CN112139655B - 一种搅拌摩擦焊接工具和搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊接工具和搅拌摩擦焊接装置，涉及搅拌摩擦焊接技术领域；该搅拌摩擦焊接工具用于与焊机配合，焊机包括机体和可转动地设置于机体的主轴，该工具具体包括：搅拌头和依次同轴设置且套设于搅拌针外侧的外筒、套筒以及静止轴肩；搅拌头包括夹持刀柄和搅拌针，夹持刀柄一端用于与主轴传动连接，另一端与搅拌针固定连接，用于在主轴驱动下带动搅拌针旋转扎入待焊材料；且夹持刀柄的材料为钢铁材料，搅拌针的材料为陶瓷或硬质合金材料；外筒远离套筒的一端与机体固定连接，静止轴肩用于抵持于待焊材料表面。该工具不仅能保证在焊接过程中具有较低的磨损量，还能简化加工过程，降低制造成本，避免材料浪费，提高工具的成品率。

Description

一种搅拌摩擦焊接工具和搅拌摩擦焊接装置

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体而言，涉及一种搅拌摩擦焊接工具和搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

搅拌摩擦焊是英国焊接技术研究所于1991年发明的先进焊接技术，由于焊接质量高，绿色无污染，被广泛应用于轨道交通及航空航天等领域。尤其是在镁、铝等金属材料的焊接上已经取得了巨大的经济和社会效益。

在搅拌摩擦焊技术中，搅拌摩擦焊接工具的设计是搅拌摩擦焊技术的核心。在搅拌摩擦加工过程中，搅拌头和轴肩与被焊材料之间发生热-机作用，形成焊缝，因此搅拌头和轴肩直接承载热，载荷以及摩擦作用。针对不同的被焊材料选用合适的焊接材料是实现焊接工具设计的基础。现有技术中，对于镁铝合金等较软金属，普通钢铁材料就可以满足其需求，但对于高熔点且硬度较大的金属，例如钛合金、钢铁材料等，焊接时会使搅拌头发生严重磨损且容易发生高温相变过程。目前对于此类金属的焊接多采用陶瓷或硬质合金等材料作为制备搅拌头和轴肩的原料。然而，当选用陶瓷或硬质合金等材料作为制备搅拌头和轴肩的原料时，往往存在制备成本高，材料浪费巨大的问题，而且加工过程较为艰难，成品率较低。

发明内容

本发明的目的包括提供一种搅拌摩擦焊接工具，其不仅能保证在搅拌摩擦焊接过程中具有较低的磨损量，还能简化加工过程，降低制造成本，避免材料浪费，提高工具的成品率。

本发明的目的还包括提供一种搅拌摩擦焊接装置，其包括上述的搅拌摩擦焊接工具。因此，其也具备磨损量低，加工简便，制造成本低，成品率高的优点。

本发明的实施例可以这样实现：

第一方面，本发明实施例提供一种搅拌摩擦焊接工具，用于与焊机配合，焊机包括机体和可转动地设置于机体的主轴，搅拌摩擦焊接工具包括：

搅拌头，搅拌头包括夹持刀柄和搅拌针，夹持刀柄一端用于与主轴传动连接，另一端与搅拌针固定连接，用于在主轴驱动下带动搅拌针旋转扎入待焊材料；且夹持刀柄的材料为钢铁材料，搅拌针的材料为陶瓷或硬质合金材料；

