CN107999952A - 微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具 - Google Patents

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窦超
王志国
尹玉环
封小松
崔凡
徐奎
包云峰
郭立杰
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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/1245—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding characterised by the apparatus
    • B23K20/1255—Tools therefor, e.g. characterised by the shape of the probe

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Abstract

本发明涉及微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具，所述微搅拌摩擦焊搅拌头包括相互连接的轴肩和搅拌针，所述搅拌针呈锥形状，所述搅拌针尖端圆冠处开设平面缺口；所述轴肩连接搅拌针的端面上设有螺旋式渐开线槽。本发明的微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具，在搅拌针尖端圆冠处加工出平面缺口，配合搅拌头的高速旋转，大大提高了搅拌头对材料的搅动作用，以此来增加接头根部材料的流动性；轴肩端面加工有渐开线槽，增加了材料的流动性及摩擦产热量，此外，渐开线槽对材料的汇聚作用可消除表面飞边，提高了微搅拌摩擦焊焊接质量，得到高质量的微搅拌摩擦焊接头。

Description

微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具
技术领域
本发明涉及焊接领域，具体涉及一种微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具。
背景技术
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的一种新型固相连接技术，具有制造成本低、连接质量高、无污染等诸多优势。传统的搅拌摩擦焊技术通常针对板厚2 mm 以上的材料进行连接，而微搅拌摩擦焊技术在传统搅拌摩擦焊技术的基础上发展起来，采用超高转速（是搅拌摩擦焊过程主轴转速的 10 倍以上）和超小轴肩搅拌工具进行焊接，对厚度在1 mm 以下材料进行搅拌摩擦焊接，其材料产热、流动机制与传统搅拌摩擦焊技术有显著区别。
英国焊接研究所在微搅拌摩擦焊技术领域进行了研究，焊接厚度可达0.3 mm。目前国内逐步开展了板厚1mm以下构件焊接研究。对于微搅拌摩擦焊技术而言，由于被焊构件板厚小，搅拌头可操作空间受限，因此很难通过调节下压量及搅拌针长度来提高接头根部材料的流动性，往往焊接接头根部存在弱连接及未焊合等缺陷，这大大限制了微搅拌摩擦焊技术的推广应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具，解决现有微搅拌摩擦焊接头根部材料流动性差的问题。
为了达到上述的目的，本发明提供一种微搅拌摩擦焊搅拌头，包括相互连接的轴肩和搅拌针，所述搅拌针呈锥形状，所述搅拌针尖端圆冠处开设平面缺口。
进一步地，在搅拌针尖端圆冠处开设两处平面缺口。
进一步地，所述轴肩连接搅拌针的端面上设有螺旋式渐开线槽。
进一步地，所述渐开线槽，槽深0.3mm～0.5mm，槽宽0.4mm～0.6mm。
进一步地，在极坐标系下，所述渐开线槽的曲线方程为，其中，b为实数，代表渐开线旋转的角速度，θ为旋转角度，r为极径。进一步地，所述搅拌针长度L1为板材厚度的0.8～0.9倍，所述搅拌针根部直径D2为板材厚度的2.5～3倍，所述搅拌针端部直径D3为板材厚度的1.5～2倍；所述平面缺口宽度L2为0.2D3，高度L3为0.3D3；所述轴肩直径D1为板材厚度的4～6倍。
进一步地，微搅拌摩擦焊所焊接板材厚度为0.5mm～1mm。
本发明的提供的另一技术方案是一种微搅拌摩擦焊搅拌工具，包括上述微搅拌摩擦焊搅拌头。
与现有技术相比，本发明具有以下效果：
1）受限于微搅拌摩擦焊接头的结构特点，很难通过调节搅拌头压入深度及搅拌针长度来提高接头根部材料的流动性，本发明突破了以往微搅拌摩擦焊用搅拌头的设计思路，在搅拌针尖端圆冠处加工出平面缺口，配合搅拌头的高速旋转，大大提高了搅拌头对材料的搅动作用，以此来增加接头根部材料的流动性，提高了微搅拌摩擦焊焊接质量，得到高质量的微搅拌摩擦焊接头；
2）轴肩端面加工有渐开线槽，增加了材料的流动性及摩擦产热量，此外，渐开线槽对材料的汇聚作用可消除表面飞边，提高了微搅拌摩擦焊焊接质量，得到高质量的微搅拌摩擦焊接头；
3）本发明的微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具，操作简单，适应性强；
4）本发明的微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具，有效解决了现有微搅拌摩擦焊接头（板厚1mm以下）根部材料流动性差而造成的弱连接及未焊合缺陷问题。
附图说明
本发明的微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具由以下的实施例及附图给出。
图1是本发明较佳实施例的微搅拌摩擦焊搅拌头的结构示意图。
图2是本发明较佳实施例中轴肩端面示意图。
图3是本发明较佳实施例中微搅拌摩擦焊焊缝焊接结果示意图。
具体实施方式
以下将结合图1～图3对本发明的微搅拌摩擦焊搅拌头及搅拌工具作进一步的详细描述。
图1所示为本发明较佳实施例的微搅拌摩擦焊搅拌头的结构示意图；图2所示为本发明较佳实施例中轴肩端面示意图。
结合图1和图2，所述微搅拌摩擦焊搅拌头包括轴肩1和搅拌针2；所述搅拌针2与所述轴肩1连接；所述搅拌针2呈锥形状，所述搅拌针2尖端圆冠处开设平面缺口3。
本实施例的微搅拌摩擦焊搅拌头，在搅拌针尖端处加工平面缺口，配合搅拌头的高速旋转，大大提高了搅拌头对材料的搅动作用，增加了微搅拌摩擦焊接头根部材料的流动性及摩擦产热量，从而大大提高了微搅拌摩擦焊焊接质量，得到高质量的微搅拌摩擦焊接头。
较佳地，本实施例在搅拌针2尖端圆冠处开设两处平面缺口3。
较佳地，所述轴肩1连接搅拌针的端面上设有螺旋式渐开线槽4，如图2所示。在轴肩1连接搅拌针的端面上开设螺旋式渐开线槽4，增加了材料的流动性及摩擦产热量，此外，渐开线槽对材料的汇聚作用可消除表面飞边，进一步提高了微搅拌摩擦焊焊接质量，得到高质量的微搅拌摩擦焊接头。
本实施例中，微搅拌摩擦焊所焊接板材厚度为0.5mm～1mm，搅拌头的旋转速度为10000～30000rpm，搅拌头的行进速度为100～300mm/min。
如图1所示，所述搅拌针2长度L1为板材厚度的0.8～0.9倍，所述搅拌针2根部直径D2为板材厚度的2.5～3倍，其端部直径D3为板材厚度的1.5～2倍；所述搅拌针2尖端圆冠处开设的两处平面缺口3尺寸相同，平面缺口3宽度L2为0.2D3，高度L3为0.3D3。
所述轴肩1直径D1为板材厚度的4～6倍，所述轴肩1端面加工的渐开线槽4的曲线方程（极坐标）为，其中，b为实数，代表渐开线旋转的角速度，θ为旋转角度，r为极径；槽深0.3mm～0.5mm，槽宽0.4mm～0.6mm。
图3所示为本发明较佳实施例中微搅拌摩擦焊焊缝焊接结果示意图。由图3可知，采用本实施例的微搅拌摩擦焊搅拌头的焊接工具可大大提高微搅拌摩擦焊焊接质量。

