CN114406442A - 一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具及焊接方法，所述双静止轴肩搅拌摩擦焊工具包括搅拌头、上静止轴肩和下静止轴肩。本发明可根据被焊件的厚度选择合适的搅拌头，将搅拌头与上静止轴肩、下静止轴肩和轴承相连组装成双静止轴肩搅拌工具，再将搅拌头对准被焊件焊缝的中心位置，从一侧进刀，使上静止轴肩端面和下静止轴肩端面分别与被焊件的上表面和下表面完全贴合且紧密接触，上静止轴肩通过与搅拌摩擦焊设备机头连接而实现静止，下静止轴肩通过与被焊件下表面的摩擦力实现静止，双静止轴肩搅拌工具沿焊缝移动且搅拌针转动进行焊接，实现了对被焊件无飞边及减薄的双面搅拌摩擦焊焊接，而且该双静止轴肩搅拌摩擦焊工具安装方便且适用性广。

Description

一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具及焊接方法，属于搅拌摩擦焊技术领域。

背景技术

本部分的描述仅提供与本说明书公开相关的背景信息，而不构成现有技术。

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。

为了克服中空型材搅拌摩擦焊背部自支撑问题，英国焊接研究所在传统 FSW基础上研发了双轴肩搅拌摩擦焊技术。双轴肩搅拌摩擦焊搅拌针两端各设有一轴肩，焊接时搅拌工具从被焊件一端切入焊接。双轴肩搅拌摩擦焊技术虽然解决了中空型材搅拌摩擦焊过程中的自支撑问题，但依然存在焊接飞边及减薄等问题。

在授权公告号为CN206010139U、授权公告日为2017.03.15的实用新型专利中公开了一种上轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊接装置，该专利虽然提出了一种上轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊接方法，但仅仅实现了上轴肩静止，无法根本性解决双轴肩搅拌摩擦焊焊接飞边及减薄的问题，且结构较为复杂。

在申请公布号为CN109434271A、申请公布日为2019.03.08的发明专利申请中公开了一种带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及其焊接中空型材对接焊缝的方法，该方案虽然借助辅助拉绳装置实现了静止四轴肩搅拌摩擦焊，但因辅助拉绳装置的结构极其复杂，难以实现工程化应用。

在申请公布号为CN108581178A、申请公布日为2018.09.28的发明专利申请中公开了一种浮动式静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，该方案借助下压单元及上升单元中的线圈，通过电磁力实现上下轴肩的同时静止，但是此结构较为复杂，同时尤其是上升单元中线圈通电用线缆铺设是影响其工程化应用的主要困难与问题。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本说明书的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本说明书的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具及焊接方法，本发明的技术方案可以解决现有技术中中空型材双轴肩搅拌摩擦焊焊接飞边及减薄的技术难题。

本方案是通过如下技术措施来实现的。

一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，它包括搅拌头、上静止轴肩、下静止轴肩和轴承，

所述搅拌头包括自上向下依次设置的夹持端、搅拌头配合体一、搅拌针、搅拌头配合体二和卡簧槽一；

所述上静止轴肩包括上静止轴肩本体和开设在上静止轴肩本体中部的上静止轴肩阶梯孔，所述上静止轴肩本体的下端面为上静止轴肩端面，所述上静止轴肩端面与被焊件的上表面紧密贴合，所述上静止轴肩阶梯孔的小端与搅拌头配合体一间隙配合；

