CN108453369A - 一种用于厚板叠层铝合金搅拌摩擦焊的搅拌头 - Google Patents
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Abstract
一种用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，该搅拌头包括夹持端、支撑体和搅拌端；搅拌端为分层结构，每一层都由轴肩和搅拌针组成，第二层轴肩和第三层轴肩为环形凸起状；夹持端与摩擦焊机主轴相固定，夹持端的另一端和支撑体的一端相连，支撑体的另一端与第一层轴肩相连，第一层轴肩与第一层搅拌针相连，第一层的搅拌针底部与第二层轴肩相连，本发明能增加厚板搅拌摩擦焊过程中焊缝底部的热输入，防止产生孔洞等缺陷；同时，增加的第二层和第三层轴肩能控制该层塑性金属的流动，降低金属层间过渡区的第二相，提高焊缝性能；本发明结构简单，实用性强，能提高焊接接头质量，对厚板叠层结构铝合金的搅拌摩擦焊推广起到重要作用。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊的搅拌头，尤其是用于厚板叠层结构铝合金对接接头的搅拌头，具体涉及到一种能提高厚板底部金属流动性且能控制层间流动的搅拌头。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute,TWI)发明的一种新型固相连接技术，该技术的原理是利用搅拌头在工件内高速旋转产生的摩擦热软化母材金属，随着搅拌头向前移动，被软化的塑性金属在搅拌针的搅拌作用下移到搅拌头后方，并在轴肩的锻压作用下形成焊缝，完成固相连接。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头轴肩产生的热量达到搅拌头总产热的80％以上，而搅拌针的产热不到总体产热的20％，所以在进行厚板搅拌摩擦焊过程中，沿板厚方向温度分布特别不均匀。对于厚板(30mm以上)来说，板材上部与底部的温差高可达到50℃，板材底部热输入不足导致该区域材料的流动性不够，在该处容易产生孔洞等缺陷，降低接头性能。
7XXX系可热处理强化铝合金是高强铝合金，板材抗拉强度均在400Mpa以上，其中的7A52、7A05等就是该类铝合金的代表。而不同成分铝合金叠层板材综合了各层材料的优良性能，使叠层铝合金在整体上有优于单一材料的力学性能和物理性能，其应用领域十分广。采用搅拌摩擦焊，塑化温度低于金属熔点，能够很好的控制焊缝热影响区以及金属间化合物的形成，但是，搅拌摩擦焊的搅拌作用会破坏层与层之间的结构，使层间过渡区域成为焊接接头性能薄弱区。
专利号为CN104625394A的发明设计了一种用于金属复合板焊接的单轴肩搅拌头。该搅拌头的特殊之处在于搅拌针上设计了周向环形凸起，焊接时，将环形凸起的最大直径处置于金属复合板的结合界面处，通过实现上、下异种金属流动至结合界面处发生回流来控制流动金属之间的紊乱程度，从而控制层间过渡区内的金属间化合物。但是该搅拌头的搅拌针表面光滑，在实际焊接厚板时，不利于塑性金属的充分流动，厚板下部容易出现孔洞等缺陷。
专利号为CN104646820A的发明公布了一种用于铝合金厚板焊接的焊接方法。该方法采用的搅拌头材质为奥氏体高氮钢，搅拌针与轴肩采用非比例加粗设计，焊接时进行双面搅拌摩擦焊。该焊接方法实现了接头强度提高，焊缝内部质量达到I级。然而，这种方法需要在焊完一面后二次装夹焊件，二次装夹前还需要一段时间的冷却，降低了焊接效率。
为增大厚板底部材料的塑性流动，专利号为CN102689090A的发明公布了一种镁、铝合金中厚板搅拌摩擦焊方法。该方法采用在焊缝底部施加辅助热源来预热焊接区金属，提高板材的热输入量，从而提高材料底部流动性，避免缺陷的产生。然而，这种方法会带来焊接接头中出现大范围的软化区问题，同时该方法增加了设备的复杂性。
专利号为CN106181022A的发明公布了一种能提高厚板底部热输入量的搅拌摩擦焊搅拌头。该发明在搅拌针端部添加了一个旋转头，旋转头通过导杆与另一电机相连，在焊接时选择转头可做与搅拌针不同速度的旋转。该发明能增加厚板底部材料的产热量，解决厚板搅拌摩擦焊过程中的底部区域易出现隧道等缺陷。但是在实际焊接过程中，塑化金属在搅拌头的搅拌作用下沿着搅拌针表面移动，由于旋转头与搅拌针的连接处存在间隙，塑化金属流入间隙内迫使旋转体停止旋转，反而不利于提高底部热输入量，同时也无法控制厚板搅拌摩擦焊时叠层结构的层间过渡区。
