CN111531268A - 一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头 - Google Patents

Abstract

本发明为一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，包括刀柄以及刀头，由刀柄的底面形成轴向向上的第一安装孔，刀柄的底面构成第一下轴肩。刀头包括上刀头和下刀头，上刀头的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的上搅拌针，上搅拌针能伸缩地插设固定在第一安装孔内，上刀头的顶面构成上轴肩。由上刀头的底面形成轴向向上的第二安装孔，上刀头的底面构成第二下轴肩。本发明单次既可以焊接单层厚度的母材，又可以焊接双层厚度的母材；并能够根据母材的厚度不同来调整对应轴肩之间的距离，还可以根据需要调整对应的搅拌针的长度，来适应不同母材的厚度，保证了焊接质量，避免了多次更换搅拌头，操作更加简便，提高了工作效率。

Description

一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头

技术领域

本发明是关于搅拌摩擦焊技术领域，尤其涉及一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊在铝合金及镁合金上的应用越来越广泛，现有的搅拌摩擦焊技术可以实现铝合金的焊接厚度范围从lmm到75mm。在焊接过程中，高速旋转的搅拌针伸入工件的对接缝隙中，旋转的搅拌头及搅拌头的轴肩与工件摩擦从而产生热量，使得搅拌头前面的材料发生强烈塑性变形，随着高速旋转的搅拌头的移动，高度塑性变形的材料逐渐沉积在搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊焊缝。搅拌摩擦焊对设备(包括搅拌头、工件以及用于固定夹持工件的夹具)的要求并不高，最基本的要求是搅拌头的旋转运动和工件的相对运动。但是搅拌摩擦焊的设备的刚性对焊缝的质量起到至关重要的作用，一般要求搅拌头的刚性要大于工件的刚性，搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材质制成，这样能够在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小；同时要求夹具的刚性大于工件的刚性，保证搅拌头旋转过程中工件被夹具有效固定；且搅拌头的搅拌针长度小于工件的厚度，避免搅拌针在高速旋转过程中损伤夹具。

其中，搅拌头决定搅拌摩擦焊的成败，搅拌头形状的合理设计是获得良好机械性能焊缝的关键，结构设计合理的搅拌头可以得到更加可靠的搅拌摩擦焊的焊缝。搅拌头的成功设计使得搅拌摩擦焊应用在更大的范围，一般来说，搅拌头包括两部分：搅拌针和轴肩。现有搅拌摩擦焊搅拌头主要包括两种：单轴肩单搅拌针的搅拌头以及双轴肩单搅拌针的搅拌头，然而，这两种搅拌头存在如下缺点：

(1)单轴肩单搅拌针的搅拌头单次仅可以焊接单层厚度的母材(即工件)，双轴肩单搅拌针的搅拌头单次同样仅可以焊接单层厚度的母材，两者单次均无法焊接双层及多层厚度的母材。需要焊接双层厚度的母材时，只能先对其中一层厚度的母材进行焊接，然后再对另一层厚度的母材进行焊接。但是，这样不仅工作效率较低；而且先对其中一层厚度的母材进行焊接时另一层厚度的母材也会受到同程度的变形，再对另一层厚度的母材进行焊接时成型效果较差；此外，焊接双层厚度的母材时，还需要求双层的厚度相同，若不相同，在对另一层厚度的母材进行焊接时，还需要更换另一规格尺寸的搅拌头，操作较为繁琐，影响工作效率。

(2)上述两种搅拌头在使用中的主要区别在于焊接母材的厚度上有差异，双轴肩的搅拌头对焊接母材的厚度有一定的要求，需要母材的厚度刚好等于双轴肩之间的距离，若不匹配，则需要更换其他规格尺寸的搅拌头；而且当母材较薄时双轴肩的挤压将会导致母材变形进而导致焊缝的质量变差，但无法根据母材的厚度适应性调整搅拌针的长度；

对于单轴肩单搅拌针的搅拌头来说，只有一个轴肩，在焊接相对较厚的母材时，焊接质量较差；同时针对不同的母材厚度，无法适应性调整搅拌针的长度，只能更换不同规格尺寸的搅拌头，操作复杂。

