CN110814509B - 一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具及方法，包括：无轴肩搅拌针、压板、随焊块、轴承、被焊件和基板，所述压板用于压紧被焊件于所述基板上，所述压板上开设压板配合体槽，所述压板配合槽内设置梯形压板配合体，所述轴承连接于随焊块上。本发明根据被焊件的厚度和外形的变化，相应设计无轴肩搅拌针及与其相配合的压板，实现无轴肩搅拌针配合体与压板配合体、随焊块配合体的良好配合，且易于清屑；同时实现了无飞边及减薄的搅拌摩擦焊焊接，而且该方法设计简单、安装方便且适用性广。

Description

一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具及方法

技术领域

本发明公开了一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具及方法，涉及搅拌工具技术领域。

背景技术

自搅拌摩擦焊技术于1991年被英国焊接研究所发明以来，因其热输入低、焊接变形小、焊缝微观组织及力学性能良好等诸多优点，己被广泛应用在航空、航天、高速舰船、汽车工业、高速列车等制造领域。

为了克服传统搅拌摩擦焊技术焊接飞边及减薄等局限性，英国焊接研究所在传统FSW基础上将轴肩与搅拌针分离，开发出静止轴肩搅拌摩擦焊技术。现有《一种焊后材料表面无减薄的新型搅拌摩擦焊焊具》（CN201610524886.9），提出了一种用于平板对接的静止轴肩搅拌摩擦焊焊接装置，解决了搅拌摩擦焊焊后减薄的问题，但因结构复杂，装配要求严格，无轴肩搅拌针与静止轴肩易于咬合，难以实现工程化应用；现有国外专利（US7404510B2、US 7416102B1）涉及了一种无轴肩搅拌摩擦焊工具，虽然实现了不等厚板焊接，但未能解决焊接飞边及减薄的问题，同时易出现焊接缺陷；现有《能减小飞边的无轴肩搅拌摩擦焊的搅拌头》（CN201310046262.7），虽然通过改进无轴肩搅拌针表面形状及结构减小了焊接飞边，但仍不能根本性解决搅拌摩擦焊焊接飞边的问题，同时不能解决焊接减薄的难题。

因此，为解决现有技术中搅拌摩擦焊焊接飞边及减薄的技术难题，现提出一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，提高焊缝质量。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，包括：无轴肩搅拌针、压板、随焊块、轴承、被焊件和基板，所述压板用于压紧被焊件于所述基板上，所述压板上开设压板配合体槽，所述压板配合槽内设置梯形压板配合体，所述轴承连接于随焊块上，

焊接时，所述压板配合体槽中心线对准被焊件之间的焊缝，所述随焊块配合放置于压板配合体上，所述无轴肩搅拌针通过轴承穿过随焊块和压板配合体槽对准焊缝，带动随焊块沿压板配合体上移动，完成焊接。

进一步的，所述的无轴肩搅拌针包括夹持端、止档台、无轴肩搅拌针配合体以及针头；所述针头设置在搅拌针配合体的前端，所述无轴肩搅拌针配合体表面呈阶梯形，用以配合压板配合体。

进一步的，所述的随焊块包括随焊块配合体，所述随焊块配合体内部设置轴承孔，所述随焊块配合体侧面设置螺纹孔一，轴承孔用于安装轴承；随焊块配合体内侧为阶梯型限位台，用于分别配合无轴肩搅拌针配合体；随焊块配合体外侧为阶梯型限位台，用于配合压板配合体；随焊块通过螺纹孔一和紧固螺钉固定轴承。

进一步的，所述无轴肩搅拌针配合体包括无轴肩搅拌针配合体下配合面、无轴肩搅拌针配合体中配合面以及无轴肩搅拌针配合体上配合面，所述无轴肩搅拌针配合体下配合面与夹持端在同一个圆柱面上，所述无轴肩搅拌针配合体中配合面与无轴肩搅拌针配合体下配合面垂直，所述无轴肩搅拌针配合体上配合面为无轴肩搅拌针配合体中配合面和针头之间的过渡面。

