CN108817650B - 一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，涉及搅拌摩擦焊技术领域，解决了现有技术中存在的用于角接接头搅拌摩擦焊接的工具操作复杂、适用范围小的技术问题。包括连接头、轴肩(13)和搅拌针(14)，其中，所述轴肩(13)和所述搅拌针(14)依次设置在所述连接头的下方，所述轴肩(13)为自与所述连接头的连接面向所述搅拌针(14)的方向以其直径逐渐减小的方式设置，在所述轴肩(13)的侧面自与所述连接头的连接面向所述搅拌针(14)的方向设置有螺旋凹槽(131)。本发明搅拌头为一体式结构，结构简单，避免了采用静轴肩搅拌头装配要求高的问题，同时采用本发明的搅拌头待焊板材无需特殊加工，板材直接拼接成角接接头即可进行焊接。

Description

一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其是涉及一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊接自上世纪90年代初问世以来，因其特别适合于铝合金等有色金属焊接，搅拌摩擦焊技术不断发展。搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，具有接头质量高、焊接效率高、绿色环保、成本低等优点，被誉为继激光焊之后的又一次焊接技术革命。然而，任何技术都不是万能的，都有它的适应性，搅拌摩擦焊就存在着焊接过程需要刚性支撑和牢固装夹，不适合角接和空间焊接，不适合高熔点金属，对装配精度要求高等缺点。

本申请人发现现有技术至少存在以下技术问题：现阶段，针对角接接头搅拌摩擦焊接主要采用以下两种方法：

1、静轴肩搅拌摩擦技术，该技术是采用特制的静轴肩搅拌头和搅拌摩擦焊机，静轴肩搅拌头的特点是搅拌针和本体在焊接过程中旋转，轴肩套在搅拌针与本体的连接部位外部，在焊接过程中不旋转，仅随焊接过程行进，焊接过程中贴合在焊缝表面，形成相对封闭的焊接环境，保证焊接质量。该方法虽然在一定程度上解决了搅拌摩擦焊在角接接头焊接上的应用，但是该方法需要采用特制的设备和搅拌头，前期投入高，搅拌头装配精度高，保养复杂，设备通用性差；

2、优化焊缝结构，采用传统焊接方法焊接，该方法是将角接接头根部材料增加对接面，在角接部位形成对接焊缝形式，采用传统搅拌摩擦焊接方法焊接此对接焊缝，形成角接接头的连接。但是该方法需更改原材料结构，增加对接面，此更改对一些板材适应性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，以解决现有技术中存在的用于角接接头搅拌摩擦焊接的工具操作复杂、适用范围小的技术问题。本发明提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供的一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，所述搅拌头包括连接头、轴肩和搅拌针，其中，所述轴肩和所述搅拌针依次设置在所述连接头的下方，所述轴肩为自与所述连接头的连接面向所述搅拌针的方向以其直径逐渐减小的方式设置，在所述轴肩的侧面自与所述连接头的连接面向所述搅拌针的方向设置有螺旋凹槽。

根据一种优选实施方式，所述轴肩的锥角为80～100°。

根据一种优选实施方式，所述轴肩上的螺旋凹槽自上而下呈阿基米德螺纹线的形式，其中，所述螺旋凹槽的槽深度为0.5～2.0mm，螺距为0.75～2.5mm。

根据一种优选实施方式，所述搅拌针与所述轴肩的底面相连接，且所述搅拌针自与所述轴肩相连接处向下呈直径逐渐减小的锥形结构，所述搅拌针的锥角为30～50°。

根据一种优选实施方式，所述搅拌针的锥形结构的侧面设置有螺纹结构。

根据一种优选实施方式，所述搅拌针的锥形结构的底面为半球形结构。

根据一种优选实施方式，所述连接头包括夹持部和连接部，所述连接部的上部与夹持部一体式连接，所述连接部的下部与所述轴肩一体式相连接。

根据一种优选实施方式，所述连接部包括连接端和散热端，其中，所述连接端包括与所述轴肩相连接的第一连接区段和与所述散热端相连接的第二连接区段，其中，

所述第一连接区段呈与所述轴肩的顶面直径相一致的圆柱型结构，所述第二连接区段自与所述第一连接区段的连接底面向上以直径逐渐增大的方式设置；所述连接端的侧面呈弧面结构。

根据一种优选实施方式，在所述散热端上设置有散热环，所述散热端的上部与夹持部形成一体式连接。

根据一种优选实施方式，在所述夹持部上沿其长度方向设置有弧形凹槽。

基于上述技术方案，本发明实施例的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头至少具有如下技术效果：