由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，单次既可以焊接单层厚度的母材，又可以焊接双层厚度的母材；并能够根据母材的厚度不同来调整对应轴肩之间的距离，还可以根据需要调整对应的搅拌针的长度，来适应不同母材的厚度，保证了焊接质量，避免了多次更换搅拌头，操作更加简便，提高了工作效率。

本发明的目的是这样实现的，一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，包括竖直设置的刀柄以及刀头；

刀柄的底面朝向刀头，且由刀柄的底面形成轴向向上的第一安装孔，刀柄的底面构成第一下轴肩；刀头包括上刀头和下刀头，上刀头的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的上搅拌针，上搅拌针能伸缩地插设固定在第一安装孔内，上刀头的顶面构成上轴肩；上刀头的底面朝向下刀头，且由上刀头的底面形成轴向向上的第二安装孔，上刀头的底面构成第二下轴肩；

下刀头的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的阶梯轴，下刀头的底面向下轴向延伸形成一直径缩小的第一下搅拌针，阶梯轴能伸缩地插设固定在第二安装孔内，下刀头的底面构成第三下轴肩；或者

下刀头为第二下搅拌针，且第二下搅拌针能伸缩地插设固定在第二安装孔内。

在本发明的一较佳实施方式中，第一安装孔为圆形孔，第一安装孔的孔壁设有内螺纹，在刀柄的底面沿第一安装孔的周向均匀间隔形成轴向向上的至少两个第一插接槽，且第一插接槽与第一安装孔相连通；每个第一插接槽内插设一第一顶块，各第一顶块的内壁均为弧面，并在每个第一顶块的内壁设有内螺纹，各第一顶块的内壁构成第一安装孔孔壁的一部分，上搅拌针与第一安装孔的孔壁螺纹连接；每个第一顶块通过一第一紧固件紧固在上搅拌针的外壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，第一紧固件为第一紧定螺钉，在刀柄的侧壁周向开设有至少两个第一径向孔，第一径向孔的数量与第一插接槽的数量相同，每个第一紧定螺钉径向插设在对应的第一径向孔内并与第一径向孔的孔壁螺纹固定，每个第一紧定螺钉的内侧端能够抵靠在对应的第一顶块的外壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，第二安装孔为圆形孔，第二安装孔的孔壁设有内螺纹，在上刀头的底面沿第二安装孔的周向均匀间隔形成轴向向上的至少两个第二插接槽，且第二插接槽与第二安装孔相连通；每个第二插接槽内插设一第二顶块，各第二顶块的内壁均为弧面，并在每个第二顶块的内壁设有内螺纹，各第二顶块的内壁构成第二安装孔孔壁的一部分，阶梯轴或者第二下搅拌针与第二安装孔的孔壁螺纹连接；每个第二顶块通过一第二紧固件紧固在阶梯轴或者第二下搅拌针的外壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，第二紧固件为第二紧定螺钉，在上刀头的侧壁周向开设有至少两个第二径向孔，第二径向孔的数量与第二插接槽的数量相同，每个第二紧定螺钉径向插设在对应的第二径向孔内并与第二径向孔的孔壁螺纹固定，每个第二紧定螺钉的内侧端能够抵靠在对应的第二顶块的外壁上。

在本发明的一较佳实施方式中，刀柄、上刀头和下刀头均为圆柱体结构。

在本发明的一较佳实施方式中，第一下搅拌针的下端外壁或者第二下搅拌针的下端外壁为向下渐缩的锥面。

在本发明的一较佳实施方式中，第一下搅拌针的下端锥面或者第二下搅拌针的下端锥面与竖直面的夹角为25～30°。

在本发明的一较佳实施方式中，刀柄的下端外壁为向下渐缩的锥面。

在本发明的一较佳实施方式中，第一下轴肩的直径为上搅拌针直径的3.5～4.5倍，刀柄的直径为上搅拌针直径的5～6倍。

由上所述，本发明中的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，具有两个搅拌针，分别为上搅拌针以及第一下搅拌针或者第二下搅拌针，下刀头可以有两种结构，第一种结构具有第一下搅拌针和第三下轴肩，可以用于焊接双层厚度的母材；第二种结构为一第二下搅拌针，可以用于焊接单层厚度的母材，因此本发明中的搅拌头通过更换不同结构的下刀头，单次既可以焊接单层厚度的母材，也可焊接双层厚度的母材，使用更加灵活。

