤七、对第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)进行搅拌摩擦焊接：
轴肩与搅拌针的转速为200转/分钟～3000转/分钟，搅拌头整体以20毫米/分钟～5000毫米/分钟的速度沿第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的对接面长度方向行走，直至焊接完成。
3.根据权利要求2所述的增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的制造方法，其特征在于：所述步骤一中轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1倍。
4.根据权利要求2所述的增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的制造方法，其特征在于：所述步骤二中搅拌针的使用长度T比工件厚度t小0.2mm。
5.根据权利要求2所述的增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的制造方法，其特征在于：所述步骤三中轴肩位置开出方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽，其中b为搅拌针直径φ2的2/3倍，a为1/(2π)。
6.根据权利要求2所述的增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的制造方法，其特征在于：所述步骤六中扎入第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)深度H为0.15mm。
7.根据权利要求2所述的增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的制造方法，其特征在于：所述步骤七中轴肩(1-1)的转速为800转/分钟，焊接速度为200毫米/分钟。
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