所述下静止轴肩包括下静止轴肩本体和开设在下静止轴肩本体中部的下静止轴肩阶梯孔，所述下静止轴肩本体的上端面为下静止轴肩端面，所述下静止轴肩端面与被焊件的下表面紧密贴合，所述下静止轴肩阶梯孔的小端与搅拌头配合体二间隙配合，所述下静止轴肩阶梯孔的大端为轴承槽，所述轴承安装在轴承槽中，所述轴承包括轴承内圈和轴承外圈，所述下静止轴肩阶梯孔的小端与轴承槽的交界端面为下静止轴肩配合端面，所述下静止轴肩配合端面的内侧端开设有下静止轴肩间隙槽，所述下静止轴肩间隙槽使下静止轴肩本体与轴承内圈之间留有间隙，所述轴承槽的侧面为下静止轴肩配合侧面，所述下静止轴肩配合侧面与轴承外圈配合，所述卡簧槽一内安装有与轴承的下端面配合的卡簧一，所述下静止轴肩配合侧面上位于轴承的下方开设有卡簧槽二，所述卡簧槽二内安装有与轴承的下端面配合的卡簧二，所述下静止轴肩阶梯孔与轴承槽之间安装有用于支撑与平衡的垫圈。

优选的，所述搅拌针为与被焊件摩擦接触且表面带有螺纹、锥面或圆环结构的搅拌针。

优选的，所述夹持端的上端与搅拌摩擦焊设备主轴固定连接。

优选的，所述下静止轴肩本体上沿径向开设有与轴承槽相通的螺纹孔，所述径向螺纹孔内安装有紧固螺钉，所述紧固螺钉的内侧端顶紧轴承外圈。

优选的，所述上静止轴肩本体上沿周向均匀开设有多个通过螺栓组件与搅拌摩擦焊设备机头相连接的螺纹孔。

优选的，所述夹持端的底部为锥形端，所述上静止轴肩阶梯孔的大端包括自上向下依次设置的沉头孔段及与夹持端的锥形端形状相适应的锥形孔段。

优选的，所述上静止轴肩阶梯孔的小端与搅拌头配合体一的配合间隙为 0.03-0.07mm，所述下静止轴肩阶梯孔的小端与搅拌头配合体二的配合间隙为 0.03-0.07mm。

优选的，所述锥形孔段的轴向长度大于锥形端的轴向长度，且锥形孔段的大端与锥形端的大端之间留有0.2-0.5mm的间隙。

优选的，所述垫圈的大圆与轴承外圈的内侧间隙配合，所述垫圈的宽度小于或等于轴承槽半径的一半。

本发明还提供了一种双静止轴肩搅拌摩擦焊焊接方法，它包括如下步骤：

S1：根据被焊件的厚度选择合适的搅拌头，该搅拌头中搅拌针的长度与被焊件的厚度相适应；

S2：将搅拌头与上静止轴肩、下静止轴肩和轴承相连，组装成权利要求 1-9任一权利要求所述的双静止轴肩搅拌工具；

S3：将搅拌头对准被焊件焊缝的中心位置，从一侧进刀，使上静止轴肩端面和下静止轴肩端面分别与被焊件的上表面和下表面完全贴合且紧密接触；

S4：双静止轴肩搅拌工具沿焊缝移动且搅拌针转动进行焊接。

本发明的有益效果：本发明根据被焊件的厚度变化，仅需更换相应长度搅拌针的搅拌头，焊接过程中，双静止轴肩搅拌摩擦焊工具的上静止轴肩端面、下静止轴肩端面分别与被焊件的上表面和下表面完全贴合且紧密接触，实现了对被焊件无飞边及减薄的双面搅拌摩擦焊焊接，而且该双静止轴肩搅拌摩擦焊工具安装方便且适用性广。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明中双静止轴肩搅拌摩擦焊工具的使用状态结构示意图。