同时，本发明中的搅拌头具有多个轴肩，包括上轴肩、第一下轴肩、第二下轴肩和第三下轴肩，且通过伸缩上搅拌针可以调整第一下轴肩与上轴肩之间的距离；下刀头采用第一种结构时可以通过伸缩阶梯轴来调整上轴肩与第三下轴肩之间的距离，下刀头采用第二种结构时可以通过伸缩第二下搅拌针来调整第二下搅拌针伸出上刀头的长度，进而适应不同母材的厚度和尺寸，针对不同厚度的母材，并不需要多次更换搅拌头，只需通过伸缩调整便可以满足焊接要求，操作更加灵活简便，不仅提高了工作效率，还提高了焊接质量和成型效果。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

其中：

图1：为本发明提供的刀头采用第一种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头的结构示意图一。

图2：为本发明提供的刀头采用第一种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头的结构爆炸图。

图3：为本发明提供的刀柄的结构示意图。

图4：为本发明提供的刀柄的仰视图。

图5：为本发明提供的刀柄的侧视图。

图6：为本发明提供的上刀头的结构示意图。

图7：为本发明提供的上刀头的俯视图。

图8：为本发明提供的上刀头的侧视图。

图9：为本发明提供的刀头采用第一种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头的结构示意图二。

图10：为本发明提供的刀头采用第二种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头的结构示意图。

图11：为本发明提供的刀头采用第一种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头与空腔型材配合的结构示意图。

图12：为本发明提供的刀头采用第一种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头与空腔型材配合的另一结构示意图。

图13：为本发明提供的刀头采用第二种结构时多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头与单层厚度的母材配合的结构示意图。

附图标号说明：

1、刀柄；11、第一安装孔；12、第一下轴肩；13、第一插接槽；14、第一径向孔；15、第一顶块；16、第一紧定螺钉；

2、刀头；

21、上刀头；211、上搅拌针；212、上轴肩；213、第二安装孔；214、第二下轴肩；215、第二插接槽；216、第二径向孔；217、第二顶块；218、第二紧定螺钉；

22、下刀头；221、阶梯轴；222、第一下搅拌针；223、第三下轴肩；224、第二下搅拌针；

3、空腔型材；

4、单层厚度的母材。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

如图1至图10所示，本实施例提供一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，包括竖直设置的刀柄1以及刀头2。刀柄1的底面朝向刀头2，且由刀柄1的底面形成轴向向上的第一安装孔11，刀柄1的底面构成第一下轴肩12。刀头2包括上刀头21和下刀头22，上刀头21的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的上搅拌针211，上搅拌针211能伸缩地插设固定在第一安装孔11内，上刀头21的顶面构成上轴肩212。上刀头21的底面朝向下刀头22，且由上刀头21的底面形成轴向向上的第二安装孔213，上刀头21的底面构成第二下轴肩214。

下刀头22的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的阶梯轴221，下刀头22的底面向下轴向延伸形成一直径缩小的第一下搅拌针222，阶梯轴221能伸缩地插设固定在第二安装孔213内，下刀头22的底面构成第三下轴肩223；或者

下刀头22为第二下搅拌针224，且第二下搅拌针224能伸缩地插设固定在第二安装孔213内。

其中，本实施例中的下刀头22可以有两种结构，第一种结构如图1和图2所示，具有第一下搅拌针222和第三下轴肩223，主要用于焊接双层厚度的母材，如空腔型材3；第二种结构如图10所示，整个下刀头22为一第二下搅拌针224，主要用于焊接单层厚度的母材4。在使用时可以根据需要对这两种结构的下刀头22进行更换，以满足不同的使用要求。另外，在工作时上述的刀柄1连接一驱动装置，以带动刀柄1高速旋转。

