CN104972219A - 一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域。所述焊具由夹持体、轴肩和搅拌针所构成，轴肩的端面为内凹型，且在该内凹端面上加工有螺旋槽结构。采用该焊具进行搅拌摩擦焊接时，首先将焊具安装在焊机主轴上，将被焊母材放置于金属垫板上并牢固定位；然后启动焊机，焊具开始旋转并从起焊点扎入工件，当焊具轴肩端面的外边缘与工件上表面的距离为零时，焊具即停止下扎，随后焊具沿焊接轨迹行进来实施焊接，焊接中，焊具的倾角为0°。本发明解决了现有技术在消除搅拌摩擦焊焊缝减薄现象中存在的成本高、效率低、适用范围窄等问题。

Description

一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊领域，具体地说涉及一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所于1991年发明的高质量固相焊接技术。它的基本原理是，高速旋转的搅拌摩擦焊焊具对被焊母材实施摩擦热及搅拌切削作用，使得被焊母材发生热塑性变形，并在焊具的旋转带动及挤压锻造作用下完成焊缝成形。

搅拌摩擦焊焊具包含轴肩和搅拌针等组成部分。采用传统搅拌摩擦焊焊具进行焊接时，轴肩需对被焊母材表面施加一定的压入量，以对位于其底部的热塑性材料起到充分的锻压及包络回填作用，进而保障焊缝的优质成形。压入量的存在导致所形成焊缝的表面低于母材，即焊缝减薄的发生。焊缝减薄既会降低焊接接头的承载能力，又会影响结构件的整体尺寸精度，因此在一些情况下，如压力容器制造或航空航天高精度结构件的连接制造中，明确要求不允许焊缝减薄现象出现。可见，为了拓展搅拌摩擦焊这一高质量连接技术的应用范围，如何消除焊缝减薄现象就成为了亟待解决的关键问题。

申请号为201010120293.9，发明名称为《能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式搅拌头》的中国专利设计了一种能降低焊缝减薄厚度的搅拌摩擦焊用组合式焊具，但该发明所设计的焊具的结构复杂，成本较高，而且该发明只是起到了降低焊缝减薄量的作用，并没有达到彻底避免焊缝减薄发生的效果。

申请号为201310127549.2，发明名称为《能够消除焊缝减薄的带状焊丝随焊送入搅拌摩擦焊方法》的中国专利在被焊母材表面随焊铺垫带状焊丝，从而将焊具轴肩压入量施加在该带状焊丝上，焊后再通过去除焊丝来达到焊缝与母材等厚的目的。这种焊前增材的方法所涉及的焊接辅助系统结构复杂，提高了焊接制造成本，而且焊前准备和焊后清理过程都较为繁琐，降低了生产效率。

申请号为201210554070.2，发明名称为《一种控制搅拌摩擦焊接压痕深度的工艺方法》的中国专利在焊前对零件未焊接区进行化学铣切处理，使零件焊接区保留凸起，焊接中轴肩下压量作用于该凸起上，从而实现了焊缝表面不低于母材表面的效果。这种焊前减材的方法需要进行较为繁琐的化学铣切流程，提高了生产成本，降低了生产效率，同时这种方法改变了被焊母材未焊接区的厚度尺寸，难以应用于不允许对零件未焊接部位进行铣切加工的情况，可适用范围较窄。

由此可见，针对搅拌摩擦焊焊缝减薄的问题，目前已公开的解决方法中，对焊具结构的改进设计不仅成本高，而且不能彻底消除焊缝减薄现象，而对被焊母材进行焊前增材或减材处理的方法虽然能够消除焊缝减薄现象，但却存在着成本高、操作工序繁琐、效率低、可适用范围窄等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法，以解决现有技术在消除搅拌摩擦焊焊缝减薄现象中所存在的成本高、效率低、可适用范围窄等问题。

本发明的技术方案是：

一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具，该焊具由夹持体、轴肩和搅拌针所构成。夹持体、轴肩和搅拌针三者为一体结构或分体结构。轴肩的端面为内凹型结构，轴肩的端面与焊具轴线方向夹角θ的取值范围为：75°≤θ≤89°,同时在轴肩的端面上加工有螺旋槽结构。

所述焊具中，轴肩的直径D为被焊母材的厚度H的2～5倍，搅拌针的长度L与被焊母材的厚度H的差值（L-H）为-0.25mm～0mm。

利用上述焊具实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法，该方法是通过以下步骤实现的：

（1）装卡定位：将焊具安装在焊机主轴上，将被焊母材放置于金属垫板上，用卡具将被焊母材与金属垫板牢固定位。

（2）焊接实施：启动焊机，焊具开始旋转并从起焊点扎入工件，待焊具其轴肩的端面与工件的上表面距离为零时（即轴肩端面的外边缘与工件上表面的距离达到零时），焊具停止下扎，此时焊具的轴肩对被焊母材的上表面的压入量为0mm，随后焊具沿焊接轨迹行进，对被焊母材实施焊接。焊接中，焊具的旋转速度为150～3000r/min，焊接速度为20～1000mm/min，焊具轴线方向与焊接速度方向始终保持垂直，即焊具的倾角为0°。

所述被焊母材的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

所述被焊母材的厚度为0.5～50mm。

本发明的有益效果是：

第一、本发明中，焊接时焊具轴肩对母材表面的压入量为0mm，彻底避免了轴肩对被焊母材表面的压入，从而从根本上消除了焊缝减薄现象。

第二，焊接中，所述焊具的轴肩端面的内凹型结构为位于其底部的塑性材料提供了存储空间，避免了材料的外溢，轴肩底部充足的材料量会提高轴肩端面上螺旋槽结构与塑性材料之间的相互作用力，进而增强了螺旋槽结构对塑性材料的挤压锻造和旋转带动作用，促进了优质焊缝的形成。也就是说，本发明的焊具中，轴肩端面的内凹型结构会对其螺旋槽结构所起的作用产生积极的促进效果，因而本发明的焊具能够更好的保障零减薄搅拌摩擦焊焊缝的优质成形。