依次同轴设置且套设于搅拌针外侧的外筒、套筒以及静止轴肩；且外筒远离套筒的一端用于与机体固定连接，静止轴肩用于抵持于待焊材料表面。

在可选的实施方式中，夹持刀柄与搅拌针可拆卸连接。

在可选的实施方式中，沿主轴的轴线方向，夹持刀柄上设有安装孔，搅拌针与安装孔插接配合。

在可选的实施方式中，静止轴肩包括轴肩外套和轴肩块，且轴肩外套一端与套筒固定连接，轴肩外套另一端与轴肩块可拆卸连接，轴肩块用于抵持于待焊材料表面；

其中，轴肩外套的材料为钢铁材料，轴肩块的材料为陶瓷或硬质合金材料。

在可选的实施方式中，轴肩外套靠近轴肩块的一端设有安装环槽，轴肩块的第一端与安装环槽插接配合，轴肩块的第二端用于与待焊材料抵接配合。

在可选的实施方式中，沿主轴的轴线方向，轴肩块的第二端凸出于安装环槽的高度为0.1～1mm。

在可选的实施方式中，轴肩外套的周向边缘还设有多个通孔，且轴肩块与安装环槽插接配合后，安装环槽通过通孔的至少部分与外部连通，以进行排屑。

在可选的实施方式中，轴肩块的周向边缘还设有与多个通孔一一对应设置的多个插接部，插接部与对应位置的通孔插接配合。

在可选的实施方式中，轴肩外套的周向边缘设有两个通孔；轴肩块的周向边缘设有两个插接部，以与对应位置的通孔插接配合。

第二方面，本发明实施例提供一种搅拌摩擦焊接装置，包括：

机体，机体上设有电机和主轴，主轴与电机的输出轴固定连接，以在输出轴的带动下旋转；

前述实施方式中任一项的搅拌摩擦焊接工具，搅拌摩擦焊接工具的外筒用于与机体固定连接，搅拌头的夹持刀柄与主轴同轴且固定连接，以在电机的驱动下旋转。

本发明的实施例至少具备以下优点或有益效果：

本发明的实施例提供了一种搅拌摩擦焊接工具，其用于与焊机配合，焊机包括机体和可转动地设置于机体的主轴，该搅拌摩擦焊接工具包括：搅拌头和依次同轴设置且套设于搅拌针外侧的外筒、套筒以及静止轴肩；其中，搅拌头包括夹持刀柄和搅拌针，夹持刀柄一端用于与主轴传动连接，另一端与搅拌针固定连接，用于在主轴驱动下带动搅拌针旋转扎入待焊材料；且夹持刀柄的材料为钢铁材料，搅拌针的材料为陶瓷或硬质合金材料；外筒远离套筒的一端用于与机体固定连接，静止轴肩用于抵持于待焊材料表面。该搅拌摩擦焊接工具将搅拌头设置为分体式结构，使得搅拌针的制备材料选择为陶瓷或硬质合金材料，而夹持刀柄的材料可选择为钢铁材料，因而可使与待焊材料接触的搅拌针获得较高硬度，具有较低的磨损量，同时不与待焊材料接触的部分采用钢铁材料，又可避免材料浪费，使得加工过程更简便，从而降低整个制造成本，提高整个工具的成品率。

本发明的实施例还提供了一种搅拌摩擦焊接装置，其包括上述的搅拌摩擦焊接工具。因此，其也具备磨损量低，加工简便，制造成本低，成品率高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本发明的实施例提供的搅拌摩擦焊接工具的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的搅拌摩擦焊接工具的分解结构示意图；

图3为本发明的实施例提供的搅拌摩擦焊接工具的搅拌头的结构示意图；

图4为本发明的实施例提供的搅拌摩擦焊接工具的静止轴肩的结构示意图。

图标：100-搅拌摩擦焊接工具；101-搅拌头；103-夹持刀柄；105-搅拌针；107-外筒；109-套筒；111-静止轴肩；114-开孔；115-轴肩外套；117-轴肩块；119-安装环槽；121-通孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

图1为本实施例提供的搅拌摩擦焊接工具100的结构示意图；图2为本实施例提供的搅拌摩擦焊接工具100的分解结构示意图。请参阅图1和图2，本实施例提供了一种搅拌摩擦焊接装置，其用于在待焊材料表面进行搅拌摩擦焊接作业。详细地，该搅拌摩擦焊接装置包括机体和搅拌摩擦焊接工具100。其中，搅拌摩擦焊接工具100安装于机体，且用于与待焊材料配合，以对待焊材料进行搅拌摩擦焊接作业。

