CN114985895A - 基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，旨在整合双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊与单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊的优点，同时达到降低焊接成本和提高焊接效率的目的。本发明整合了双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊与单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊的优点，仅通过安装或者拆卸搅拌头碗套便可在一个搅拌头工具上实现由双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊向单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊之间的互相转换。这不仅避免了传统焊接时根据焊接结构和产热量的情况需要频繁更换双侧旋转双轴肩搅拌头和单侧轴肩静止搅拌头的工艺繁琐性，显著提高了焊接效率。

Description

基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法

技术领域

本发明涉及摩擦焊接技术领域，具体涉及一种基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所(TWI)于1990年发明的一种新型固相焊接技术，主要利用摩擦热和顶锻力耦合作用实现材料连接。由于摩擦热使材料达到塑性状态而不超过材料熔点，因此，搅拌摩擦焊可以避免常规焊接过程中所产生的气孔、夹渣、热裂纹、晶粒粗大及焊接变形量大等缺点。特别适用于铝合金、镁合金等轻质合金的焊接，目前已被应用于航空、航天、轨道车辆和汽车制造等领域。

双轴肩搅拌摩擦焊的搅拌头具有上下两个轴肩，其下轴肩取代了常规搅拌摩擦焊中所采用的背部刚性垫板，进而可以实现无支持曲面及中空型材的连接。同时，搅拌针在厚度方向上贯穿整个焊板，彻底避免了常规搅拌摩擦焊未焊透缺陷的产生。鉴于此，双轴肩搅拌摩擦技术成为国内外学者的研究热点，如发明专利CN 112620917 A、CN 108581179 B、CN203778960 U等从搅拌头设计和应用等方面为双轴肩搅拌摩擦焊技术的发展提供了理论指导。目前，双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊的搅拌头上下轴肩同向同速旋转，搅拌针承受的扭矩较大，易出现搅拌头断裂现象；此外，上下轴肩同时与焊板摩擦，导致产热量过大，造成焊缝热影响区尺寸较大和晶粒粗化现象。鉴于此，国内学者研发了上轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊装置(如发明专利CN206010139U)及双侧轴肩均静止的双轴肩搅拌摩擦焊工具(如发明专利CN204997227U)，通过控制轴肩的运动状态实现了降低双轴肩搅拌摩擦焊热输入及减小焊缝表面飞边缺陷的目的。

综上可以看出，单侧轴肩静止或双侧轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊技术相比于传统双轴肩搅拌摩擦焊技术在降低热输入及提高焊缝成形质量上具有显著优势。然而，针对大壁厚工件焊接时，双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊能够提供足够热量实现焊接，并且增加接头厚度方向组织均匀性，具有明显优势。因此，如何将双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊与单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊的优点整合在一起，并研发一种能够实现单侧静止与双侧旋转一体的双轴肩搅拌头，不仅有利于节约搅拌头加工成本，而且能够提高焊接效率。

发明内容

本发明提出了一种基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，旨在整合双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊与单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊的优点，同时达到降低焊接成本和提高焊接效率的目的。

本发明的技术方案是：

基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特殊之处在于：所述搅拌头工具包括搅拌头转接套、搅拌头上轴肩、搅拌头碗套、搅拌针和搅拌头下轴肩；搅拌头转接套用于将搅拌头碗套的一端与机器主轴外套相连；搅拌头上轴肩的一端伸入所述搅拌头转接套后与机器主轴对接，另一端伸入所述搅拌头碗套后与插入所述搅拌头碗套内的所述搅拌针的一端对接；所述搅拌针的另一端与所述搅拌头下轴肩相连；

基于所述搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法为：

第一种，开展单侧轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊：

步骤1.1，将两块待焊接板材对接布置固定于搅拌摩擦焊机器工作台上，并在对接面处用钻头加工一个用于所述搅拌针穿过的通孔；

步骤1.2，将所述搅拌头转接套与机器主轴外套连接，将所述搅拌头上轴肩与机器主轴连接，将搅拌头碗套与搅拌头转接套连接；

步骤1.3，移动搅拌摩擦焊机器主轴，使所述搅拌头碗套的端面与焊板上表面接触，且使搅拌头碗套端面上用于插入搅拌针的通孔与步骤1中在两焊板对接面上加工的所述通孔重合；

