CN104625394A - 用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头 - Google Patents

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周琦
王克鸿
陶娟
朱军
彭勇
夏浩
周红云
孙宏宇
蔡雅君
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Abstract

本发明公开了一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，包括夹持端、轴肩、搅拌针以及搅拌针上的周向环形凸起，轴肩一端与夹持端连接，另一端与搅拌针连接，环形凸起与搅拌针的连接处为圆弧过渡，焊接过程中，将环形凸起的最大直径处至于金属复合板的结合界面处，此时进行搅拌摩擦焊，能够很好的控制该结合面处的热输入量以及金属流动，使得金属复合板的上、下异种金属流动至结合面处时发生回流且控制塑性流动金属之间的流动紊乱程度，形成良好的焊接结合面，从而控制结合面处异种金属间化合物的产生，解决了复合板焊接时结合面处金属间化合物过渡层的控制问题，本发明结构简单、加工工艺性好，生产成本低，焊接效率高。

Description

用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头
技术领域
本发明属于焊接工具领域，具体涉及一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头。
背景技术
异种金属复合板作为一种在物理性能、力学性能以及连接性能等方面具有较大灵活性的材料，其应用领域十分宽广，但是在应用异种金属复合板成型时，其焊接方法会受到很大的局限。采用一般的熔化焊方法焊接复合板时，热输入的不均会导致一定的变形，同时会使得复合板结合面形成较大的金属间化合物过渡层，从而影响异种金属复合板的使用性能。
搅拌摩擦焊接方法是一种固态塑化连接技术，自问世以来，搅拌摩擦焊在低熔点金属，尤其是铝合金的焊接领域获得广泛的应用。与其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊接技术有下列特点：不产生熔化焊接缺陷、焊接变形小、操作简单、适用于多种材料和接头形式。搅拌摩擦焊具有许多熔化焊接方法无可比拟的优势，特别是它在焊接过程中焊缝金属不熔化即可形成焊缝，其特定的金属塑化温度小于一般金属的熔点，甚至小于一般的金属间化合物形成温度，能够很好的控制焊缝热影响区以及金属间化合物的形成。现在，很少采用搅拌摩擦焊加工异种金属复合板。
中国专利（103600167A）公开了一种碳素钢与不锈钢复合板的焊接方法。该焊接方法即为利用搅拌摩擦焊对复合板进行焊接，但是为了控制过渡层，在焊前需要对接头进行处理，需要将两复合板对接边的端面上加工出等腰三角形的坡口，对齐后对坡口内进行填丝，然后进行搅拌摩擦焊。该发明的目的在于控制复合板过渡区的混合问题，但是在实际焊接过程中，由于搅拌针的力的作用，很难保证坡口内的预填焊丝不发生相对移动，所以其可控性较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，通过控制复合板基板与复板的塑化金属流动行为，实现结合面的层流流动状态，减少焊接接头中复合板基板与复板之间的不同金属原子间相互扩散形成脆性相，实现复合板直接搅拌摩擦焊接成型，有效的解决了复合板上下结合面异种材料大量混合脆化甚至开裂等难题，解决复合板焊接过渡区金属的混合问题，使得复合板焊接接头满足长期使用要求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，包括
被配置用于固定在搅拌摩擦焊机主轴的夹持端；
与夹持端底部固连的轴肩；
与轴肩底部固连的搅拌针；
其中，所述搅拌针上设有至少一个环形凸起。
上述搅拌针上设有至少两个环形凸起，所述两个环形凸起间隔设置。
上述环形凸起与搅拌针的连接处为圆弧过渡。
上述轴肩与距离轴肩最近的环形凸起之间的搅拌针，其形状自轴肩向环形凸起的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型。
上述轴肩与距离轴肩最近的环形凸起之间的搅拌针，其形状自轴肩向环形凸起的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型。
本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）搅拌针上的环形凸起能够较好的控制复合板结合面处异种金属只发生摩擦挤压，减少金属间化合物的形成；（2）结构简单，实用性强，对实现双层金属复合板的搅拌摩擦焊的推广与应用具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明的用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头的整体结构示意图。
图2为现有技术搅拌头的焊接原理示意图。
图3为本发明的用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头的焊接原理示意图。
图4为本发明实施例一的搅拌针示意图。
图5为本发明实施例二的搅拌针示意图。
图6为本发明实施例三的搅拌针示意图。
具体实施方式  