具体地，机体上设有电机和主轴，主轴与电机的输出轴固定连接，当电机启动时，电机的输出轴可转动，从而可带动主轴旋转。

具体地，请再次参阅图1与图2，在本实施例中，搅拌摩擦焊接工具100包括搅拌头101以及依次同轴设置且套设于搅拌针105外侧的外筒107、套筒109以及静止轴肩111。其中，搅拌头101设置为分体式结构，且其具体包括夹持刀柄103和搅拌针105，夹持刀柄103一端与主轴传动连接，以在以在电机的驱动下旋转，另一端与搅拌针105固定连接，用于在主轴驱动下带动搅拌针105旋转扎入待焊材料，以便于进行搅拌摩擦焊接作业。同时，夹持刀柄103的材料为钢铁材料，搅拌针105的材料为陶瓷或硬质合金材料。另外，外筒107远离套筒109的一端用于与机体固定连接，且具体与机体靠近主轴的位置固定连接，以保证整个外筒107、套筒109以及静止轴肩111组成的外部结构的稳定性，同时，静止轴肩111用于抵持于待焊材料表面，以与搅拌针105配合，从而可对待焊材料进行搅拌摩擦焊接。

在本实施例中，该搅拌摩擦焊接工具100将搅拌头101设置为分体式结构，使得搅拌头101的搅拌针105与夹持刀柄103的材料可选择为不同，因而搅拌针105的制备材料选择为陶瓷或硬质合金材料，使得与待焊材料配合的部分的硬度较高，从而利于在配合过程中减少材料的磨损；而夹持刀柄103的材料可选择为钢铁材料，钢铁材料相对陶瓷或硬质合金材料的加工难度小，材料成本低，成品率也相对较高，从而利于加工，同时也利于降低成本。也即，在本实施例中，通过搅拌头101的分体式设计，使得搅拌针105和夹持刀柄103可选择适应材料，因而可使与待焊材料接触的搅拌针105获得较高硬度，具有较低的磨损量，同时不与待焊材料接触的部分采用钢铁材料，又可避免材料浪费，使得加工过程更简便，从而降低整个制造成本，提高整个工具的成品率。

需要说明的是，本实施例主要用于改进搅拌头、静止轴肩及相关传动部件均采用陶瓷或硬质合金制造的工具，这种类型的工具不仅制备成本高，材料浪费巨大，而且加工过程较为艰难，成品率较低。但是，这并不影响，在其他实施例中，本实施例在采用分体式设计的基础之上对材料进行选择，例如针对不同待焊材料选择不同的搅拌头101材料等，本实施例不做限定。

还需要说明的是，在本实施例中，搅拌头101、外筒107、套筒109以及静止轴肩111均与主轴同轴线设置，也可以保证主轴转动时，搅拌头101可稳定地扎入待焊材料，同时静止轴肩111可与待焊材料抵接，从而稳定地进行搅拌摩擦焊接作业，从而保证搅拌摩擦焊接作业的高效进行。

需要说明的是，为了保证静止轴肩111、套筒109以及外筒107连接配合后的同心度，可以在外筒107的底部设置螺纹，在静止轴肩111的端部设置螺纹，套筒109采用螺纹套筒109，以使得套筒109的两端可分别与外筒107和静止轴肩111采用螺纹配合，进而保证其同心度。

图3为本实施例提供的搅拌摩擦焊接工具100的搅拌头101的结构示意图。请参阅图2与图3，在本实施例中，由于搅拌头101采用分体式设计，因此夹持刀柄103和搅拌针105可具体选择为可拆卸连接。

详细地，沿主轴的轴线方向，夹持刀柄103上设有安装孔，安装孔可设计为盲孔，通过安装孔的设置，使得搅拌针105可与安装孔插接配合，从而实现搅拌头101和夹持刀柄103的可拆卸连接。作为优选的方案，搅拌针105与夹持刀柄103还通过侧顶螺栓紧密固定，从而进一步地保证二者连接配合后的稳定性和可靠性。