图2为本发明中双静止轴肩搅拌摩擦焊工具的局部剖切结构示意图。

图3为双静止轴肩搅拌摩擦焊工具中上静止轴肩的局部剖切结构示意图。

图4为双静止轴肩搅拌摩擦焊工具中搅拌头的结构示意图。

图5为双静止轴肩搅拌摩擦焊工具中下静止轴肩的局部剖切结构示意图。

图中，1-搅拌头，11-夹持端，12-搅拌头配合体一，13-搅拌针，14-搅拌头配合体二，15-卡簧槽一，2-上静止轴肩，21-螺纹孔，22-沉头孔段，23- 锥形孔段，24-上静止轴肩阶梯孔，25-上静止轴肩端面，26-上静止轴肩本体， 3-下静止轴肩，31-下静止轴肩端面，32-下静止轴肩阶梯孔；33-下静止轴肩间隙槽，34-下静止轴肩配合端面，35-下静止轴肩配合侧面，36-螺纹孔，37- 卡簧槽二，38-下静止轴肩本体，4-轴承，41-轴承内圈，42-轴承外圈，43- 轴承槽，5-紧固螺钉，6-卡簧一，7-卡簧二，8-垫圈，9-被焊件。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，它包括搅拌头1、上静止轴肩2、下静止轴肩3和轴承4。焊接时可根据被焊件9的厚度选择相适应的搅拌头1，再将搅拌头1、上静止轴肩2、下静止轴肩3和轴承4组装成一体即可使用。

所述搅拌头1包括自上向下依次设置的夹持端11、搅拌头配合体一12、搅拌针13、搅拌头配合体二14和卡簧槽一15。所述夹持端11的上端与搅拌摩擦焊设备主轴固定连接。所述夹持端11的底部为锥形端，为增加材料流动及焊接质量，所述搅拌针13采用与被焊件9摩擦接触且表面带有螺纹、锥面或圆环结构的搅拌针13。搅拌摩擦焊设备主轴通过夹持端11带动整个搅拌头1转动，搅拌针13旋转时与被焊件9摩擦产生热量，从而提供焊接所需的热量，搅拌针 13通过其上的螺纹结构带动周围的材料流动以形成焊缝。

所述上静止轴肩2包括上静止轴肩本体26和开设在上静止轴肩本体26中部的上静止轴肩阶梯孔24，所述上静止轴肩本体26上沿周向均匀开设有多个通过螺栓组件与搅拌摩擦焊设备机头相连接的螺纹孔21，通过安装在螺纹孔 21内的螺栓组件将上静止轴肩2固定在搅拌摩擦焊设备机头上，使搅拌摩擦焊设备机头带动上静止轴肩2、搅拌头1和下静止轴肩3沿焊缝移动。所述上静止轴肩本体26的下端面为上静止轴肩端面25，所述上静止轴肩端面25与被焊件9 的上表面紧密贴合，所述上静止轴肩阶梯孔24的小端与搅拌头配合体一12间隙配合，所述上静止轴肩阶梯孔24的小端与搅拌头配合体一12的配合间隙为 0.03-0.07mm，该间隙既能保证搅拌头配合体一12能够顺利的穿过上静止轴肩阶梯孔24的小端进行组装，又可防止间隙过大而影响搅拌针13的稳定性以及被焊材料的挤出，从而与上静止轴肩2静止配合保证实现被焊件9上表面无飞边及减薄的焊缝。所述上静止轴肩阶梯孔24的大端包括自上向下依次设置的沉头孔段22及与夹持端11的锥形端形状相适应的锥形孔段23。所述锥形孔段 23的轴向长度大于锥形端的轴向长度，且锥形孔段23的大端与锥形端的大端之间留有0.2-0.5mm的间隙，该间隙既能保证搅拌头1的顺利组装，又可进一步防止被焊材料的挤出，以进一步保证实现被焊件9上表面无飞边及减薄的焊缝。沉头孔段22可以方便适应具有不同长度搅拌针13的搅拌头1的安装。