步骤1.4，将搅拌针上段依次穿过两焊板对接面处的通孔、搅拌头碗套端面上用于插入搅拌针的通孔后，拧入搅拌头上轴肩与其连接；

步骤1.5，调整搅拌针端部拧入搅拌头上轴肩的深度，使搅拌头下轴肩端面与搅拌头碗套端面的距离比被焊板材厚度小；

步骤1.6，启动搅拌摩擦焊设备，设定搅拌头旋转速度，然后使搅拌针沿焊板对接面移动直至完成整个焊接过程；

第二种，开展双侧旋转的双轴肩搅拌摩擦焊接：

步骤2.1，将两块待焊接板材对接布置固定于搅拌摩擦焊机器工作台上，并在对接面处用钻头加工一个用于所述搅拌针穿过的通孔；

步骤2.2，将所述搅拌头转接套与机器主轴外套连接，将所述搅拌头上轴肩与机器主轴连接；

步骤2.3，将搅拌头碗套与搅拌头转接套分离，取下搅拌头碗套；

步骤2.4，移动搅拌摩擦焊机器主轴，使搅拌头上轴肩端部用于容纳搅拌针的孔与步骤1中在两焊板对接面上加工的通孔重合；

步骤2.5，将搅拌针上段穿过两焊板对接面处的通孔后，拧入搅拌头上轴肩6与其连接；

步骤2.6，调整搅拌针端部拧入搅拌头上轴肩的深度，使搅拌头下轴肩端面与搅拌头上轴肩端面的距离比被焊接板材厚度小；

步骤2.7，启动搅拌摩擦焊设备，设定搅拌头旋转速度和焊接速度，然后使搅拌针沿焊板对接面移动直至完成整个焊接过程。

进一步地，所述步骤1.5和2.6中，使搅拌头下轴肩端面与搅拌头碗套端面的距离比被焊板材厚度小0.2-0.5mm。

进一步地，所述步骤1.6和2.7中，设定的搅拌头旋转速度为100-1000rpm和焊接速度为10-1000mm/min。

进一步地，所述搅拌头下轴肩面向搅拌针的端面上加工有渐开线。

进一步地，所述搅拌头碗套靠近所述搅拌头下轴肩的端部为锥状，且锥状端部设有内凹面。

进一步地，所述内凹面的内凹角为1°-10°。

进一步地，所述搅拌头上轴肩的中部侧壁开设有用于散热的凹槽。

进一步地，所述搅拌头上轴肩伸入所述搅拌头碗套的端部的端面距离搅拌头碗套内底面1-2mm。

本发明的有益效果：

1.本发明整合了双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊与单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊的优点，仅通过安装或者拆卸搅拌头碗套便可在一个搅拌头工具上实现由双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊向单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊之间的互相转换。这不仅避免了传统焊接时根据焊接结构和产热量的情况需要频繁更换双侧旋转双轴肩搅拌头和单侧轴肩静止搅拌头的工艺繁琐性(尤其对于单侧轴肩静止搅拌头其结构复杂，有时需要拆下更换机器主轴)，显著提高了焊接效率。

2.不同尺寸的单侧静止轴肩会对焊缝上表面施加不同的压应力，进而影响焊缝的疲劳性能，若采用现有的单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头进行焊接，则需要制造大量不同尺寸上轴肩的搅拌头，极大增加了搅拌头制造成本。若采用本发明，仅需要制造不同尺寸的搅拌头碗套便可满足焊接需求，极大降低了搅拌头的制造成本。