进一步优选地，在本实施例中，夹持刀柄103远离搅拌针105的一端还开设有开孔114，开孔114具体选择为φ8的圆孔，用于夹持刀柄103以及搅拌针105的分离。当然，在其他实施例中，开孔114的形状和尺寸还可以根据需求进行调整，本实施例不做限定。

图4为本实施例提供的搅拌摩擦焊接工具100的静止轴肩111的结构示意图。请参阅图2与图4，在本实施例中，静止轴肩111也呈分体式设置，从而进一步地保证工具的制造成本和成品率。

详细地，该静止轴肩111具体包括轴肩外套115和轴肩块117。其中，轴肩外套115一端与套筒109固定连接，以在搅拌摩擦焊接工具100进行搅拌摩擦焊接作业时保持稳定和平衡。轴肩外套115另一端与轴肩块117可拆卸连接，以使得轴肩块117可在搅拌摩擦焊接作业过程中抵持于待焊材料表面，以辅助搅拌针105进行搅拌摩擦焊接作业。同时，轴肩外套115的材料为钢铁材料，轴肩块117的材料为陶瓷或硬质合金材料。与搅拌针105的分体式设计原理相同，由于轴肩块117是直接与待焊材料抵接并配合的，因此将轴肩块117的材料设置为陶瓷或硬质合金材料，可有效地保证整个静止轴肩111的强度，从而减少静止轴肩111的磨损量，延长静止轴肩111的使用寿命；同时，由于轴肩外套115并不会直接与待焊材料接触，因而其可采用批量生产的钢铁材料，以在降低材料成本的同时保证加工的便捷性。当然，在其他实施例中，轴肩外套115和静轴肩也可以均材料钢铁材料等，本实施例不做限定。

具体地，为了保证静止轴肩111的分体式设计的稳定性和可靠性，在本实施例中，可在轴肩外套115靠近轴肩块117的一端设有安装环槽119，安装环槽119呈圆环状结构，且安装环槽119的内径与轴肩块117的外径适配，以使得轴肩块117第一端可与安装环槽119插接配合(此处配合方式为过盈配合)，从而保证轴肩块117的稳定性和可靠性。同时，轴肩块117的第二端可从安装环槽119露出，用于与待焊材料表面抵接配合，以进行搅拌摩擦焊接。

更具体地，在本实施例中，沿主轴的轴线方向，轴肩块117凸出于安装环槽119的高度为0.1～1mm。此高度在待焊材料选择为钛合金和钢铁材料等硬度较大的金属，且搅拌针105和静止轴肩111均选择为陶瓷或硬质合金材料时通过反复实验确定的高度值，其通过磨损量确定，以保证磨损量始终是小于此数值的，从而在保证搅拌摩擦焊接作业正常进行的同时，进一步地保证搅拌摩擦焊接工具100的制造成本。

作为优选的方案，在本实施例中，轴肩外套115的周向边缘还设有多个通孔121，且轴肩块117的第一端与安装环槽119插接配合后，安装环槽119通过通孔121的至少部分与外部连通，以使得轴肩外套115的内部始终与外部连通，从而可在轴肩块117进行搅拌摩擦焊接作业时进行排屑作业，避免积屑在轴肩外套115内部累积。

进一步优选地，在本实施例中，轴肩块117的周向边缘还设有与多个通孔121一一对应设置的多个插接部，插接部与对应位置的通孔121插接配合。也即，通过通孔121的设置，一方面可用于进行排屑，另一方面还可以辅助轴肩块117的安装和拆卸，以使得轴肩块117在进行焊接作业时稳定性更高，同时在完成作业后又便于拆卸。

需要说明的是，在本实施例中，轴肩外套115的周向边缘设有两个通孔121，每个通孔121均为φ6圆孔，且两个通孔121以主轴的轴线方向为对称轴对称设置；轴肩块117的周向边缘设有两个插接部，且两个插接部以主轴的轴线方向为对称轴对称设置，以与对应位置的通孔121插接配合，从而以保证轴肩块117可稳定地抵持于待焊材料的表面，以保证搅拌摩擦焊接作业的正常高效进行。当然，在其他实施例中，通孔121的尺寸和数量还可以根据需求进行调整，例如数量可选择为三个、四个等，本实施例不做限定。