所述下静止轴肩3包括下静止轴肩本体38和开设在下静止轴肩本体38中部的下静止轴肩阶梯孔32，所述下静止轴肩本体38的上端面为下静止轴肩端面31，所述下静止轴肩端面31与被焊件9的下表面紧密贴合，所述下静止轴肩阶梯孔32的小端与搅拌头配合体二14间隙配合，所述下静止轴肩阶梯孔32的小端与搅拌头配合体二14的配合间隙为0.03-0.07mm，该间隙既能保证搅拌头配合体二14能够顺利的穿过下静止轴肩阶梯孔32的小端进行组装，又可防止间隙过大而影响搅拌针13的稳定性以及被焊材料的挤出，从而与下静止轴肩3 静止配合保证实现被焊件9下表面无飞边及减薄的焊缝。所述下静止轴肩阶梯孔32的大端为轴承槽43，所述轴承4安装在轴承槽43中，所述轴承4包括轴承内圈41和轴承外圈42，搅拌头配合体二14的下端贯穿轴承内圈41，可保证整个搅拌头1能够正常转动。所述下静止轴肩阶梯孔32的小端与轴承槽43的交界端面为下静止轴肩配合端面34，所述下静止轴肩配合端面34的内侧端开设有下静止轴肩间隙槽33，所述下静止轴肩间隙槽33使下静止轴肩本体38与轴承内圈41之间留有间隙，所述轴承槽43的侧面为下静止轴肩配合侧面35，所述下静止轴肩配合侧面35与轴承外圈42配合，所述卡簧槽一15内安装有与轴承4 的下端面配合的卡簧一6，所述下静止轴肩配合侧面35上位于轴承4的下方开设有卡簧槽二37，所述卡簧槽二37内安装有与轴承4的下端面配合的卡簧二7，通过卡簧一6和卡簧二7对轴承4的底部进行限位。所述下静止轴肩阶梯孔32与轴承槽43之间安装有用于支撑与平衡的垫圈8，所述垫圈8的大圆与轴承外圈 42的内侧间隙配合，所述垫圈8的宽度小于或等于轴承槽43半径的一半。所述下静止轴肩本体38上沿径向开设有与轴承槽43相通的螺纹孔36，所述径向螺纹孔36内安装有紧固螺钉5，所述紧固螺钉5的内侧端顶紧轴承外圈42，通过紧固螺钉5实现下静止轴肩本体38与轴承4的固定。

本发明还提供了一种双静止轴肩搅拌摩擦焊焊接方法，它包括如下步骤：

S1：根据被焊件9的厚度选择合适的搅拌头1，该搅拌头1中搅拌针13的长度与被焊件9的厚度相适应；

S2：将搅拌头1与上静止轴肩2、下静止轴肩3和轴承4相连，组装成权利要求1-9任一权利要求所述的双静止轴肩搅拌工具；

S3：将搅拌头1对准被焊件9焊缝的中心位置，从一侧进刀，使上静止轴肩端面25和下静止轴肩端面31分别与被焊件9的上表面和下表面完全贴合且紧密接触；

S4：双静止轴肩搅拌工具沿焊缝移动且搅拌针13转动进行焊接。

综上所述，本发明可根据被焊件的厚度选择合适的搅拌头1，该搅拌头1 中搅拌针13的长度与被焊件9的厚度相适应；然后将搅拌头1与上静止轴肩2、下静止轴肩3和轴承4相连，组装成双静止轴肩搅拌工具；再将搅拌头1对准被焊件焊缝的中心位置，从一侧进刀，使上静止轴肩端25面和下静止轴肩端面 31分别与被焊件9的上表面和下表面完全贴合且紧密接触；上静止轴肩2通过与搅拌摩擦焊设备机头连接而实现静止，下静止轴肩3通过与被焊件9下表面之间的摩擦力实现静止，双静止轴肩搅拌工具沿焊缝移动且搅拌针13转动进行焊接，实现了对被焊件9无飞边及减薄的双面搅拌摩擦焊焊接，而且该双静止轴肩搅拌摩擦焊工具安装方便且适用性广。

本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，它包括搅拌头(1)、上静止轴肩(2)、下静止轴肩(3)和轴承(4)，其特征是：

所述搅拌头(1)包括自上向下依次设置的夹持端(11)、搅拌头配合体一(12)、搅拌针(13)、搅拌头配合体二(14)和卡簧槽一(15)；

所述上静止轴肩(2)包括上静止轴肩本体(26)和开设在上静止轴肩本体(26)中部的上静止轴肩阶梯孔(24)，所述上静止轴肩本体(26)的下端面为上静止轴肩端面(25)，所述上静止轴肩端面(25)与被焊件(9)的上表面紧密贴合，所述上静止轴肩阶梯孔(24)的小端与搅拌头配合体一(12)间隙配合；