具体来说，需要焊接空腔型材3，即双层厚度的母材时，下刀头22采用上述的第一种结构，如图1、图9、图11和图12所示，此种情况下根据空腔型材3中上下内侧面之间的距离L9来合理调整搅拌头的尺寸，主要有如下几种情况：

第一种情况：当空腔型材3中上下内侧面之间的距离L9＝长度L3+长度L4时，如图11所示，上轴肩212和第三下轴肩223分别与空腔型材3的上下内侧面接触。此时根据空腔型材3上层的厚度不同，第一下轴肩12可能与空腔型材3的上表面接触，也可能不接触，一般为保证焊接质量，空腔型材3上层的厚度较薄时，空腔型材3上层中只需有一个表面与对应的轴肩接触即可；空腔型材3上层的厚度较厚时，则需要空腔型材3上层的上下表面均与对应的轴肩接触，因此，根据空腔型材3上层的具体厚度，可以通过伸缩上搅拌针211来调整第一下轴肩12是否与空腔型材3的上表面接触。

调整完毕后，在焊接时，高速旋转的刀柄1将带动第一下轴肩12、上搅拌针211、上轴肩212、第三下轴肩223以及第一下搅拌针222一起转动，上搅拌针211和第一下搅拌针222分别伸入到空腔型材3的上层对接缝隙和下层对接缝隙中。若第一下轴肩12与空腔型材3的上表面接触，旋转的上搅拌针211、第一下搅拌针222、第一下轴肩12、上轴肩212和第三下轴肩223共有两个搅拌针和三个轴肩与空腔型材3摩擦产生热量；若第一下轴肩12与空腔型材3的上表面不接触，旋转的上搅拌针211、第一下搅拌针222、上轴肩212和第三下轴肩223共有两个搅拌针和两个轴肩与空腔型材3摩擦产生热量。使得搅拌头前面的材料发生强烈的塑性变形，随着高速旋转的搅拌头的移动，高速塑性变形的空腔型材3材料逐渐冷却沉积在搅拌头的背后，从而通过单次焊接可以一次性形成上下双条搅拌摩擦焊焊缝，提高了焊接的效率和成型效果。

第二种情况：当空腔型材3中上下内侧面之间的距离L9＞长度L3+长度L4时，如图12所示，第一下轴肩12和第三下轴肩223分别与空腔型材3的上表面和下内侧面接触(若第一下轴肩12未与空腔型材3的上表面接触，可以通过伸缩上搅拌针211来调整使其接触)，上轴肩212与空腔型材3的上内侧面不接触。

在焊接时，高速旋转的刀柄1将带动第一下轴肩12、上搅拌针211、上轴肩212、第三下轴肩223以及第一下搅拌针222一起转动，上搅拌针211和第一下搅拌针222分别伸入到空腔型材3的上层对接缝隙和下层对接缝隙中。旋转的上搅拌针211、第一下搅拌针222、第一下轴肩12和第三下轴肩223共有两个搅拌针和两个轴肩与空腔型材3摩擦产生热量，使得搅拌头前面的材料发生强烈的塑性变形，随着高速旋转的搅拌头的移动，高速塑性变形的空腔型材3材料逐渐冷却沉积在搅拌头的背后，从而通过单次焊接可以一次性形成上下双条搅拌摩擦焊焊缝，提高了焊接的效率和成型效果。

另外，本实施例中的搅拌头对空腔型材3上层和下层的板厚并无特别要求，两者的厚度可以相同也可以不同，通过调整上搅拌针211伸出刀柄1的长度L5以及第一下搅拌针222加工时的长度L2便可以满足需求，均可以达到单次焊接实现一次性形成上下双条搅拌摩擦焊焊缝的目的，保证了成型效果。

需要焊接单层厚度的母材4时，下刀头22采用上述的第二种结构，如图10所示，此种情况下，由于上搅拌针211本身相对较细，为了避免上搅拌针211损坏，使用时一般需要先将上搅拌针211完全缩回至第一安装孔11内，使得第一下轴肩12与上轴肩212完全贴合，以对上搅拌针211起到保护作用。同时根据母材的厚度不同，可以通过伸缩第二下搅拌针224来调整第二下搅拌针224伸出上刀头21的长度L8，以满足不同厚度母材的焊接需要。

