CN105033447A - 一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具 - Google Patents
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Abstract
一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，为解决现有异种材料搭接搅拌摩擦焊焊缝存在钩状缺陷、弱连接及搅拌头严重磨损的问题。转接套和夹持柄的轴心处设有搅拌针安装孔，搅拌针设置在搅拌针安装孔的上部，调节螺栓设置在搅拌针安装孔的下部，搅拌针外露在转接套上端面的搅拌针体部分为锥形螺纹面，所述搅拌针的上端面设有凹形端面，凹形端面沿周向设有三个凹形弧，三个凹形弧在凹形端面上均匀分布，在凹形端面上设有硬质凸点，搅拌针的下端柱体设有铣扁，搅拌针体部分与铣扁之间为过渡区域，转接套的上端面为凹形轴肩，转接套的中心处为搅拌针安装孔，搅拌针安装孔的直径与搅拌针的直径相同，本发明用于铝/钢异种材料焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊具，具体涉及一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具。
背景技术
铝/钢异种材料作为车身材料可减轻汽车自重，实现车身框架结构的轻量化和高强度，改善车身的动态性能和提升经济性，提高燃油经济性，减少环境污染，达到节能减排的目的，同时也保障了行驶中的安全性，其可靠连接则是解决铝合金在汽车车身材料中应用的关键。然而，铝/钢的物理参数、晶格参数、组织结构相差甚远，致使铝/钢异种金属连接的难度较大，且铝合金与钢在熔化焊接时在连接界面处易生成脆硬的金属间化合物(FeAl2、FeAl3和Fe2Al5等)，增加了接头的脆性，易产生裂纹，且焊接过程中铝合金表面易形成难熔的Al2O3氧化膜，影响焊缝金属的熔合程度，直接影响接头的使用性能。搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法，具有热输入低、高温停留时间短、焊接变形小等特点，并且可有效避免由熔化—凝固过程所引起的裂纹、气孔等缺陷，基本不受材料物理化学性质及晶体结构等因素的影响，对克服异种材料性能差异带来的焊接困难具有优势，已成为异种材料焊接的研究热点。然而，目前针对铝/钢异种材料的搅拌摩擦焊仍存在很多问题亟待解决，例如接头中的钩状缺陷、弱连接缺欠等。同时，焊具的磨损和寿命仍是需要解决的问题，由于钢屈服强度和熔点较高，焊具的磨损严重，虽然聚晶立方氮化硼焊具在一定程度上缓解了其磨损程度，但仍难以实现长距离焊接，并且硬质焊具存在断裂韧性低、制备难、加工难、价格高等经济与技术不足，难以普遍应用。
发明内容
本发明为解决现有异种材料搭接搅拌摩擦焊焊缝存在钩状缺陷、弱连接以及搅拌头严重磨损的问题，提供一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，即轴肩和搅拌针的工作端面均为内凹面，探深可调式防磨损的对界面施加强形变的焊具。
本发明的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具包括搅拌针、转接套、夹持柄、调节螺栓、第一紧固螺栓和第二紧固螺栓，夹持柄的上端面设有转接套安装槽，转接套设置在转接套安装槽中，转接套和夹持柄的轴心处设有搅拌针安装孔，搅拌针设置在搅拌针安装孔的上部，调节螺栓设置在搅拌针安装孔的下部，第一紧固螺栓将搅拌针和夹持柄紧固，第二紧固螺栓将搅拌针、转接套和夹持柄紧固，所述搅拌针外露在转接套上端面的搅拌针体部分为锥形螺纹面，所述搅拌针的上端面设有凹形端面，凹形端面沿周向设有三个凹形弧，三个凹形弧在凹形端面上均匀分布，在凹形端面上设有硬质凸点，搅拌针的下端柱体设有铣扁，搅拌针体部分与铣扁之间为过渡区域，转接套的上端面为凹形轴肩，转接套的中心处为搅拌针安装孔，搅拌针安装孔的直径与搅拌针的直径相同。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
一、本发明的焊具在轴肩和搅拌针的工作端面上均设计为凹形面，并且通过调节螺栓使得搅拌针探深变为可调，利用本发明的焊具对铝钢异种金属进行搅拌摩擦扩散焊，不会出现钩状缺陷、弱连接以及搅拌头严重磨损的现象，为车辆、船舶、航空航天等领域的轻量化结构设计和焊接新技术的应用提供了新设计。
二、在搅拌针的工作端面上设置凹形端面，相对常规锥状搅拌针，可显著增大搭接界面冶金结合面积，增强搭接界面材料的塑性形变和流动。
三、搅拌针端部内凹工作面设计，使界面塑性材料向心流动，可有效消除或减弱界面钩状缺陷的产生，同时，周向三个凹形弧的设计，为界面塑性材料的流动赋予动静相结合模式，为界面材料提供强形变作用，同时改变金属间化合物的连续层状分布，将部分金属间化合物结构体作为增强相的模式弥散分布于界面处，将有害变为有益介质。
四、本发明在搅拌针的工作端面上中心或者偏离中心位置设计了硬质凸点，利用硬质凸点耐高温耐磨损的特点，可有效防止搅拌针的磨损，并增强钢的搅拌作用，为界面铝/钢异种材料的充分混合提供条件。