进一步的，所述针头为锥形，针头长度小于被焊件厚度0.2~0.5mm。

进一步的，所述压板配合体与无轴肩搅拌针配合体下配合面、无轴肩搅拌针配合体中配合面、无轴肩搅拌针配合体上配合面之间为间隙配合，配合间隙分别为0.01mm~0.06mm、0.10mm~0.20mm、0.01mm~0.06mm；

所述随焊块配合体与无轴肩搅拌针配合体下配合面、无轴肩搅拌针配合体中配合面、无轴肩搅拌针配合体上配合面之间为间隙配合，配合间隙分别为0.01mm~0.06mm、0.10mm~0.20mm、0.01mm~0.06mm。

常规搅拌摩擦焊轴肩旋转且存在一定下压量，搅拌摩擦焊焊接焊接时会存在飞边及减薄；同时，静轴肩搅拌摩擦焊由于焊接过程中轴肩与针一起下压，焊接过程难以避免静轴肩压入被焊材料而导致焊后减薄，而本发明通过无轴肩搅拌针配合体与压板配合体、随焊块配合体通过阶梯形外形实现良好配合，压板及随焊块均不会压入被焊材料，防止被焊件材料挤入压板、随焊块与无轴肩搅拌针之间，甚至挤出压板，进而根本性解决焊后飞边及减薄的问题。

进一步的，所述随焊块配合体内侧阶梯型限位台与无轴肩搅拌针配合体前端形状相适配；所述的无轴肩搅拌针配合体与压板配合体阶梯形可以为竖直线形、斜线形、折线形、曲线形，只需实现无轴肩搅拌针配合体与压板配合体的良好配合。

进一步的，所述压板和基板之间采用螺栓连接。

进一步的，所述压板和基板的形状与被焊件形状相适配，如直线形、斜线形、曲线形。

一种焊接方法，通过所述的无轴肩搅拌摩擦焊工具完成搅拌摩擦焊的焊接方法，具体方法包括：

将被焊件对接后放于基板上；

将压板放置于被焊件上，并保证压板配合体中心线与焊缝对齐，借助螺栓将压板固定于基板上；

将轴承安装于无轴肩搅拌针止档台位置，然后将随焊块通过轴承孔安装于轴承上，实现随焊块与轴承紧配，无轴肩搅拌针通过夹持端安装在搅拌摩擦焊机床；

焊接时，使无轴肩搅拌针针头中心对准焊缝中心，将随焊块配合体嵌入压板配合体槽中，将无轴肩搅拌针扎入被焊件直至针头全部进入，无轴肩搅拌针配合体与压板配合体、随焊块配合体通过阶梯形外形实现良好配合，开始焊接。

有益效果：本发明根据被焊件的厚度和外形的变化，相应设计无轴肩搅拌针及与其相配合的压板，实现无轴肩搅拌针配合体与压板配合体、随焊块配合体的良好配合，且易于清屑；同时实现了无飞边及减薄的搅拌摩擦焊焊接，而且该方法设计简单、安装方便且适用性广。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的结构剖视示意图；

图3为搅拌针结构示意图；

图4为随焊快结构示意图；

图5为另一种实施例图；

图6为第三种实施例图；

1-无轴肩搅拌针，11-夹持端，12-止档台，13-无轴肩搅拌针配合体，131-无轴肩搅拌针配合体下配合面，132-无轴肩搅拌针配合体中配合面，133-无轴肩搅拌针配合体上配合面，14-针头，2-压板，21-压板配合体，22-压板配合体槽，23-螺栓孔，3-随焊块，31-轴承孔，32-随焊块配合体，33-螺纹孔一，4-轴承，5-被焊件，6-基板，61-螺纹孔二，7-螺栓，8-紧固螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1~2所述的一种实施例，一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，包括：无轴肩搅拌针1、压板2、随焊块3、轴承4、被焊件5和基板6，所述压板2用于压紧被焊件5于所述基板6上，所述压板2上开设压板配合体槽22，所述压板配合槽22内设置梯形压板配合体21，所述轴承4连接于随焊块3；