在焊接时，如图13所示，第二下轴肩214与单层厚度的母材4接触，高速旋转的刀柄1将带动整个刀头2一起转动，第二下搅拌针224伸入到单层厚度的母材4的对接缝隙中。旋转的第二下搅拌针224以及第二下轴肩214与单层厚度的母材4摩擦产生热量，使得搅拌头前面的材料发生强烈的塑性变形，随着高速旋转的搅拌头的移动，高度塑性变形的母材材料逐渐冷却沉积在搅拌头的背后，从而通过形成单条搅拌摩擦焊焊缝。

当然，下刀头22采用第一种结构时也可以用来焊接单层厚度的母材4，此时先将上搅拌针211完全缩回至第一安装孔11内。焊接时第三下轴肩223与单层厚度的母材4接触，第一下搅拌针222伸入到单层厚度的母材4的对接缝隙中，来实现摩擦焊接。但此种情况由于第一下搅拌针222的长度L2为固定值，无法进行调整，因此只能适用于一定厚度的母材，适用范围较小。

由此，本实施例中的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，具有两个搅拌针，分别为上搅拌针211以及第一下搅拌针222或者第二下搅拌针224，下刀头22可以有两种结构，第一种结构具有第一下搅拌针222和第三下轴肩223，可以用于焊接双层厚度的母材；第二种结构为一第二下搅拌针224，可以用于焊接单层厚度的母材4，因此本实施例中的搅拌头通过更换不同结构的下刀头22，单次既可以焊接单层厚度的母材4，也可焊接双层厚度的母材，使用更加灵活。

同时，本实施例中的搅拌头具有多个轴肩，包括上轴肩212、第一下轴肩12、第二下轴肩214和第三下轴肩223，且通过伸缩上搅拌针211可以调整第一下轴肩12与上轴肩212之间的距离；下刀头22采用第一种结构时可以通过伸缩阶梯轴221来调整上轴肩212与第三下轴肩223之间的距离，下刀头22采用第二种结构时可以通过伸缩第二下搅拌针224来调整第二下搅拌针224伸出上刀头21的长度L8，进而适应不同母材的厚度和尺寸，针对不同厚度的母材，并不需要多次更换搅拌头，只需通过伸缩调整便可以满足焊接要求，操作更加灵活简便，不仅提高了工作效率，还提高了焊接质量和成型效果。

在具体实现方式中，为了便于实现上搅拌针211的伸缩和固定，如图1至图5所示，第一安装孔11为圆形孔，第一安装孔11的孔壁设有内螺纹，在刀柄1的底面沿第一安装孔11的周向均匀间隔形成轴向向上的至少两个第一插接槽13，且第一插接槽13与第一安装孔11相连通。每个第一插接槽13内插设一第一顶块15，各第一顶块15的内壁均为弧面，并在每个第一顶块15的内壁设有内螺纹，各第一顶块15的内壁构成第一安装孔11孔壁的一部分，上搅拌针211与第一安装孔11的孔壁螺纹连接。每个第一顶块15通过一第一紧固件紧固在上搅拌针211的外壁上。

详细来说，第一紧固件为第一紧定螺钉16，在刀柄1的侧壁周向开设有至少两个第一径向孔14，第一径向孔14的数量与第一插接槽13的数量相同，每个第一紧定螺钉16径向插设在对应的第一径向孔14内并与第一径向孔14的孔壁螺纹固定，每个第一紧定螺钉16的内侧端能够抵靠在对应的第一顶块15的外壁上。

其中，上述的第一安装孔11优选采用盲孔，当然，也可以根据需要采用通孔，本实施例仅为举例说明。另外，为了使得第一顶块15自身不能旋转，以保证上搅拌针211被有效固定，第一顶块15优选采用方形块。对于第一顶块15的数量根据需要而定，例如本实施例中共设有两个第一顶块15。各第一顶块15和各第一紧定螺钉16均周向均匀布置，也能够保证工作时的动平衡，避免上搅拌针211的损坏，延长其使用寿命。