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图2，现有的搅拌摩擦焊焊接过程中其金属的塑性流动满足一定的抽吸——挤压理论，即在搅拌摩擦焊条件下，其一端为搅拌头的轴肩，另一端为刚性的底板，焊接过程中搅拌针端部与底板间的距离保持不变，当搅拌头旋转引起塑化金属沿搅拌针表面轴向流动时，必存在一入口端和一个出口端。在入口端，有可能形成一瞬时空腔，周围塑化金属将被吸向此空腔，形成所谓的抽吸效应；在出口端，塑化金属将改变流向并挤压周边金属，形成所谓挤压效应；正是由于空腔对塑化金属朝焊缝中心抽吸作用和挤压作用，使高温塑化金属在搅拌针轴向形成剧烈的迁移运动。
结合图3，本发明一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头的搅拌针3上设有环形凸起4，在搅拌摩擦焊焊接过程中，复合板的结合面位于环形凸起4直径最大处，这相当于在搅拌头的轴肩2与垫板之间增加了隔断，使搅拌头的轴肩2与垫板之间的一个区域划分为两个区域，为塑性流动金属提供了两个入口端与出口端，即为塑性金属提供了两个流动空间，使其在焊接过程中形成两个瞬时空腔，使基板与复板的塑化金属形成各自的抽吸——挤压空腔，并在基板与复板的结合面处，两回旋空腔相挤压成形完成连接。其特点在于搅拌针3的环形凸起4的存在使得焊接过程中形成两个互不干扰的塑性金属流动迁移区域，并在结合面处相互摩擦挤压完成连接，从而控制双层金属复合板结合面处异种金属之间的混合，提高接头的使用性能。同时，对于金属复合板而言，其所用的搅拌头上的环形凸起的个数与复合板结合界面个数相同。
实施例一
结合图1和图4，一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，包括夹持端1、轴肩2和搅拌针3，轴肩2一端与夹持端1连接，另一端与搅拌针3连接，沿搅拌针3周向设有1个环形凸起4。轴肩2与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自轴肩2向环形凸起4的方向为渐扩型，整个搅拌头为一体制造。夹持端1的另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
工作过程：以焊接双层金属复合板为例
首先对双层金属复合板进行表面清理，然后移动搅拌摩擦焊机，将搅拌头与被焊板材焊缝进行对齐并装夹固定，使得轴肩2位于双层金属复合板的复板上。设定合适的焊接参数，搅拌针3的环形凸起4的直径最大处位于双层金属复合板的交界面，再进行焊接，直至焊接完成。
实施例二
结合图5，一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，包括夹持端1、轴肩2和搅拌针3，轴肩2一端与夹持端1连接，另一端与搅拌针3连接，沿搅拌针3周向设有1个环形凸起4。轴肩2与环形凸起4之间的搅拌针3，其形状自轴肩2向环形凸起4的方向为渐缩型，整个搅拌头为一体制造。夹持端1的另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
工作过程：以焊接双层金属复合板为例
首先对双层金属复合板进行表面清理，然后移动搅拌摩擦焊机，将搅拌头与被焊板材焊缝进行对齐并装夹固定，使得轴肩2位于双层金属复合板的复板上，设定合适的焊接参数，搅拌针3的环形凸起4的直径最大处位于双层金属复合板的交界面，再进行焊接，直至焊接完成。
实施例三
结合图6，一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，包括夹持端1、轴肩2和搅拌针3，轴肩2一端与夹持端1焊接，另一端与搅拌针3焊接，沿搅拌针3周向设有2个环形凸起4。轴肩2与距离轴肩2最近的环形凸起4之间的搅拌针3形状为圆柱型。夹持端1的另一端固定在搅拌摩擦焊机主轴上。
上述环形凸起4与搅拌针3的连接处为圆弧过渡。
工作过程：以焊接三层金属复合板为例
首先对三层金属复合板进行表面清理，然后移动搅拌摩擦焊机，将搅拌头与被焊板材焊缝进行对齐并装夹固定，使得轴肩2位于三层金属复合板的复板上，设定合适的焊接参数，搅拌针3的两个环形凸起4的直径最大处分别位于复合板的两个结合交界面，再进行焊接，直至焊接完成。

Claims (5)

1.一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，其特征在于：包括
被配置用于固定在搅拌摩擦焊机主轴的夹持端（1）；
与夹持端（1）底部固连的轴肩（2）；
与轴肩（2）底部固连的搅拌针（3）；
其中，所述搅拌针（3）上设有至少一个环形凸起（4）。
2.根据权利要求1所述的用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，其特征在于：上述搅拌针（3）上设有至少两个环形凸起（4），所述两个环形凸起（4）间隔设置。
3.根据权利要求1或2所述的用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，其特征在于：上述环形凸起（4）与搅拌针（3）的连接处为圆弧过渡。
4.根据权利要求3所述的用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，其特征在于：上述轴肩（2）与距离轴肩（2）最近的环形凸起（4）之间的搅拌针（3），其形状自轴肩（2）向环形凸起（4）的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型。
5.根据权利要求1或2所述的用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头，其特征在于：上述轴肩（2）与距离轴肩（2）最近的环形凸起（4）之间的搅拌针（3），其形状自轴肩（2）向环形凸起（4）的方向为渐缩型、渐扩型或圆柱型。
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