五、轴肩采用内凹式工作面设计，使表面铝合金塑性材料呈向心流动趋势，可避免接头表面飞边缺陷，改善焊缝成形的美观度。
六、搅拌针、轴肩和夹持柄间的分体式设计，使得焊具的可加工性和可调节性均得到提高，通过夹持柄尾部内置调节螺栓，搅拌针长度可精确微调，实现针对不同板厚探深的调整，提高针对板厚度的适应性。
附图说明
图1是本发明的整体结构主剖视图；
图2是搅拌针1的主剖视图；
图3是图2的I局部放大图；
图4是搅拌针1的工作端面示意图；
图5是搅拌针1的工作端面上具有一个硬质凸点7的示意图；
图6是搅拌针1的工作端面上具有两个非均布的硬质凸点7的示意图；
图7是转接套2的主剖视图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1～图7说明本实施方式，本实施方式包括搅拌针1、转接套2、夹持柄3、调节螺栓4、第一紧固螺栓5和第二紧固螺栓6，夹持柄3的上端面设有转接套安装槽3-1，转接套2设置在转接套安装槽3-1中，转接套2和夹持柄3的轴心处设有搅拌针安装孔M，搅拌针1设置在搅拌针安装孔M的上部，调节螺栓4设置在搅拌针安装孔M的下部，第一紧固螺栓5将搅拌针1和夹持柄3紧固，第二紧固螺栓6将搅拌针1、转接套2和夹持柄3紧固，其特征在于：所述搅拌针1外露在转接套2上端面的搅拌针体部分1-2为锥形螺纹面，所述搅拌针1的上端面设有凹形端面1-1，凹形端面1-1沿周向设有三个凹形弧1-1-1，三个凹形弧1-1-1在凹形端面1-1上均匀分布，在凹形端面1-1上设有硬质凸点7，搅拌针1的下端柱体设有铣扁1-4，利用铣扁1-4对搅拌针1进行周向固定，搅拌针体部分1-2与铣扁1-4之间为过渡区域1-3，转接套2的上端面为凹形轴肩2-1，转接套2的中心处为搅拌针安装孔M，搅拌针安装孔M的直径与搅拌针1的直径相同，以形成良好的配合，凸台2-2用于转接套2与夹持柄3定位，通过调节螺栓4的旋进与旋出可以对搅拌针1的长度进行微调，并将搅拌针完全固定。搅拌针1和转接套2属于可更换零件，针对不同的使用对象和使用要求，可以设计相应的搅拌针1和转接套2，大大提高了焊具的使用效率，节约成本。同样，亦可根据具体的使用需求，改变硬质凸点7的尺寸及分布规律。
具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的凹形端面1-1至搅拌针体部分1-2之间的过渡部分为球面或加工成具有平滑倒角的平面。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图3说明本实施方式，本实施方式的凹形端面1-1的半径R1为1.2mm～2.4mm，过渡弧面R2为0.2mm～0.5mm，过渡角γ为20°～30°，每个凹形弧1-1-1的半径为2.0mm～3.5mm，凹形弧1-1-1所对应的圆心角为25°～50°。周向三个凹形弧1-1-1的设计有利于为界面塑性材料的流动赋予动静相结合模式，为界面材料提供强形变作用。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的硬质凸点7的数量为1个、2个或3个，当硬质凸点7的数量为1个时，该硬质凸点7位于凹形端面1-1的几何中心处，当硬质凸点7的数量为2个或3个时，2个或3个硬质凸点7按周向非均布设置，硬质凸点7的半径为0.4mm～0.9mm。硬质凸点7的中心与凹形端面1-1的几何中心O点的第一距离D14的取值为0.3mm～0.8mm，第二距离D15的取值为0.6mm～1.0mm，硬质凸点7的设计对于增强材料塑性变形，防止搅拌头磨损具有重要作用。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图3、图5和图6说明本实施方式，本实施方式的硬质凸点7的材质为陶瓷、金刚石、聚晶立方氮化硼或钨铼合金。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的搅拌针1的搅拌针体部分1-2的长度d为1.8mm～9.5mm，搅拌针体部分1-2的直径为Φ1为1.5mm～8.5mm，搅拌针体部分1-2的锥面与搅拌头轴线的角度α为8°～15°，搅拌针体部分1-2为锥形螺纹为右旋螺纹，其螺距为0.30mm～0.90mm。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图7说明本实施方式，本实施方式的凹形轴肩2-1的外直径Φ2为8mm～15mm，转接套2的搅拌针安装孔M的内直径Φ4为1.5mm～8.5mm，凹形轴肩2-1的凹形曲面与中心轴线之间的夹度β为80°～97°，转接套2的下端为带有铣扁的圆柱体2-3，圆柱体2-3的直径为10mm～20mm，转接套2上的铣扁区域长度为6mm～12mm。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。
具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的调节螺栓4的下端为螺纹杆，调节螺栓4上端为圆柱形光杆，圆柱形光杆部分的长度D12依据搅拌针长度而定，螺纹杆的长度D13为8mm～15mm，通过调节螺栓4的旋进与旋出可调节的搅拌针1的长度k为-2mm～+2mm。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的第一紧固螺栓5与第二紧固螺栓6之间的距离D11为6mm～12mm。第一紧固螺栓5和第二紧固螺栓6的长度依据搅拌针1及转接套2的具体尺寸而定。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。
