CN107999953B - 一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种焊具，更具体的说是一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，包括夹持体和搅拌针，所述搅拌针固定连接在夹持体的下端，所述搅拌针包括连接键、大搅拌针、窄凹形轴肩和小搅拌针，所述连接键为单面键或双面键，所述大搅拌针下端开设窄凹形轴肩，所述连接键、大搅拌针、窄凹形轴肩和小搅拌针从上到下依次固定连接，所述大搅拌针和小搅拌针均为周向设置有螺纹的锥状结构。一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，可以解决铝钢异种金属搭接焊过程中易出现的hook缺陷、焊具尖端磨损、连续焊接界面处金属间化合物层使接头脆化等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种焊具，更具体的说是一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具。
背景技术
铝/钢等异种材料结构件，在航空、造船、石油化工、原子能、车辆制造等领域具有重要应用，不仅降低材料消耗、削减生产成本、减轻结合件的重量，同时可以满足工程中的强度等性能要求。在汽车制造领域，采用铝钢复合结构，能改善车身的动态性能和提高燃油经济性，减轻环境污染，是实现汽车轻量化、达到节能减排的有效途径之一；而高级船体甲板一般采用不锈钢，上层船身一般采用防锈铝合金，以减轻船体重量，实现轻量化，在甲板与船身的连接处涉及到铝钢异种材料的焊接。然而，铝/钢等异种材料的热物理性能差异过大，在熔化焊接时，接头容易产生裂纹、气孔等缺陷，而在连接界面处也易生成脆硬的金属化合物，增大了接头的脆性，降低接头承载性能。在焊接高温作用下，铝和钢的界面较易形成难熔的氧化膜，焊后以夹杂的形式存在于焊缝中，影响焊缝金属的连接强度，从而影响接头的使用性能。搅拌摩擦焊作为新型固相连接方法，具有热输入低、焊接变形小、高温停留时间短等特点，可以有效避免熔焊中存在的由熔化到凝固这一过程所引起的气孔、裂纹等缺陷，基本不受材料的晶体结构、物理化学性能、机械性能等影响，是比较理想的异种材料连接方法。但是，现阶段铝/钢等异种材料的搅拌摩擦焊仍然有一些问题没有被解决，例如接头中的HOOK钩状缺陷、弱连接等，并且由于钢的硬度和熔点较高，致使焊具磨损严重。虽然已经发现了某些方法来解决，但都还存在加工、可行性等其他方面的不足，导致该技术在铝钢连接领域很难普遍应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，可以解决铝钢异种金属搭接焊过程中易出现的hook缺陷、焊具尖端磨损、连续焊接界面处金属间化合物层使接头脆化等问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，包括夹持体和搅拌针，所述搅拌针固定连接在夹持体的下端，所述搅拌针包括连接键、大搅拌针、窄凹形轴肩和小搅拌针，所述连接键为单面键或双面键，所述大搅拌针下端开设窄凹形轴肩，所述连接键、大搅拌针、窄凹形轴肩和小搅拌针从上到下依次固定连接，所述大搅拌针和小搅拌针均为周向设置有螺纹的锥状结构。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述夹持体包括夹持部分、散热部分和宽凹形轴肩，所述夹持部分、散热部分和宽凹形轴肩从上到下依次固定连接，所述夹持部分上设有夹持面，所述夹持部分的直径小于散热部分的直径，所述散热部分上开设散热槽，所述散热槽为3～5圈螺旋槽，所述连接键配合连接在设置在宽凹形轴肩下端的键槽内，所述宽凹形轴肩上设置有紧固螺纹孔，紧固螺纹孔与宽凹形轴肩下端的键槽连通，所述紧固螺纹孔配合连接紧固螺钉；焊接开始，在焊具旋转下压阶段，小搅拌针扎入下层钢材，控制窄凹形轴肩刚好位于搭接界面处，宽凹形轴肩压入铝合金表面以下一定距离。以适当的焊接参数向前行进一段距离，待小搅拌针完全磨损消耗，焊接停止。焊接结束后搅拌针整体以铆钉的形式留在焊缝尾部中，进而完成铆接强化短段焊过程。