第三，本发明的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具具有结构简单紧凑、易于安装和拆卸等优点，且加工制造成本低，便于实际生产使用。

第四，与已有技术相比，本发明方法不需改变母材未焊接区的厚度尺寸；更为重要的是，由于焊接时焊具倾角为0°，非常便于对被焊母材实施二维曲线甚至是空间三维曲线的焊缝零减薄搅拌摩擦焊接。这些都使得本发明在高精度装备制造业领域具有更加广泛的应用范围。

第五，本发明的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法，在焊前不需对被焊母材进行任何增材或减材处理，焊后也不需对焊缝进行任何清理，焊接成本低、操作流程简单，因而非常有利于结构件的低成本、高效率的连接制造。

附图说明

图1是实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具示意图。

图2是实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接过程示意图。

图3为实例所获得的零减薄搅拌摩擦焊焊缝分析试样。

图中：1-焊具；2-被焊母材；3-金属垫板；11-夹持体；12-轴肩；13-搅拌针；121-轴肩的端面。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具1由夹持体11、轴肩12和搅拌针13所构成。所述夹持体11和轴肩12为圆柱体，所述搅拌针13为设置在所述轴肩12其端面121上的圆锥体。夹持体11、轴肩12和搅拌针13三者之间可以为一体结构，也可以为分体结构。

轴肩12的端面121为内凹型结构，轴肩12的端面121与焊具1轴线方向的夹角θ的取值范围为：75°≤θ≤89°,同时在轴肩12的端面121上加工有螺旋槽结构。

所述焊具1中，轴肩12的直径D为被焊母材2的厚度H的2～5倍，搅拌针13的长度L与被焊母材2的厚度H的差值L-H为-0.25mm～0mm。

如图2所示，利用上述焊具1实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法通过以下步骤实现：

步骤一：装卡定位。将焊具1安装在焊机主轴上，将被焊母材2放置于金属垫板3上，用卡具将被焊母材2与金属垫板3牢固定位。

步骤二：焊接实施。启动焊机，焊具1开始旋转并从起焊点扎入工件2，待焊具1的轴肩12的端面121与工件2的上表面刚刚接触后（即轴肩端面的外边缘与工件上表面的距离为零时），焊具1即停止下扎，此时焊具1的轴肩12对被焊母材2的上表面的压入量为0mm，随后焊具1沿焊接轨迹行进，对被焊母材2实施焊接。焊接中，焊具1的旋转速度为150～3000r/min，焊接速度为20～1000mm/min，焊具轴线方向与焊接速度方向始终保持垂直，即焊具1的倾角为0°。

本发明被焊母材2的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

本发明被焊母材2的厚度为0.5～50mm。

实施例1

本实施例焊具中，夹持体、轴肩和搅拌针自上而下一体制成。轴肩端面与焊具轴线方向的夹角为78°，在轴肩的端面上加工有螺旋槽结构，轴肩直径为24mm，搅拌针长度为5.85mm。以5.94mm厚的铝合金板材为焊接对象。焊接中，焊具转速为800r/min，焊接速度为100mm/min，焊具轴肩对被焊母材上表面的压入量为0mm，焊具倾角为0°。

焊后沿垂直焊接方向切割制成如图3所示的分析试样，由图3可见，焊缝成形良好，没有飞边出现。采用螺旋测微器，对图3中位置A、B、C、D、E处的焊缝厚度依次进行测量，所测得焊缝厚度值分别为5.98mm、5.97mm、5.95mm、5.96mm、5.97mm。由此可见，采用本发明的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具及焊接方法，无需任何焊前增材减材处理或焊后清理工作，即一次性获得了表面不低于母材表面的优质焊缝，实现了焊缝零减薄的搅拌摩擦焊接。

Claims (7)

1.一种实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具，其特征在于：该焊具由夹持体、轴肩和搅拌针所构成，所述轴肩的端面为内凹型结构，轴肩的端面与焊具轴线方向夹角θ的取值范围为：75°≤θ≤89°,同时在轴肩的端面上加工有螺旋槽结构。

2.根据权利要求1所述的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具，其特征在于：所述夹持体、轴肩和搅拌针三者为一体结构或分体结构。

3.根据权利要求1所述的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊具，其特征在于：所述轴肩的直径D为被焊母材的厚度H的2～5倍，搅拌针的长度L与被焊母材的厚度H的差值为-0.25mm～0mm。

4.一种利用权利要求1所述焊具实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

（1）装卡定位：将焊具安装在焊机主轴上，将被焊母材放置于金属垫板上，用卡具将被焊母材与金属垫板牢固定位；

（2）焊接实施：启动焊机，焊具1开始旋转并从起焊点扎入工件，待焊具其轴肩的端面与工件的上表面距离为零时焊具停止下扎，此时焊具的轴肩对被焊母材的上表面的压入量为0mm，随后焊具沿焊接轨迹行进，对被焊母材实施焊接。

5.根据权利要求4所述的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法，其特征在于：焊接过程中，焊具的旋转速度为150～3000r/min，焊接速度为20～1000mm/min，焊具轴线方向与焊接速度方向始终保持垂直，即焊具的倾角为0°。

6.根据权利要求4所述的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法，其特征在于：所述被焊母材的材质为铝、铝合金、镁、镁合金、铜或铜合金。

7.根据权利要求4所述的实现搅拌摩擦焊焊缝零减薄的焊接方法，其特征在于：所述被焊母材的厚度为0.5～50mm。