具体实施方式十：结合图2说明本实施方式，本实施方式的夹持柄3的夹持面的宽度D9为17mm～19mm，夹持面的长度D10为24mm～32mm。这样设计能保证夹持体3与搅拌主轴内孔配合。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。
Claims (10)
1.一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，所述焊具包括搅拌针(1)、转接套(2)、夹持柄(3)、调节螺栓(4)、第一紧固螺栓(5)和第二紧固螺栓(6)，其特征在于：夹持柄(3)的上端面设有转接套安装槽3-1，转接套(2)设置在转接套安装槽3-1中，转接套(2)和夹持柄(3)的轴心处设有搅拌针安装孔(M)，搅拌针(1)设置在搅拌针安装孔(M)的上部，调节螺栓(4)设置在搅拌针安装孔(M)的下部，第一紧固螺栓(5)将搅拌针(1)和夹持柄(3)紧固，第二紧固螺栓(6)将搅拌针(1)、转接套(2)和夹持柄(3)紧固，搅拌针(1)外露在转接套(2)上端面的搅拌针体部分(1-2)为锥形螺纹面，所述搅拌针(1)的上端面设有凹形端面(1-1)，凹形端面(1-1)沿周向设有三个凹形弧(1-1-1)，三个凹形弧(1-1-1)在凹形端面(1-1)上均匀分布，在凹形端面(1-1)上设有硬质凸点(7)，搅拌针(1)的下端柱体设有铣扁(1-4)，搅拌针体部分(1-2)与铣扁(1-4)之间为过渡区域(1-3)，转接套(2)的上端面为凹形轴肩(2-1)，转接套(2)的中心处为搅拌针安装孔(M)，搅拌针安装孔(M)的直径与搅拌针(1)的直径相同。
2.根据权利要求1所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述凹形端面(1-1)至搅拌针体部分(1-2)之间的过渡部分为球面或加工成具有平滑倒角的平面。
3.根据权利要求1或2所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述凹形端面(1-1)的半径R1为1.2mm～2.4mm，过渡弧面R2为0.2mm～0.5mm，过渡角γ为20°～30°，每个凹形弧(1-1-1)的半径为2.0mm～3.5mm，凹形弧(1-1-1)所对应的圆心角为25°～50°。
4.根据权利要求3所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述硬质凸点(7)的数量为1个、2个或3个，当硬质凸点(7)的数量为1个时，该硬质凸点(7)位于凹形端面(1-1)的几何中心处，当硬质凸点(7)的数量为2个或3个时，2个或3个硬质凸点(7)按周向非均布设置，硬质凸点(7)的半径为0.4mm～0.9mm。
5.根据权利要求4所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述硬质凸点(7)的材质为陶瓷、金刚石、聚晶立方氮化硼或钨铼合金。
6.根据权利要求5所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述搅拌针(1)的搅拌针体部分(1-2)的长度d为1.8mm～9.5mm，搅拌针体部分1-2的直径为Φ1为1.5mm～8.5mm，搅拌针体部分(1-2)的锥面与搅拌头轴线的角度α为8°～15°，搅拌针体部分(1-2)为锥形螺纹为右旋螺纹，其螺距为0.30mm～0.90mm。
7.根据权利要求6所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述凹形轴肩2-1的外直径Φ2为8mm～15mm，转接套(2)的搅拌针安装孔(M)的内直径Φ4为1.5mm～8.5mm，凹形轴肩(2-1)的凹形曲面与中心轴线之间的夹度β为80°～97°，转接套(2)的下端为带有铣扁的圆柱体(2-3)，圆柱体(2-3)的直径为10mm～20mm，转接套(2)上的铣扁区域长度为6mm～12mm。
8.根据权利要求7所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述调节螺栓(4)的下端为螺纹杆，调节螺栓(4)上端为圆柱形光杆，螺纹杆的长度D13为8mm～15mm，通过调节螺栓(4)的旋进与旋出可调节的搅拌针(1)的长度k为-2mm～+2mm。
9.根据权利要求8所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述第一紧固螺栓(5)与第二紧固螺栓(6)之间的距离D11为6mm～12mm。
10.根据权利要求9所述的一种界面强形变探深可调式搅拌摩擦焊焊具，其特征在于：所述夹持柄(3)的夹持面的宽度D9为17mm～19mm，夹持面的长度D10为24mm～32mm。
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