3.本发明的方法采用的搅拌头，其下轴肩端面上加工有渐开线，能增加搅拌头下轴肩附近热塑性材料向搅拌针的流动性，能避免焊缝上表面产生的沟槽缺陷。

4.本发明的方法采用的搅拌头，其搅拌头碗套端面为θ角的内凹面，能够有效将塑性金属包裹于焊缝内，避免材料外溢形成的飞边缺陷，能够实现无减薄焊缝成形。

附图说明

图1为本发明所采用的搅拌头实施例一的爆炸结构示意图。

图2为图1中搅拌头碗套的示意图。

图3为本发明实施例一实现单侧静止双轴肩搅拌摩擦焊时的装配示意图。

图4为本发明实施例一实现双侧旋转双轴肩搅拌摩擦焊时的装配示意图。

图5是本发明实施例二中搅拌头下轴肩和搅拌针配合后的示意图。

图6是本发明实施例三中搅拌头碗套的示意图，(a)为主视图，(b)为(a)图中的A-A剖视图。

图7是采用现有的搅拌头的焊缝表面形貌图和采用本发明实施例三的焊缝表面形貌图。

1-机器主轴外套，2-机器主轴，3-搅拌头转接套，4-顶紧螺钉，5-径向螺纹孔，6-搅拌头上轴肩，7-螺纹孔，8-搅拌头碗套，9-搅拌针，10-搅拌头下轴肩，11-搅拌头碗套顶紧平面，12-搅拌头碗套内底面，13-圆形通孔，14-渐开线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

实施例一：

如图1-2所示，本发明所采用的实现单侧静止与双侧旋转一体的双轴肩搅拌头，包括搅拌头转接套3、搅拌头上轴肩6、搅拌头碗套8、搅拌针9和搅拌头下轴肩10。

搅拌头转接套3用于将搅拌头碗套8的一端与机器主轴外套1相连；搅拌头转接套3为阶梯型套筒，其大端端面上沿轴向开设有与机器主轴外套1底座上螺纹孔相对应的轴向螺纹孔，其小端侧壁上沿径向开设有径向螺纹孔5；通过在大端端面的轴向螺纹孔中安装内六角螺栓将搅拌头转接套3的大端与机器主轴外套1相连接；通过在小端侧壁上的径向螺纹孔5内安装顶紧螺钉4将搅拌头转接套3的小端与搅拌头碗套8相连接。

搅拌头上轴肩6由H13工具钢制成，其一端设有螺纹孔7，另一端为螺杆，中部外壁上开设多个凹槽以增加搅拌头的散热性能；搅拌头上轴肩6同轴设置在搅拌头转接套3和搅拌头碗套8内，搅拌头上轴肩6具有螺纹孔7的端部伸入搅拌头碗套8内且端面与搅拌头碗套内底面12之间具有间隙以避免二者之间因摩擦生热而破坏搅拌头，优选的，所述间隙为1-2mm。搅拌头上轴肩6的螺杆端伸入搅拌头转接套3内与机器主轴2端部的螺纹孔螺纹连接，搅拌头上轴肩6的另一端与搅拌针9在螺纹孔7处螺纹连接。

上述机器主轴2同轴套设在机器主轴外套1内；机器主轴2和机器主轴外套1不属于本发明搅拌头的一部分，是搅拌摩擦焊机器的主轴和主轴外套。

搅拌头碗套8一端为中空锥体，另一端为中空圆柱体，中空圆柱体的外侧壁上加工有搅拌头碗套顶紧平面11；搅拌头碗套8的中空圆柱体插入搅拌头转接套3的小端后，调整使得搅拌头碗套顶紧平面11对准搅拌头转接套3小端侧壁上的径向螺纹孔5，在径向螺纹孔5内装入顶紧螺钉4，旋拧使得顶紧螺钉4紧密接触搅拌头碗套顶紧平面11，实现搅拌头碗套8与搅拌头转接套3的连接。在搅拌头碗套8的锥体端面上加工有用于搅拌针9通过的圆形通孔13，圆形通孔13的直径比搅拌针9的直径大0.1-0.5mm。

搅拌针9和搅拌头下轴肩10为一个整体件(在其他实施例中也可为分体件)，由H13工具钢制成，其中搅拌针9上半部分外侧壁加工有三角形螺纹，该三角形螺纹与搅拌头上轴肩6端部的螺纹孔7配合，实现搅拌头上轴肩6与搅拌针9的连接。

搅拌头下轴肩10的侧壁上加工有四个平面，方便在拧紧和拆卸搅拌针9时扳手卡位。

以下通过具体焊接实例说明采用本实施例的双轴肩搅拌头可以实现的两种焊接方法。

第一种：开展单侧轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊。

具体包括以下步骤：

步骤1，将两块尺寸为250×90×4mm的待焊接2024铝合金板对接布置固定于搅拌摩擦焊机器工作台上，并在对接面处用钻头加工一个通孔，该通孔的直径稍大于搅拌针9的直径。