焊接时，所述压板配合体槽22中心线对准被焊件5之间的焊缝，所述随焊块3配合放置于压板配合体21上，所述无轴肩搅拌针1通过轴承4穿过随焊块3和压板配合体槽22对准焊缝，带动随焊块3沿压板配合体21上移动，完成焊接。

如图3所示，所述的无轴肩搅拌针1包括夹持端11、止档台12、无轴肩搅拌针配合体13以及针头14；所述针头14设置在搅拌针配合体13的前端，所述无轴肩搅拌针配合体13表面呈阶梯形，用以配合压板配合体21。

如图4所示，所述的随焊块3包括随焊块配合体32，所述随焊块配合体32内部设置轴承孔31，所述随焊块配合体32侧面设置螺纹孔一33，轴承孔31用于安装轴承4；随焊块配合体32内侧为阶梯型限位台，用于分别配合无轴肩搅拌针配合体13；随焊块配合体32外侧为阶梯型限位台，用于配合压板配合体21；随焊块3通过螺纹孔一33和紧固螺钉8固定轴承4；

所述无轴肩搅拌针配合体13包括无轴肩搅拌针配合体下配合面131、无轴肩搅拌针配合体中配合面132以及无轴肩搅拌针配合体上配合面133，所述无轴肩搅拌针配合体下配合面131与夹持端11在同一个圆柱面上，所述无轴肩搅拌针配合体中配合面132与无轴肩搅拌针配合体下配合面131垂直，所述无轴肩搅拌针配合体上配合面133设置在无轴肩搅拌针配合体中配合面132与针头锥形面之间。

所述针头14为锥形，针头14长度小于被焊件5厚度0.2~0.5mm，针头14长度根据被焊件板厚可灵活适配。

所述压板配合体21与无轴肩搅拌针配合体下配合面131、无轴肩搅拌针配合体中配合面132、无轴肩搅拌针配合体上配合面133之间为间隙配合，配合间隙分别为0.01mm~0.06mm、0.10mm~0.20mm、0.01mm~0.06mm；

所述随焊块配合体32与无轴肩搅拌针配合体下配合面131、无轴肩搅拌针配合体中配合面132、无轴肩搅拌针配合体上配合面133之间为间隙配合，配合间隙分别为0.01mm~0.06mm、0.10mm~0.20mm、0.01mm~0.06mm。

所述压板2和基板6之间采用螺栓连接，所述基板上设置螺纹孔二23，所述压板上设置螺栓孔62。

如图5所示，本发明提供的另一种实施例：与上述实施例的区别在于：随焊块内部梯形限位台的前端为斜面，配合无轴肩搅拌针配合体上配合面为斜面时的使用。

如图6所示，本发明提供的另一种实施例：与上述实施例的区别在于：被焊件包括高平面、低平面以及中间连续的过渡曲面，根据被焊件外形，本实施例的基板可设置垫台，本实施例的压板同样设置高平面、低平面和过渡曲面，用以相适配被焊件，完成摩擦焊。