本发明提供的一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，所述搅拌头包括连接头、轴肩和搅拌针，其中，所述轴肩和所述搅拌针依次设置在所述连接头的下方，所述轴肩为自与所述连接头的连接面向所述搅拌针的方向以其直径逐渐减小的方式设置，在所述轴肩的侧面自与所述连接头的连接面向所述搅拌针的方向设置有螺旋凹槽。因此，本发明的搅拌头将轴肩设计为自与连接头的连接面向搅拌针的方向以直径逐渐减小的方式设置，结构类似于去掉顶尖的锥形结构，并且在轴肩的侧面设置了螺旋凹槽，因此，本发明的搅拌头尤其适用于角接接头，无需额外增加对接面，通过侧面带有螺旋凹槽的锥形结构在焊接过程中与待焊板接触能够将软化的材料沿螺旋凹槽并在其引导作用进入焊缝内部，从而保证焊缝处物料填充紧实。本发明的搅拌头应用于角接接头搅拌摩擦焊接，操作过程简单，无需定制焊接设备，适用范围广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头的立体结构示意图；

图2是本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头的主视图；

图3是本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头中轴肩和搅拌针的结构示意图。

图中：10-连接头；11-夹持部；12-连接部；13-轴肩；14-搅拌针；111-弧形凹槽；121-散热端；122-连接端；123-散热环；1221-第一连接区段；1222-第二连接区段；131-螺旋凹槽；141-螺纹结构；142-半球形结构。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供了一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，如图1和图2所示，其中图1示出了本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头的立体结构示意图；图2示出了本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头的另一视角的结构示意图。

需要说明的是，本文中所述的“上方”“上”或“上部”等术语是指在本发明的搅拌头安装至焊接设备上后相对远离焊缝的方向，所述的“下方”“下”或“下部”是指在相对靠近焊缝的方向。

参照图1和图2，本发明实施例的搅拌头包括连接头10、轴肩13和搅拌针14。轴肩13和搅拌针14依次设置在连接头10的下方。轴肩13为自与连接头10的连接面向搅拌针14的方向以其直径逐渐减小的方式设置，在轴肩13的侧面自与所述连接头10的连接面向所述搅拌针14的方向设置有螺旋凹槽131。因此，本发明的搅拌头尤其适用于角接接头，由于轴肩设置了具有螺旋凹槽的锥形结构，因此，本发明的搅拌头在进行角接接头焊接过程中，无需额外设置对接面通过锥形结构的轴肩能够与待焊接板直接接触摩擦，而且在螺旋凹槽的引导作用下可以将软化的材料引导至焊缝内部进行填充，操作过程方便简单。焊接过程中，轴肩可以与待焊角接接头板材摩擦产热并将焊缝金属压入焊缝内部，防止外溢。

优选的，轴肩13的锥角为80～100°，从而增加轴肩与待焊板材之间的接触面积，以增大摩擦产热，同时增加了对轴肩面焊缝金属的包覆作用。

参考图3，图3示出了本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头中轴肩和搅拌针的结构示意图。优选的，轴肩13上的螺旋凹槽131自上而下呈阿基米德螺纹线的形式，其中，螺旋凹槽131的槽深度为0.5～2.0mm，螺距为0.75～2.5mm。在轴肩的侧面上设置螺旋凹槽的作用一方面提高轴肩与待焊板材角接处的摩擦效果，增加热量输入；另一方面，在焊接过程中，螺旋凹槽具有对软化材料的引导作用，使其能够沿螺旋凹槽的引导进入焊缝内部，从而保证焊缝处物料填充紧实。优选的，在焊接过程中，将焊接设备主轴的旋转方向设置为与螺旋凹槽的螺旋方向相反，从而增加螺旋凹槽对材料的引导作用。

优选的，搅拌针14与轴肩13的底面相连接，且搅拌针14自与轴肩13相连接面向下呈直径逐渐减小的锥形结构。搅拌针14的锥角为30～50°。搅拌针的长度可以依据焊接板厚和焊接深度而定，但其长度不能大于焊缝的深度，防止焊穿。优选的，轴肩13的最大直径约为搅拌针14最大直径的2.5～4倍。优选的，搅拌针14的锥形结构的侧面设置有螺纹结构141。优选的，搅拌针14的锥形结构的底面为半球形结构142。螺纹结构141的旋转方向与螺旋凹槽131的旋转方向相一致。在使用时，通过调整焊接设备主轴的旋转方向使得螺纹结构141和螺旋凹槽131的旋转方向与主轴的旋转方向相反。可以增加对焊缝内部金属的搅拌，增加结合强度。

优选的，如图2所示，连接头10包括夹持部11和连接部12。连接部12的上部与夹持部11一体式连接。连接部12的下部与轴肩13一体式连接。优选的，连接部12包括连接端122和散热端121。其中，连接端122包括与轴肩13相连接的第一连接区段1221和与散热端121相连接的第二连接区段1222，其中，第一连接区段1221呈与轴肩13的顶面直径相一致的圆柱型结构。第二连接区段1222自与第一连接区段1221的连接底面向上以直径逐渐增大的方式设置；连接端122的侧面呈弧面结构。将连接端122设置不同直径的结构并以直径逐渐增大的方式设置，使连接端不会对除角接接头焊接面之外部分的待焊接材料造成损坏；方便轴肩与角接接头待焊接材料之间的摩擦产生热量。