步骤2，采用四个内六角M12的螺栓将搅拌头转接套3与机器主轴外套1相连接。

步骤3，将搅拌头上轴肩6与机器主轴2的螺纹孔相连接。

步骤4，将搅拌头碗套顶紧平面11与搅拌头转接套3上的径向螺纹孔5对齐，在径向螺纹孔5处安装M4的顶紧螺钉4将搅拌头碗套8与搅拌头转接套3相连接，并保证顶紧螺钉4的端部与搅拌头碗套顶紧平面11密切接触。

步骤5，移动搅拌摩擦焊机器主轴2，使搅拌头碗套8的端面与焊板上表面接触，并且使搅拌头碗套8端面上的圆形通孔13与步骤1中在两焊板对接面上加工的通孔重合。

步骤6，将搅拌针9上半部分的螺纹段依次穿过两焊板对接面处的通孔、搅拌头碗套8端面上的圆形通孔13后，拧入搅拌头上轴肩6端部的螺纹孔7，实现搅拌头上轴肩6与搅拌针9的连接。

步骤7，调整搅拌针9端部的三角形螺纹拧入搅拌头上轴肩6端部的螺纹孔7的深度，使搅拌头下轴肩10端面与搅拌头碗套8端面的距离为3.5-3.8mm，即比被焊板材厚度小0.2-0.5mm。

步骤8，启动搅拌摩擦焊设备，设定搅拌头旋转速度为100-1000rpm和焊接速度为10-1000mm/min，使搅拌针9沿焊板对接面移动直至完成整个焊接过程，在焊接期间，搅拌头下轴肩10和搅拌针9同向同速旋转，而搅拌头碗套8始终保持静止状态，实现单侧轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊接。

第二种：开展双侧旋转的双轴肩搅拌摩擦焊接。

具体包括以下步骤：

步骤1-3，与上述第一种单侧轴肩静止双轴肩搅拌摩擦焊中的步骤1-3相同。

步骤4，拧下顶紧螺钉4，将搅拌头碗套8与搅拌头转接套3分离，取下搅拌头碗套8。

步骤5，移动搅拌摩擦焊机器主轴2，使搅拌头上轴肩6端部的螺纹孔7与步骤1中在两焊板对接面上加工的通孔重合。

步骤6，将搅拌针9上半部分的螺纹段穿过两焊板对接面处的通孔后，拧入搅拌头上轴肩6端部的螺纹孔7内，实现搅拌头上轴肩6与搅拌针9的连接。

步骤7，调整搅拌针9端部的三角形螺纹拧入搅拌头上轴肩6端部的螺纹孔7的深度，使搅拌头下轴肩10端面与搅拌头上轴肩6端面的距离为3.5-3.8mm，即比被焊接板材厚度小0.2-0.5mm。

步骤8，启动搅拌摩擦焊设备，设定搅拌头旋转速度为100-1000rpm和焊接速度为10-1000mm/min，使搅拌针9沿焊板对接面移动直至完成整个焊接过程，在焊接期间，搅拌头下轴肩10、搅拌针9和搅拌头上轴肩6同向同速旋转，实现双侧旋转的双轴肩搅拌摩擦焊接。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别仅在于：本实施例所采用的搅拌头中，在搅拌头下轴肩10面向搅拌针9的端面上均匀加工有6条渐开线14(一般2-8条为宜)。渐开线14能增加搅拌头下轴肩10附近热塑性材料向搅拌针的流动性，避免焊缝上表面产生的沟槽缺陷。

实施例三：

本实施例与实施例二的区别仅在于：本实施例所采用的搅拌头中，在搅拌头碗套8的锥状端部设有内凹面，以将塑性金属包裹于焊缝内，避免材料外溢形成的飞边缺陷，实现无减薄焊缝成形；考虑到若内凹面的内凹角θ过大，会使得内凹面与板材之间的空腔过大，造成材料向空腔内聚集，进而引起板材下表面因材料缺失而向上下凹，影响焊接成形效果，因此优选内凹角θ为1°-10°，以在不影响成形的情况下，让材料少量聚集在空腔内，同时伴随搅拌头前移，在上表面形成碾压效应，增加焊板上表面光洁度。