本发明采用的一种焊接方法，通过上述的无轴肩搅拌摩擦焊工具完成搅拌摩擦焊方法具体包括：将被焊件对接后放于基板上；

将压板放置于被焊件上，并保证压板配合体中心线与焊缝对齐，借助螺栓将压板固定于基板上；

将轴承安装于无轴肩搅拌针止档台位置，然后将随焊块通过轴承孔安装于轴承上，实现随焊块与轴承紧配，无轴肩搅拌针通过夹持端安装在搅拌摩擦焊机床；

焊接时，使无轴肩搅拌针针头中心对准焊缝中心，将随焊块配合体嵌入压板配合体槽中，将无轴肩搅拌针扎入被焊件直至针头全部进入，无轴肩搅拌针配合体与压板配合体、随焊块配合体通过阶梯形外形实现良好配合，开始焊接。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征在于，包括：无轴肩搅拌针（1）、压板（2）、随焊块（3）、轴承（4）、被焊件（5）和基板（6），所述压板（2）用于压紧被焊件（5）于所述基板（6）上，所述压板（2）上开设压板配合体槽（22），所述压板配合体槽（22）内设置梯形压板配合体（21），所述轴承（4）连接于随焊块（3）上，焊接时，所述压板配合体槽（22）中心线对准被焊件（5）之间的焊缝，所述随焊块（3）配合放置于压板配合体（21）上，所述无轴肩搅拌针（1）通过轴承（4）穿过随焊块（3）和压板配合体槽（22）对准焊缝，带动随焊块（3）沿压板配合体（21）上移动，完成焊接，所述的无轴肩搅拌针（1）包括夹持端（11）、止档台（12）、无轴肩搅拌针配合体（13）以及针头（14）；所述针头（14）设置在搅拌针配合体（13）的前端，所述无轴肩搅拌针配合体（13）表面呈阶梯形，用以配合压板配合体（21），所述的随焊块（3）包括随焊块配合体（32），所述随焊块配合体（32）内部设置轴承孔（31），所述随焊块配合体（32）侧面设置螺纹孔一（33），轴承孔（31）用于安装轴承（4）；随焊块配合体（32）内侧为阶梯型限位台，用于分别配合无轴肩搅拌针配合体（13）；随焊块配合体（32）外侧为阶梯型限位台，用于配合压板配合体（21）；随焊块（3）通过螺纹孔一（33）和紧固螺钉（8）固定轴承（4），所述无轴肩搅拌针配合体（13）包括无轴肩搅拌针配合体下配合面（131）、无轴肩搅拌针配合体中配合面（132）以及无轴肩搅拌针配合体上配合面（133），所述无轴肩搅拌针配合体下配合面（131）与夹持端（11）在同一个圆柱面上，所述无轴肩搅拌针配合体中配合面（132）与无轴肩搅拌针配合体下配合面（131）垂直，所述无轴肩搅拌针配合体上配合面（133）为设置在无轴肩搅拌针配合体中配合面（132）与针头（14）所在面之间的过渡面。

2.根据权利要求1所述的一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征在于，所述针头（14）为锥形，针头（14）长度小于被焊件（5）厚度0.2~0.5mm。

3.根据权利要求1所述的一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征在于，所述压板配合体（21）与无轴肩搅拌针配合体下配合面（131）、无轴肩搅拌针配合体中配合面（132）、无轴肩搅拌针配合体上配合面（133）之间为间隙配合，配合间隙分别为0.01mm~0.06mm、0.10mm~0.20mm、0.01mm~0.06mm；

所述随焊块配合体（32）与无轴肩搅拌针配合体下配合面（131）、无轴肩搅拌针配合体中配合面（132）、无轴肩搅拌针配合体上配合面（133）之间为间隙配合，配合间隙分别为0.01mm~0.06mm、0.10mm~0.20mm、0.01mm~0.06mm。

4.根据权利要求1所述的一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征在于，所述压板（2）和基板（6）之间采用螺栓连接。

5.根据权利要求1所述的一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征在于，所述压板（2）和基板（6）的形状与被焊件（5）形状相适配。

6.根据权利要求1所述的一种无飞边及减薄的无轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征在于，所述随焊块配合体（32）内侧阶梯型限位台与无轴肩搅拌针配合体（13）前端形状相适配。

7.一种焊接方法，其特征在于，应用权利要求1-6任一项所述的无轴肩搅拌摩擦焊工具完成搅拌摩擦焊。