Claims (9)

1.微搅拌摩擦焊搅拌头，包括相互连接的轴肩和搅拌针，其特征在于，所述搅拌针呈锥形状，所述搅拌针尖端圆冠处开设平面缺口。
2.如权利要求1所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，在搅拌针尖端圆冠处开设两处平面缺口。
3.如权利要求1所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，所述轴肩连接搅拌针的端面上设有螺旋式渐开线槽。
4.如权利要求3所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，所述渐开线槽，槽深0.3mm～0.5mm，槽宽0.4mm～0.6mm。
5.如权利要求4所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，在极坐标系下，所述渐开线槽的曲线方程为，其中，b为实数，代表渐开线旋转的角速度，θ为旋转角度，r为极径。
6.如权利要求1所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，所述搅拌针长度L1为板材厚度的0.8～0.9倍，所述搅拌针根部直径D2为板材厚度的2.5～3倍，所述搅拌针端部直径D3为板材厚度的1.5～2倍；所述轴肩直径D1为板材厚度的4～6倍。
7.如权利要求6所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，所述平面缺口宽度L2为0.2D3，高度L3为0.3D3。
8.如权利要求1所述的微搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，微搅拌摩擦焊所焊接板材厚度为0.5mm～1mm。
9.微搅拌摩擦焊搅拌工具，其特征在于，包括如权利要求1至权利要求7中任一权利要求所述的微搅拌摩擦焊搅拌头。
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