在安装时，先将各第一顶块15镶嵌在对应的第一插接槽13中，然后将上搅拌针211通过螺纹结构旋拧到第一安装孔11中，此时不要拧紧，以便于上搅拌针211可以实现伸缩来调节其伸出刀柄1的长度L5。之后将各第一紧定螺钉16沿径向旋拧到对应的第一径向孔14中，此时第一紧定螺钉16带动对应的第一顶块15沿径向运动，使得各第一顶块15紧固在上搅拌针211的外壁上。进而通过各第一顶块15的夹紧作用实现对上搅拌针211的有效固定，避免在刀柄1高速旋转的过程中出现上刀头21空转的情况。

这样，在使用时，需要伸缩上搅拌针211调整其伸出的长度L5时，先松开各第一紧定螺钉16，然后可以调整上搅拌针211旋拧到第一安装孔11的旋拧程度来调节至合适的伸缩位置，然后再紧固各第一紧定螺钉16便可以实现上搅拌针211的再次固定。整个上搅拌针211的伸缩和固定操作简单方便。

进一步地，为了便于实现下刀头22的伸缩和固定，如图1、图2、图6、图7、图8和图10所示，第二安装孔213为圆形孔，第二安装孔213的孔壁设有内螺纹，在上刀头21的底面沿第二安装孔213的周向均匀间隔形成轴向向上的至少两个第二插接槽215，且第二插接槽215与第二安装孔213相连通。每个第二插接槽215内插设一第二顶块217，各第二顶块217的内壁均为弧面，并在每个第二顶块217的内壁设有内螺纹，各第二顶块217的内壁构成第二安装孔213孔壁的一部分，阶梯轴221或者第二下搅拌针224与第二安装孔213的孔壁螺纹连接。每个第二顶块217通过一第二紧固件紧固在阶梯轴221或者第二下搅拌针224的外壁上。

详细来说，第二紧固件为第二紧定螺钉218，在上刀头21的侧壁周向开设有至少两个第二径向孔216，第二径向孔216的数量与第二插接槽215的数量相同，每个第二紧定螺钉218径向插设在对应的第二径向孔216内并与第二径向孔216的孔壁螺纹固定，每个第二紧定螺钉218的内侧端能够抵靠在对应的第二顶块217的外壁上。

其中，为了便于安装，上述的第一紧定螺钉16和第二紧定螺钉218一般均采用一字扣紧定螺钉，当然，也可以根据需要采用其他的类型，本实施例仅为举例说明。上述的第二安装孔213优选采用盲孔，当然，也可以根据需要采用通孔。另外，为了使得第二顶块217自身不能旋转，以保证阶梯轴221或者第二下搅拌针224被有效固定，第二顶块217优选采用方形块。对于第二顶块217的数量根据需要而定，例如本实施例中共设有两个第二顶块217。实现整个下刀头22的伸缩和固定的安装过程与实现上搅拌针211的伸缩和固定的安装过程相似，在此不再赘述。通过各第二顶块217的夹紧作用实现对下刀头22的有效固定，避免在刀柄1高速旋转的过程中出现阶梯轴221或者第二下搅拌针224空转的情况。需要将下刀头22更换为第一种结构或者第二种结构时，先松开第二紧定螺钉218，将下刀头22的结构进行更换后，再紧固第二紧定螺钉218即可，简单方便。

当然，实现上搅拌针211和下刀头22的伸缩和固定的方式也可以根据需要采用其他结构，本实施例仅为举例说明。

在实际应用中，为了减少对母材的损坏，上述的刀柄1、上刀头21和下刀头22均为圆柱体结构。

为了更利于第一下搅拌针222或者第二下搅拌针224伸入母材的对接焊缝中，如图1和图10所示，第一下搅拌针222的下端外壁或者第二下搅拌针224的下端外壁为向下渐缩的锥面。优选地，第一下搅拌针222的下端锥面或者第二下搅拌针224的下端锥面与竖直面的夹角为25～30°。