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述夹持体的材料为高速钢、工具钢、钨钴合金钢和镍基合金钢中的一种或多种，所述搅拌针选用与待焊钢材同质的材料。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述连接键的最大直径大搅拌针根部直径相同，所述连接键的键高为10～20mm。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述宽凹形轴肩与焊具轴线之间的倾角δ1为80～85°，所述窄凹形轴肩与焊具轴线之间的倾角δ2为75～85°。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述宽凹形轴肩的直径为大搅拌针根部直径的2.5～3倍，窄凹形轴肩的直径为小搅拌针根部直径的1～2.5倍。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述大搅拌针的根部直径大于大搅拌针的端部直径1～4mm，所述大搅拌针的端部直径大于小搅拌针的根部直径5～8mm，所述小搅拌针的根部直径大于小搅拌针的端部直径1～3mm，所述大搅拌针和小搅拌针上的螺纹均为右旋螺纹，螺距均为0.50mm～1.00mm。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述大搅拌针的长度D5比被焊接的上层铝板厚度大0.05～0.30mm，所述小搅拌针的长度D6为被焊接的下层钢板厚度的1/3～1/2。
作为本技术方案的进一步优化，本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，所述焊具进行搅拌摩擦焊接时，焊接速度设定为50-1500mm/min，焊具旋转速度为400-2000rpm，焊具主轴的倾角设计为0-5°，宽凹形轴肩压入铝合金上表面0.05-0.30mm，窄凹形轴肩压入界面钢材表面0-0.05mm。
本发明一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具的有益效果为：
1、利用小搅拌针扎入钢板内部，使得窄凹形轴肩刚好接触钢板表面，通过窄凹形轴肩可以有效控制搭接接头中存在的HOOK钩状缺陷；
2、在焊接过程中，小搅拌针和窄凹形轴肩与下层钢板紧密接触，强烈摩擦，有助于打碎界面氧化膜，活化界面区的钢原子和铝原子，促进原子扩散；
3、小搅拌针扎入下层钢板，在焊接过程中的搅拌行为将促使铝和钢形成无序的层状分布特征，铝钢组织的交替分布将有利于两金属在界面形成机械啮合，增强接头力学性能；
4、焊接结束时，搅拌针以铆钉的形式留在焊缝尾部，避免了焊缝匙孔的形成，同时，铆钉结构可阻碍失效时裂纹的扩展，增加结构的稳定性；
5、用铆钉强化的搅拌摩擦短段焊的形式连接铝钢异种材料，可有效避免连续焊后，在应力作用下，界面脆性金属间化合物快速整体失效的发生。
附图说明
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细的说明。
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明夹持体和搅拌针单面键连接处的半剖示意图；
图3是本发明单面键的剖面示意图；
图4是本发明夹持体和搅拌针双面键连接处的半剖示意图；
图5是本发明双面键的剖面示意图。
图中：夹持部分1；夹持面1-1；散热部分2；散热槽2-1；宽凹形轴肩3；连接键4；大搅拌针5；窄凹形轴肩6；小搅拌针7；紧固螺纹孔8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一：
下面结合图1-5说明本实施方式，一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，包括夹持体和搅拌针，所述搅拌针固定连接在夹持体的下端，所述搅拌针包括连接键4、大搅拌针5、窄凹形轴肩6和小搅拌针7，所述连接键4为单面键或双面键，所述大搅拌针5下端开设窄凹形轴肩6，所述连接键4、大搅拌针5、窄凹形轴肩6和小搅拌针7从上到下依次固定连接，所述大搅拌针5和小搅拌针7均为周向设置有螺纹的锥状结构；焊接开始，在焊具旋转下压阶段，小搅拌针7扎入下层钢材，控制窄凹形轴肩6刚好位于搭接界面处，以适当的焊接参数向前行进一段距离，待小搅拌针7完全磨损消耗，焊接停止。焊接结束后搅拌针整体以铆钉的形式留在焊缝尾部中，进而完成铆接强化短段焊过程。