基于以上专利中的不足，本发明的目的有两个，一是针对厚板(30mm以上)叠层结构板材搅拌摩擦焊时下部材料流动性差容易产生孔洞和沟槽等缺陷，设计一种能用于厚板叠层结构搅拌摩擦焊的搅拌头，以增加焊缝下部材料的流动性，避免产生孔洞等缺陷，从而提高搅拌摩擦焊焊接接头的质量；二是针对叠层结构在搅拌作用下形成的层间过渡区性能较差的问题，设计的搅拌头在满足目的一的条件下还能控制层间材料的流动，从而控制层间过渡区。增加焊缝下部材料流动的创新点在于：一、设置最底层搅拌针表面螺纹头数大于前一层；二、搅拌端为分层设计，每一层都有小轴肩，增加焊接时下层的锻压和摩擦，从增加热输入和增加流动性两方面共同作用。
发明内容
本发明目的在于提供用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头；
实现本发明目的技术方案是：
一种用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，包括：与摩擦焊机主轴相连接的夹持端、支撑体和搅拌端组成；所述的搅拌端为分层结构，每一层均由都轴肩和搅拌针组成，其中，第二层轴肩和第三层轴肩为环形凸起状；所述的夹持端和支撑体的一端相连，支撑体的另一端与第一层轴肩相连，所述的第一层轴肩与第一层搅拌针相连，第一层的搅拌针底部与第二层轴肩相连；各层搅拌针上均设有增加金属流动性的螺纹，且末端搅拌针的螺纹头数大于前端搅拌针；为控制叠层铝合金层间金属流动，设置搅拌端各层轴肩和搅拌针的直径逐渐减少；
进一步的，第二层和第三层轴肩的直径大于前一层搅拌针底部直径。
进一步的，每一层搅拌针根部直径为从其根部到焊缝底部长度的1-1.5倍。
进一步的，环形凸起状轴肩与搅拌针连接处为圆弧过渡。
进一步的，各层搅拌针形状为圆台形。
进一步的，各层搅拌针上均设有螺纹凹槽，且各层的螺纹头数有所差别。
进一步的，第一层轴肩设置为内凹加同心圆凹槽，凹槽深度0.5mm，轴肩内凹角度为10°。
本发明与现有技术相比，其显著优点有：(1)、本发明的搅拌头的各层高度与叠层材料各层高度一致，环形凸起状轴肩可以较好的控制叠层材料不同金属结合界面处的流动；(2)该搅拌头的搅拌端分层设计，小轴肩的添加相当于增大了与板材的摩擦面，能增加大厚度板材在搅拌摩擦焊过程中底部材料的产热量，促进金属流动，解决了厚板焊接时底部易出现的孔洞等缺陷；(3)在焊接时，增加的各层轴肩对该层塑性金属起到锻压作用，更有利于焊缝成型；(4)焊接时搅拌针根部受交变载荷，是搅拌头最受力最大的区域，所以每层搅拌针的尺寸都考虑了其工作的安全性；(5)相比于其他搅拌针，本发明结构简单，实用性强，能提高焊接接头质量，对叠层结构铝合金的搅拌摩擦焊推广起到重要作用。
附图说明
图1为本发明的搅拌头整体结构示意图。
图2为本发明搅拌头的第三层轴肩与搅拌针示意图。
图3为本发明搅拌头与叠层铝合金配合及层间金属流动的示意图。
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1，一种用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其整体结构如图1所示，它由夹持端1、支撑体2和搅拌端3组成，此搅拌端3为分层结构，每一层都由小轴肩和小搅拌针组成，搅拌端的层数与所焊叠层材料的层数相等。图示搅拌头的夹持端1与焊机主旋转轴相配合，夹持端1的一端和支撑体2的一端相连，连接处采用圆弧过渡。支撑体2的另一端与第一层轴肩相连，第一层轴肩5与第一层搅拌针7相连，第一层的搅拌针底部与第二层轴肩11相连，以此类推。由于7XXX系铝合金硬度高，厚板焊接时需要的热量多，在选择搅拌头材料时应当选择强度高、抗剪性能好的材料，比如H13和硬质合金等等，此外，在支撑体2上开设散热槽3。第一层轴肩5结构为内凹10°，带同心圆凹槽6，凹槽6深度为0.5mm。考虑到加工的方便性，第二层轴肩11及第三层轴肩8均为平轴肩，也可以添加螺旋凹槽或者同心圆凹槽。各层搅拌针根部直径为从其根部到焊缝底部长度的1-1.5倍，且各层搅拌针上均设有增加金属流动性的螺纹，第一层搅拌针7处热输入最多，设置螺纹头数为1或者2即可；第二层搅拌针10表面有2头螺纹；第三层搅拌针9位于焊缝底部，塑性金属流动性最差，为增加塑性金属流动性，螺纹头数设为3。搅拌端4各层轴肩和搅拌针的直径逐渐减少，为控制层间金属流动，第二层和第三层的轴肩边缘为外凸圆弧状，且每一层的轴肩直径均大于前一层搅拌针底部直径，轴肩与搅拌针连接处为圆弧过渡。第一层和第二层搅拌针形状为圆台形，圆台倾角为0-15°。