一般为了更方便焊接，第一下轴肩12的直径D3要小于刀柄1的直径D4，因此，如图1至图3所示，刀柄1的下端外壁为向下渐缩的锥面。

对于整个搅拌头各部件的尺寸根据实际情况进行设计，同时上搅拌针211、阶梯轴221和第二下搅拌针224的伸缩程度根据实际母材的厚度和尺寸来适应性调整，一般为了保证焊接质量，如图9所示，各尺寸的设计或者调整依据如下：

对于第一下搅拌针222的下端锥面或者第二下搅拌针224的下端锥面对应的竖直方向的长度L1，其对应的锥面长度起到引导搅拌头深入母材的对接缝隙，为了起到更好地引导作用，在设计时长度L1为母材中所需要被焊接位置板厚的0.2～0.3倍。

当下刀头22采用第一种结构时，对于第一下搅拌针222的长度L2，在设计时长度L2略小于被焊接母材的厚度，又不宜小于被焊接的母材太多，长度L2为母材中所需要焊接位置板材厚度的0.8～0.9倍时的焊缝成型效果较好，L2的长度若小于被焊接母材太多易导致焊接裂纹。当下刀头22采用第二种结构时，如图10所示，第二下搅拌针224伸出上刀头21的长度L8为母材中所需要焊接位置板材厚度的0.8～0.9倍，具体长度L8的大小可以通过伸缩调整第二下搅拌针224来实现。

当下刀头22采用第一种结构时，对于下刀头22中部的长度(即阶梯轴221和第一下搅拌针222之间的下刀头22部分的长度)L3以及上刀头21的下部长度(即上搅拌针211下方的上刀头21部分的长度)L4，在设计时长度L3不小于1～2倍的板厚，长度L4为1～3倍的板材厚度。根据实际焊接的需要上轴肩212可以接触被焊接空腔型材3的上内侧面，也可以不接触上内侧面。因此，根据焊接需要，长度L3+L4可以等于被焊接空腔型材3的上下内侧面之间的距离L9。上轴肩212与第三下轴肩223之间的距离可以通过伸缩下刀头22的阶梯轴221来实现，使得该距离等于或者小于空腔型材3的上下内侧面之间的距离L9，以满足不同尺寸母材的焊接需要。

对于上搅拌针211伸出刀柄1的长度(即第一下轴肩12与上轴肩212之间的距离)L5，根据被焊接空腔型材3的厚度，可以通过伸缩上搅拌针211来调整长度L5，使得第一下轴肩12接触或者不接触空腔型材3的上表面。

对于上搅拌针211能够伸缩的最大长度L6+L7，一般长度L6为2～5倍的板材厚度，长度L6不宜过大，同时长度L6的大小根据实际的需要可以适当的调整。

在实际焊接中焊缝的宽度也不宜过大，母材的高度塑性变形对母材的强度有一定的影响，搅拌针的直径以及轴肩的直径决定母材对接缝隙的塑性变形的宽度，焊缝的宽度至少要等于被焊接木材的厚度。因此，为了保证焊缝质量，当下刀头22采用第一种结构时，第一下搅拌针222的直径D1为板材厚度的1～2倍。当下刀头22采用第二种结构时，第二下搅拌针224的直径也优选为板材厚度的1～2倍。

当下刀头22采用第一种结构时，对于下刀头22的直径(即阶梯轴221和第一下搅拌针222之间的下刀头22部分的直径)D2，其大小决定第三下轴肩223与母材接触的范围，为了提高焊缝的可靠度，直径D2为直径D1的2.5～3.5倍。

另外，为保证焊接效果，第一下轴肩12的直径D3为上搅拌针211直径的3.5～4.5倍，刀柄1的直径D4为上搅拌针211直径的5～6倍。

当然，搅拌头的各部件尺寸可以根据实际需要进行选择，本实施例仅为举例说明。另外，整个搅拌头的材质优选采用工具钢，以满足硬度需要。

综上，本实施例中的搅拌头提高了单层及双层板的焊接效率，同单层搅拌头焊接相比效率提高了近一倍。此种搅拌头共有四个轴肩，在焊接过程中灵活的选用与型材匹配的轴肩进行搅拌摩擦焊。同时此种搅拌头还可以焊接范围稍大一些的空腔双层板，最终此搅拌头还可以演变成单轴肩搅拌头，灵活的变化轴肩使得搅拌头的焊接范围变大。