具体实施方式二：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述夹持体包括夹持部分1、散热部分2和宽凹形轴肩3，所述夹持部分1、散热部分2和宽凹形轴肩3从上到下依次固定连接，所述夹持部分1上设有夹持面1-1，所述夹持部分1的直径小于散热部分2的直径，所述散热部分2上开设散热槽2-1，所述散热槽2-1为3～5圈螺旋槽，所述连接键4配合连接在设置在宽凹形轴肩3下端的键槽内，所述宽凹形轴肩3上设置有紧固螺纹孔8，紧固螺纹孔8与宽凹形轴肩3下端的键槽连通，所述紧固螺纹孔8配合连接紧固螺钉，通过紧固螺钉实现夹持体和搅拌针的固定连接；焊接时，宽凹形轴肩3压入铝合金表面以下一定距离。
具体实施方式三：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述夹持体的材料为高速钢、工具钢、钨钴合金钢和镍基合金钢中的一种或多种，所述搅拌针选用与待焊钢材同质的材料。
具体实施方式四：
下面结合图3和图5说明本实施方式，本实施方式对实施方式二或三作进一步说明，所述连接键4的最大直径大搅拌针5根部直径相同，所述连接键4的键高为10～20mm。
具体实施方式五：
下面结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述宽凹形轴肩3与焊具轴线之间的倾角δ1为80～85°，所述窄凹形轴肩6与焊具轴线之间的倾角δ2为75～85°。
具体实施方式六：
下面结合图1、图2和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式五作进一步说明，所述宽凹形轴肩3的直径为大搅拌针5根部直径的2.5～3倍，窄凹形轴肩6的直径为小搅拌针7根部直径的1～2.5倍。
具体实施方式七：
下面结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式六作进一步说明，所述大搅拌针5的根部直径大于大搅拌针5的端部直径1～4mm，所述大搅拌针5的端部直径大于小搅拌针7的根部直径5～8mm，所述小搅拌针7的根部直径大于小搅拌针7的端部直径1～3mm，所述大搅拌针5和小搅拌针7上的螺纹均为右旋螺纹，螺距均为0.50mm～1.00mm，在小搅拌针7旋转时使小搅拌针7扎入下层钢材。
具体实施方式八：
下面结合图2和图4说明本实施方式，本实施方式对实施方式七作进一步说明，所述大搅拌针5的长度D5比被焊接的上层铝板厚度大0.05～0.30mm，所述小搅拌针7的长度D6为被焊接的下层钢板厚度的1/3～1/2。
具体实施方式九：
下面结合图1-5说明本实施方式，本实施方式对实施方式二作进一步说明，所述焊具进行搅拌摩擦焊接时，焊接速度设定为50-1500mm/min，焊具旋转速度为400-2000rpm，焊具主轴的倾角设计为0-5°，宽凹形轴肩3压入铝合金上表面0.05-0.30mm，窄凹形轴肩6压入界面钢材表面0-0.05mm。
本发明的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其工作原理及焊接方法为：焊接开始，在焊具旋转下压阶段，小搅拌针7扎入下层钢材，控制窄凹形轴肩6刚好位于搭接界面处，宽凹形轴肩3压入铝合金表面以下一定距离。以适当的焊接参数向前行进一段距离，待小搅拌针完全磨损消耗，焊接停止。焊接结束后搅拌针整体以铆钉的形式留在焊缝尾部中，进而完成铆接强化短段焊过程；利用小搅拌针7扎入钢板内部，使得窄凹形轴肩6刚好接触钢板表面，通过窄凹形轴肩6可以有效控制搭接接头中存在的HOOK钩状缺陷；在焊接过程中，小搅拌针7和窄凹形轴肩6与下层钢板紧密接触，强烈摩擦，有助于打碎界面氧化膜，活化界面区的钢原子和铝原子，促进原子扩散；小搅拌针7扎入下层钢板，在焊接过程中的搅拌行为将促使铝和钢形成无序的层状分布特征，铝钢组织的交替分布将有利于两金属在界面形成机械啮合，增强接头力学性能；焊接结束时，搅拌针以铆钉的形式留在焊缝尾部，避免了焊缝匙孔的形成，同时，铆钉结构可阻碍失效时裂纹的扩展，增加结构的稳定性。用铆钉强化的搅拌摩擦短段焊的形式连接铝钢异种材料，可有效避免连续焊后，在应力作用下界面脆性金属间化合物快速整体失效问题的发生。