所述下静止轴肩(3)包括下静止轴肩本体(38)和开设在下静止轴肩本体(38)中部的下静止轴肩阶梯孔(32)，所述下静止轴肩本体38的上端面为下静止轴肩端面31，所述轴承(4)安装在轴承槽(43)中，所述轴承(4)包括轴承内圈(41)和轴承外圈(42)，所述下静止轴肩阶梯孔(32)的小端与轴承槽(43)的交界端面为下静止轴肩配合端面(34)，所述下静止轴肩配合端面(34)的内侧端开设有下静止轴肩间隙槽(33)，所述下静止轴肩间隙槽(33)使下静止轴肩本体(38)与轴承内圈(41)之间留有间隙，所述轴承槽(43)的侧面为下静止轴肩配合侧面(35)，所述下静止轴肩配合侧面(35)与轴承外圈(42)配合，所述卡簧槽一(15)内安装有与轴承(4)的下端面配合的卡簧一(6)，所述下静止轴肩配合侧面(35)上位于轴承(4)的下方开设有卡簧槽二(37)，所述卡簧槽二(37)内安装有与轴承(4)的下端面配合的卡簧二(7)，所述下静止轴肩阶梯孔(32)与轴承槽(43)之间安装有用于支撑与平衡的垫圈(8)。

2.根据权利要求1所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述搅拌针(13)为与被焊件(9)摩擦接触且表面带有螺纹、锥面或圆环结构的搅拌针(13)。

3.根据权利要求2所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述夹持端(11)的上端与搅拌摩擦焊设备主轴固定连接。

4.根据权利要求3所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述下静止轴肩本体(38)上沿径向开设有与轴承槽(43)相通的螺纹孔(36)，所述径向螺纹孔(36)内安装有紧固螺钉(5)，所述紧固螺钉(5)的内侧端顶紧轴承外圈(42)。

5.根据权利要求4所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述上静止轴肩本体(26)上沿周向均匀开设有多个通过螺栓组件与搅拌摩擦焊设备机头相连接的螺纹孔(21)。

6.根据权利要求5所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述夹持端(11)的底部为锥形端，所述上静止轴肩阶梯孔(24)的大端包括自上向下依次设置的沉头孔段(22)及与夹持端(11)的锥形端形状相适应的锥形孔段(23)。

7.根据权利要求6所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述上静止轴肩阶梯孔(24)的小端与搅拌头配合体一(12)的配合间隙为0.03-0.07mm，所述下静止轴肩阶梯孔(32)的小端与搅拌头配合体二(14)的配合间隙为0.03-0.07mm。

8.根据权利要求7所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述锥形孔段(23)的轴向长度大于锥形端的轴向长度，且锥形孔段(23)的大端与锥形端的大端之间留有0.2-0.5mm的间隙。

9.根据权利要求8所述的双静止轴肩搅拌摩擦焊工具，其特征是：所述垫圈(8)的大圆与轴承外圈(42)的内侧间隙配合，所述垫圈(8)的宽度小于或等于轴承槽(43)半径的一半。

10.一种双静止轴肩搅拌摩擦焊焊接方法，其特征是：它包括如下步骤：

S1：根据被焊件(9)的厚度选择合适的搅拌头(1)，该搅拌头(1)中搅拌针(13)的长度与被焊件(9)的厚度相适应；

S2：将搅拌头(1)与上静止轴肩(2)、下静止轴肩(3)和轴承(4)相连，组装成权利要求1-9任一权利要求所述的双静止轴肩搅拌工具；

S3：将搅拌头(1)对准被焊件(9)焊缝的中心位置，从一侧进刀，使上静止轴肩端面(25)和下静止轴肩端面(31)分别与被焊件(9)的上表面和下表面完全贴合且紧密接触；

S4：双静止轴肩搅拌工具沿焊缝移动且搅拌针(13)转动进行焊接。

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