以上仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，包括竖直设置的刀柄以及刀头；

所述刀柄的底面朝向所述刀头，且由所述刀柄的底面形成轴向向上的第一安装孔，所述刀柄的底面构成第一下轴肩；所述刀头包括上刀头和下刀头，所述上刀头的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的上搅拌针，所述上搅拌针能伸缩地插设固定在所述第一安装孔内，所述上刀头的顶面构成上轴肩；所述上刀头的底面朝向所述下刀头，且由所述上刀头的底面形成轴向向上的第二安装孔，所述上刀头的底面构成第二下轴肩；

所述下刀头的顶面向上轴向延伸形成一直径缩小的阶梯轴，所述下刀头的底面向下轴向延伸形成一直径缩小的第一下搅拌针，所述阶梯轴能伸缩地插设固定在所述第二安装孔内，所述下刀头的底面构成第三下轴肩；或者

所述下刀头为第二下搅拌针，且所述第二下搅拌针能伸缩地插设固定在所述第二安装孔内。

2.如权利要求1所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第一安装孔为圆形孔，所述第一安装孔的孔壁设有内螺纹，在所述刀柄的底面沿所述第一安装孔的周向均匀间隔形成轴向向上的至少两个第一插接槽，且所述第一插接槽与所述第一安装孔相连通；

每个所述第一插接槽内插设一第一顶块，各所述第一顶块的内壁均为弧面，并在每个所述第一顶块的内壁设有内螺纹，各所述第一顶块的内壁构成所述第一安装孔孔壁的一部分，所述上搅拌针与所述第一安装孔的孔壁螺纹连接；每个所述第一顶块通过一第一紧固件紧固在所述上搅拌针的外壁上。

3.如权利要求2所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第一紧固件为第一紧定螺钉，在所述刀柄的侧壁周向开设有至少两个第一径向孔，所述第一径向孔的数量与所述第一插接槽的数量相同，每个所述第一紧定螺钉径向插设在对应的所述第一径向孔内并与所述第一径向孔的孔壁螺纹固定，每个所述第一紧定螺钉的内侧端能够抵靠在对应的所述第一顶块的外壁上。

4.如权利要求2所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第二安装孔为圆形孔，所述第二安装孔的孔壁设有内螺纹，在所述上刀头的底面沿所述第二安装孔的周向均匀间隔形成轴向向上的至少两个第二插接槽，且所述第二插接槽与所述第二安装孔相连通；

每个所述第二插接槽内插设一第二顶块，各所述第二顶块的内壁均为弧面，并在每个所述第二顶块的内壁设有内螺纹，各所述第二顶块的内壁构成所述第二安装孔孔壁的一部分，所述阶梯轴或者所述第二下搅拌针与所述第二安装孔的孔壁螺纹连接；每个所述第二顶块通过一第二紧固件紧固在所述阶梯轴或者所述第二下搅拌针的外壁上。

5.如权利要求4所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第二紧固件为第二紧定螺钉，在所述上刀头的侧壁周向开设有至少两个第二径向孔，所述第二径向孔的数量与所述第二插接槽的数量相同，每个所述第二紧定螺钉径向插设在对应的所述第二径向孔内并与所述第二径向孔的孔壁螺纹固定，每个所述第二紧定螺钉的内侧端能够抵靠在对应的所述第二顶块的外壁上。

6.如权利要求1所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述刀柄、所述上刀头和所述下刀头均为圆柱体结构。

7.如权利要求6所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第一下搅拌针的下端外壁或者所述第二下搅拌针的下端外壁为向下渐缩的锥面。

8.如权利要求7所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第一下搅拌针的下端锥面或者所述第二下搅拌针的下端锥面与竖直面的夹角为25～30°。

9.如权利要求6所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述刀柄的下端外壁为向下渐缩的锥面。

10.如权利要求6所述的多轴肩双重伸缩式搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于，

所述第一下轴肩的直径为所述上搅拌针直径的3.5～4.5倍，所述刀柄的直径为所述上搅拌针直径的5～6倍。

Images