当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，包括夹持体和搅拌针，其特征在于：所述搅拌针固定连接在夹持体的下端，所述搅拌针包括连接键(4)、大搅拌针(5)、窄凹形轴肩(6)和小搅拌针(7)，所述连接键(4)为单面键或双面键，所述大搅拌针(5)下端开设窄凹形轴肩(6)，所述连接键(4)、大搅拌针(5)、窄凹形轴肩(6)和小搅拌针(7)从上到下依次固定连接，所述大搅拌针(5)和小搅拌针(7)均为周向设置有螺纹的锥状结构。
2.根据权利要求1所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述夹持体包括夹持部分(1)、散热部分(2)和宽凹形轴肩(3)，所述夹持部分(1)、散热部分(2)和宽凹形轴肩(3)从上到下依次固定连接，所述夹持部分(1)上设有夹持面(1-1)，所述夹持部分(1)的直径小于散热部分(2)的直径，所述散热部分(2)上开设散热槽(2-1)，所述散热槽(2-1)为3～5圈螺旋槽，所述连接键(4)配合连接在设置在宽凹形轴肩(3)下端的键槽内，所述宽凹形轴肩(3)上设置有紧固螺纹孔(8)，紧固螺纹孔(8)与宽凹形轴肩(3)下端的键槽连通，所述紧固螺纹孔(8)配合连接紧固螺钉。
3.根据权利要求2所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述夹持体的材料为高速钢、工具钢、钨钴合金钢和镍基合金钢中的一种或多种，所述搅拌针选用与待焊钢材同质的材料。
4.根据权利要求2或3所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述连接键(4)的最大直径大搅拌针(5)根部直径相同，所述连接键(4)的键高为10～20mm。
5.根据权利要求2所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述宽凹形轴肩(3)与焊具轴线之间的倾角δ1为80～85°，所述窄凹形轴肩(6)与焊具轴线之间的倾角δ2为75～85°。
6.根据权利要求5所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述宽凹形轴肩(3)的直径为大搅拌针(5)根部直径的2.5～3倍，窄凹形轴肩(6)的直径为小搅拌针(7)根部直径的1～2.5倍。
7.根据权利要求6所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述大搅拌针(5)的根部直径大于大搅拌针(5)的端部直径1～4mm，所述大搅拌针(5)的端部直径大于小搅拌针(7)的根部直径5～8mm，所述小搅拌针(7)的根部直径大于小搅拌针(7)的端部直径1～3mm，所述大搅拌针(5)和小搅拌针(7)上的螺纹均为右旋螺纹，螺距均为0.50mm～1.00mm。
8.根据权利要求7所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述大搅拌针(5)的长度D5比被焊接的上层铝板厚度大0.05～0.30mm，所述小搅拌针(7)的长度D6为被焊接的下层钢板厚度的1/3～1/2。
9.根据权利要求2所述的一种变截面双针铆接强化搅拌摩擦短段焊焊具，其特征在于：所述焊具进行搅拌摩擦焊接时，焊接速度设定为50-1500mm/min，焊具旋转速度为400-2000rpm，焊具主轴的倾角设计为0-5°，宽凹形轴肩(3)压入铝合金上表面0.05-0.30mm，窄凹形轴肩(6)压入界面钢材表面0-0.05mm。
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