优选的，在散热端121上设置有散热环123。用于提高焊接过程中焊接头的散热效率。散热端121的上部与夹持部11形成一体式连接。优选的，散热端121的直径大于夹持部11的直径。

优选的，在夹持部11上沿其长度方向设置有弧形凹槽111。夹持部11通过弧形凹槽与焊接设备主轴相连接，防止搅拌头在高速旋转过程中相对主轴转动。

本发明的搅拌头在使用时将待焊板的焊接边缘预先加工45°坡口，采用定位压紧工装，将待焊试板固定在工作台上，待焊板的角平分线方向可以竖直向上，将搅拌头沿角平分线方向旋转扎入待焊板内部，使搅拌头轴线位于角接焊缝角平分线上，待搅拌针全部进入待焊板并且轴肩与待焊板接触，搅拌头沿焊缝方向旋转行进，搅拌头的轴向与其前进方向的夹角为90～120°，轴肩表面的螺旋凹槽摩擦板材表面材料并将其汇集到焊缝焊接部位，得到角接焊缝。

相比传统的用于角接接头搅拌摩擦焊接工具，本发明的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头为一体式结构，结构简单，可以利用常规的搅拌摩擦焊设备，实现普通板材的角接焊缝的焊接。避免了采用静轴肩搅拌头装配要求高的问题，同时采用本发明的搅拌头待焊板材无需特殊加工，板材直接拼接成角接接头即可进行焊接。使用本发明的搅拌头进行角接接头搅拌摩擦焊接时成本较低，操作简便，应用范围广，例如：在铝合金汽车车身、电动汽车托盘、轨道列车车体、风机壁板等产品上均有很好的应用。本发明的搅拌头可以推广搅拌摩擦焊在角接接头焊接的应用，对促进搅拌摩擦焊的发展以及推广该焊接技术的应用有着重要的意义。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述搅拌头包括连接头（10）、轴肩（13）和搅拌针（14），其中，所述轴肩（13）和所述搅拌针（14）依次设置在所述连接头（10）的下方，所述轴肩（13）为自与所述连接头（10）的连接面向所述搅拌针（14）的方向以其直径逐渐减小的方式设置，在所述轴肩（13）的侧面自与所述连接头（10）的连接面向所述搅拌针（14）的方向设置有螺旋凹槽（131）；所述搅拌针（14）的锥形结构的底面为半球形结构（142）；所述搅拌头为一体式结构；

所述搅拌头用于角接接头搅拌摩擦焊接的方法包括：

将待焊板的焊接边缘预先加工45°坡口，采用定位压紧工装，将待焊板固定在工作台上，待焊板的角平分线方向竖直向上，将搅拌头沿角平分线方向旋转扎入待焊板内部，使搅拌头轴线位于角接焊缝角平分线上，待搅拌针全部进入待焊板并且轴肩与待焊板接触，搅拌头沿焊缝方向旋转行进，轴肩表面的螺旋凹槽摩擦板材表面材料并将其汇集到焊缝焊接部位，得到角接焊缝。

2.根据权利要求1所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述轴肩（13）的锥角为80~100°。

3.根据权利要求2所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述轴肩（13）上的螺旋凹槽（131）自上而下呈阿基米德螺纹线的形式，其中，所述螺旋凹槽（131）的槽深度为0.5~2.0mm，螺距为0.75~2.5mm。

4.根据权利要求1所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述搅拌针（14）与所述轴肩（13）的底面相连接，且所述搅拌针（14）自与所述轴肩（13）相连接面向下呈直径逐渐减小的锥形结构，所述搅拌针（14）的锥角为30~50°。

5.根据权利要求4所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述搅拌针（14）的锥形结构的侧面设置有螺纹结构（141）。

6.根据权利要求1所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述连接头（10）包括夹持部（11）和连接部（12），所述连接部（12）的上部与夹持部（11）一体式连接，所述连接部（12）的下部与所述轴肩（13）一体式相连接。

7.根据权利要求6所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述连接部（12）包括连接端（122）和散热端（121），其中，所述连接端（122）包括与所述轴肩（13）相连接的第一连接区段（1221）和与所述散热端（121）相连接的第二连接区段（1222），其中，

所述第一连接区段（1221）呈与所述轴肩（13）的顶面直径相一致的圆柱型结构，所述第二连接区段（1222）自与所述第一连接区段（1221）的连接面向上以直径逐渐增大的方式设置；所述连接端（122）的侧面呈弧面结构。

8.根据权利要求7所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，在所述散热端（121）上设置有散热环（123），所述散热端（121）的上部与夹持部（11）形成一体式连接。

9.根据权利要求6所述的用于角接接头搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，在所述夹持部（11）上沿其长度方向设置有弧形凹槽（111）。

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