下面对本发明的实施例提供的搅拌摩擦焊接装置的安装过程和工作原理进行详细地说明：

在搅拌摩擦焊接装置进行安装作业时，可先将外筒107、套筒109以及静止轴肩111同轴固定设置于搅拌头101的外侧，且将搅拌针105露出；然后，将搅拌头101与主轴固定连接，将外筒107用于与机体固定连接即可。

在上述的搅拌摩擦焊接装置进行搅拌摩擦焊接作业时，启动电机，将搅拌针105扎入待焊材料的表面，且直到静止轴肩111与待焊材料的表面抵接后移动进行焊接即可。

在上述过程中，搅拌头101和静止轴肩111均采用分体式设计，且搅拌头101和静止轴肩111与待焊材料接触的部分均采用陶瓷或硬质合金材料，搅拌头101和静止轴肩111未与待焊材料接触的部分均采用钢铁材料，使得该搅拌摩擦焊接工具100不仅可避免均采用陶瓷或硬质合金材料所带来的成分较高的问题，还能有效地简化加工过程，降低磨损量，提高工具的成品率。

综上所述，本发明的实施例提供的搅拌摩擦焊接工具100和搅拌摩擦焊接装置不仅能保证在搅拌摩擦焊接过程中具有较低的磨损量，还能简化加工过程，降低制造成本，避免材料浪费，提高成品率。

以上，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，可轻易想到的变化或替换，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权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦焊接工具，用于与焊机配合，所述焊机包括机体和可转动地设置于所述机体的主轴，其特征在于，所述搅拌摩擦焊接工具包括：

搅拌头，所述搅拌头包括夹持刀柄和搅拌针，所述夹持刀柄一端用于与所述主轴传动连接，另一端与所述搅拌针固定连接，用于在所述主轴驱动下带动所述搅拌针旋转扎入待焊材料；且所述夹持刀柄的材料为钢铁材料，所述搅拌针的材料为陶瓷或硬质合金材料；

依次同轴设置且套设于所述搅拌针外侧的外筒、套筒以及静止轴肩；且所述外筒远离所述套筒的一端与所述机体固定连接，所述静止轴肩用于抵持于所述待焊材料表面；

所述静止轴肩包括轴肩外套和轴肩块，且所述轴肩外套一端与所述套筒固定连接，所述轴肩外套另一端设有安装环槽，所述轴肩块的第一端与所述安装环槽插接配合，沿所述主轴的轴线方向，所述轴肩块的第二端凸出于所述安装环槽的高度为0.1～1mm，用于抵持于所述待焊材料表面；

其中，所述轴肩外套的材料为钢铁材料，所述轴肩块的材料为陶瓷或硬质合金材料。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：

所述夹持刀柄与所述搅拌针可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：

沿所述主轴的轴线方向，所述夹持刀柄上设有安装孔，所述搅拌针与所述安装孔插接配合。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：

所述轴肩外套的周向边缘还设有多个通孔，且所述轴肩块与所述安装环槽插接配合后，所述安装环槽通过所述通孔的至少部分与外部连通，以进行排屑。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：

所述轴肩块的周向边缘还设有与多个所述通孔一一对应设置的多个插接部，所述插接部与对应位置的所述通孔插接配合。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：

所述轴肩外套的周向边缘设有两个所述通孔；所述轴肩块的周向边缘设有两个所述插接部，以与对应位置的所述通孔插接配合。

7.一种搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括：

机体，所述机体上设有电机和主轴，所述主轴与所述电机的输出轴固定连接，以在所述输出轴的带动下旋转；

权利要求1至6中任一项所述的搅拌摩擦焊接工具，所述搅拌摩擦焊接工具的所述外筒与所述机体固定连接，所述搅拌头的夹持刀柄与所述主轴同轴且固定连接，以在所述电机的驱动下旋转。

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