上述实施例二和三实现两种焊接方式的操作过程与实施例一相同，不再赘述，但是实施例二和三的焊接质量要优于实施例一。

Claims (8)

1.基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述搅拌头工具包括搅拌头转接套、搅拌头上轴肩、搅拌头碗套、搅拌针和搅拌头下轴肩；搅拌头转接套用于将搅拌头碗套的一端与机器主轴外套相连；搅拌头上轴肩的一端伸入所述搅拌头转接套后与机器主轴对接，另一端伸入所述搅拌头碗套后与插入所述搅拌头碗套内的所述搅拌针的一端对接；所述搅拌针的另一端与所述搅拌头下轴肩相连；

基于所述搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法为：

第一种，开展单侧轴肩静止的双轴肩搅拌摩擦焊：

步骤1.1，将两块待焊接板材对接布置固定于搅拌摩擦焊机器工作台上，并在对接面处用钻头加工一个用于所述搅拌针穿过的通孔；

步骤1.2，将所述搅拌头转接套与机器主轴外套连接，将所述搅拌头上轴肩与机器主轴连接，将搅拌头碗套与搅拌头转接套连接；

步骤1.3，移动搅拌摩擦焊机器主轴，使所述搅拌头碗套的端面与焊板上表面接触，且使搅拌头碗套端面上用于插入搅拌针的通孔与步骤1中在两焊板对接面上加工的所述通孔重合；

步骤1.4，将搅拌针上段依次穿过两焊板对接面处的通孔、搅拌头碗套端面上用于插入搅拌针的通孔后，拧入搅拌头上轴肩与其连接；

步骤1.5，调整搅拌针端部拧入搅拌头上轴肩的深度，使搅拌头下轴肩端面与搅拌头碗套端面的距离比被焊板材厚度小；

步骤1.6，启动搅拌摩擦焊设备，设定搅拌头旋转速度，然后使搅拌针沿焊板对接面移动直至完成整个焊接过程；

第二种，开展双侧旋转的双轴肩搅拌摩擦焊接：

步骤2.1，将两块待焊接板材对接布置固定于搅拌摩擦焊机器工作台上，并在对接面处用钻头加工一个用于所述搅拌针穿过的通孔；

步骤2.2，将所述搅拌头转接套与机器主轴外套连接，将所述搅拌头上轴肩与机器主轴连接；

步骤2.3，将搅拌头碗套与搅拌头转接套分离，取下搅拌头碗套；

步骤2.4，移动搅拌摩擦焊机器主轴，使搅拌头上轴肩端部用于容纳搅拌针的孔与步骤1中在两焊板对接面上加工的通孔重合；

步骤2.5，将搅拌针上段穿过两焊板对接面处的通孔后，拧入搅拌头上轴肩6与其连接；

步骤2.6，调整搅拌针端部拧入搅拌头上轴肩的深度，使搅拌头下轴肩端面与搅拌头上轴肩端面的距离比被焊接板材厚度小；

步骤2.7，启动搅拌摩擦焊设备，设定搅拌头旋转速度和焊接速度，然后使搅拌针沿焊板对接面移动直至完成整个焊接过程。

2.根据权利要求1所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述步骤1.5和2.6中，使搅拌头下轴肩端面与搅拌头碗套端面的距离比被焊板材厚度小0.2-0.5mm。

3.根据权利要求1所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述步骤1.6和2.7中，设定的搅拌头旋转速度为100-1000rpm和焊接速度为10-1000mm/min。

4.根据权利要求1所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述搅拌头下轴肩面向搅拌针的端面上加工有渐开线。

5.根据权利要求4所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述搅拌头碗套靠近所述搅拌头下轴肩的端部为锥状，且锥状端部设有内凹面。

6.根据权利要求5所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述内凹面的内凹角为1°-10°。

7.根据权利要求6所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述搅拌头上轴肩的中部侧壁开设有用于散热的凹槽。

8.根据权利要求7所述的基于一套搅拌头工具实现两种模式搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述搅拌头上轴肩伸入所述搅拌头碗套的端部的端面距离搅拌头碗套内底面1-2mm。

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