结合图1，一种用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，用于焊接30mm厚三层叠层结构铝合金。所有搅拌针倾度都是15°，第一层搅拌针7和第三层搅拌针9长度为8.5mm，第二层搅拌针10长度为7mm；第一层和第二层搅拌针表面的螺纹均为2头，螺距6mm；第三层搅拌针表面螺纹头数为3，螺距7mm。第一层轴肩5直径为46mm，结构为内凹10°带同心圆凹槽，凹槽深度0.5mm；第一层搅拌针7根部直径为23mm，第一层搅拌针7由圆柱和圆台组成，圆柱高度5mm；第二层轴肩11直径为22mm；第二层搅拌针10根部直径17mm；第三层轴肩8直径为13mm，第三层搅拌针9根部直径为8mm；第二层和第三层轴肩高度为3mm，轴肩外凸圆弧半径1.5mm。在焊接厚板时，增设的第二、第三层轴肩相当于增加了搅拌头与铝合金的摩擦面，增加了焊接热输入，能提高底部材料的流动性，同时第三层搅拌针表面螺纹头数多也有利于塑化金属的流动，最后在各层轴肩的锻压作用下，形成焊缝，防止产生孔洞等缺陷，提高接头质量。
结合图3，一种用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，在焊接三层叠层结构铝合金时，第二层、第三层轴肩位于叠层铝合金层与层交界处，考虑到焊接时下压量会造成轴肩位置偏差，设定轴肩厚度为3mm。一般，搅拌摩擦焊过程中，搅拌针表面的塑性金属沿着搅拌针表面向下移动，而搅拌针附件的塑性金属受周围母材金属挤压向上运动，在轴肩处受锻压汇聚于轴肩下方，形成流动环。图示搅拌端具有三层结构，所以可以近似形成3个塑性金属流动环，达到控制层间金属流动的目的。
本发明的搅拌头，在焊接不同层数的叠层铝合金时，只需要改变搅拌端层数，使搅拌端层数与叠层材料层数相等，各级搅拌针的长度与叠层材料该层厚度相对应即可；在焊接不同厚度叠层材料时，可增减各层搅拌针表面的螺纹头数；对于更高厚度铝合金焊接容易出现的搅拌针根部断裂问题，可以适当设置搅拌针根部为圆柱形来增加许用剪切力。
Claims (8)
1.一种用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，包括：与摩擦焊机主轴相连接的夹持端、支撑体和搅拌端组成；所述的搅拌端为分层结构，每一层均由都轴肩和搅拌针组成，其中，第二层轴肩和第三层轴肩为环形凸起状；所述的夹持端和支撑体的一端相连，支撑体的另一端与第一层轴肩相连，所述的第一层轴肩与第一层搅拌针相连，第一层的搅拌针底部与第二层轴肩相连；各层搅拌针上均设有增加金属流动性的螺纹，且末端搅拌针的螺纹头数大于前端搅拌针；为控制叠层铝合金层间金属流动，设置搅拌端各层轴肩和搅拌针的直径逐渐减少。
2.根据权利要求1所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，满足控制叠层铝合金层间金属流动条件为，第二层和第三层轴肩的直径大于前一层搅拌针底部直径，且第二层和第三层轴肩厚度不小于2.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，第二层和第三层轴肩为环形凸起状，与搅拌针连接处采用圆弧过渡。
4.根据权利要求1所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，增加厚板铝合金底部的金属流动条件为，每一层搅拌针根部直径为从其根部到焊缝底部长度的1-1.5倍。
5.根据权利要求1所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述的各层搅拌针形状为圆台形，搅拌针倾角为15°。
6.根据权利要求5所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述的各层搅拌针上均设有螺纹凹槽，螺纹凹槽深度不小于0.6mm，螺距7mm，且各层的螺纹头数有所差别，第一层和第二层搅拌针表面有2头螺纹，螺距6mm；第三层搅拌针表面设有3头螺纹，增加螺纹头数有利于塑性金属流动。
7.根据权利要求1所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述的第一层轴肩设置为内凹且同心圆凹槽，凹槽深度0.5mm，轴肩内凹角度为15°；或用螺旋凹槽代替同心圆凹槽。
8.根据权利要求1所述的用于厚板叠层结构铝合金搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述的搅拌头搅拌端具有的层数与焊件的层数相等，焊接时第二层、第三层轴肩位于焊件的层与层交界处。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180828 |
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