CN115582616A - 一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头 - Google Patents

Abstract

一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，它包括弹簧（1）、基体轴肩（4）、套筒（5）及与其一体连接部件（6）；所述弹簧（1）置于套筒（5）内部；所述基体轴肩（4）由高度不同的左轴肩（7）、右轴肩（9）拼接而成，拼接结合面形成有供搅拌针（3）通过的孔径相配的出针孔（8）；左轴肩（7）、右轴肩（9）的上部插入对应套筒（5）中并与对应弹簧（1）相抵使其产生预变形，所述的套筒（5）中设有防止对应左轴肩（7）、右轴肩（9）滑出的限位凸台；套筒（5）通过连接部件（6）与搅拌主轴非旋转部分（10）固定相连。本发明成型良好，质量良好。显著提升了搅拌摩擦焊在实际焊接中的实用性。

Description

一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接技术，尤其是一种搅拌摩擦焊接用搅拌头技术，具体地说是一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊是采用一种主要由轴肩和搅拌针所组成的可转动的搅拌头来进行焊接的一种新型固相连接技术。自英国焊接研究所（The Welding Institute）1991年发明以来，搅拌摩擦焊接技术已被广泛用。通常在对待焊工件利用搅拌摩擦焊接技术进行焊接时，所要求的是左右待焊工件厚度相近然后再进行焊接操作。但在实际的工程应用中，存在所要连接的工件在厚度、形状等方面不甚相似的情况。对于这种左右不对称工件的焊接给搅拌摩擦焊技术的应用带来了一定的局限性。

在进行此种左右不对称工件的焊接时，专利CN106392298A所述，需将相应板材进行压弯及打磨处理，使其左右待焊工件在焊接界面处等厚再进行焊接操作。及专利CN110548985A所述，需进行两次焊接才能完成操作，这一定程度上复杂了搅拌摩擦焊接过程，降低了焊接效率。又如专利CN109483044A所述，其利用微分思想将传统静轴肩细分为多个通过液压或气压可上下运动的部分，以此贴合待焊工件表面。此项技术在现在搅拌摩擦焊接设备基础上增加了液压和气压系统，系统较为复杂且可靠性低。

其次，即使左右待焊工件在焊接界面处等厚但为不规则材料时，若用常规的搅拌头进行焊接则会产生很多问题，如：一侧工件与轴肩不完全接触，焊接接头产生大量飞边且成型不良、进而影响接头力学性能等。

为了在一定程度上解决搅拌摩擦焊接技术在焊接上述不对称工件时所遇到的问题，本专利针提出了一种全新的搅拌摩擦焊接设备搅拌头。

发明内容

本发明的目的是针对现有不同厚度板材搅拌摩擦焊成型复杂，可靠性差的问题：设计一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头。

本发明的技术方案是：

一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，它包括弹簧1、基体轴肩4、套筒5及与其一体的带有若干个螺纹通孔的连接部件6；所述弹簧1置于套筒5内部；所述基体轴肩4由高度不同的左轴肩7、右轴肩9拼接而成，拼接结合面形成有供搅拌针3通过的孔径相配的出针孔8，左轴肩7和/或右轴肩9下表面的倾角能随被焊接连接工作表面的倾角变化而变化；左轴肩7、右轴肩9的上部插入对应套筒（5）中并与对应弹簧1相抵使其产生预变形，所述的套筒5中设有防止对应左轴肩7、右轴肩9滑出的限位凸台；套筒5通过连接部件6与搅拌主轴非旋转部分10固定相连；基体轴肩4上表面与搅拌主轴非旋转部分10下表面之间形成有供基体轴肩4上移的空间2；所述弹簧1、基体轴肩4、套筒5、连接部件6相互安装配合组成搅拌头外部轴肩。

所述弹簧置于套筒中，其两端分别连接套筒内上端及基体轴肩。

所述套筒下端内周有向内凸的部分，起限位作用。

所述一完整轴肩内部的弹簧是处于压缩状态。

所述轴肩下端面是以待焊工件表面为参照，较水平面的倾角α的取值范围为0◦~±85◦。

所述连接部件6上的螺纹通孔为二个或以上，成纵向等距分布，搅拌主轴非旋转部分（10）上有位置与其相对应的螺孔。

所述置于套筒中的基体轴肩上部分外壁与套筒内壁之间间隙为0.01~0.05mm。

所述连接部件6上的各螺纹通孔间距为0~10mm。

所述出针孔8的孔径与搅拌针3的直径之差为0.001~0.05mm。

本发明的有益效果是：

1.本发明的搅拌头在进行左右不对称工件焊接时，无需对焊接工件事先进行加工操作，待焊工件高度差由弹簧1形变补偿，使轴肩在焊接过程中依旧紧贴工件表面。简化了左右不对称工件的搅拌摩擦焊接过程。

2.由于基体轴肩4端面可依据左右不对称工件自身参数设计而成，在焊接过程中轴肩是贴实工件焊接表面的，焊接结束后接头形状大致不变，成型良好，质量良好。显著提升了搅拌摩擦焊在实际焊接中的实用性。

附图说明

图1是本发明的轴肩搅拌头示意图。其中：a图为整体结构示意图，b图为基体轴肩的结构示意图，c图为基体轴肩左右压板的仰视图，d图为连接部件6的左视结构示意图。

图2是本发明的左右不对称同为板材工件焊接示意图。其中：a图为搅拌针下移前的状态示意图；b图为搅拌针下压到位的示意图；c图为左右基体轴肩变形时各部分之间的尺寸关系示意图。

图3是本发明左右不对称非同为板材工件焊接示意图。其中：a图为工件为斜面时，基体轴肩也为斜面的结构示意图，b图为搅拌针工作状态时的结构示意图；c图为工作状态时各部分尺寸关系示意图。

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说明。附图均为简化的示意图，仅通过示意的方式来阐明本发明的一个基本构成，因此其仅显示与本发明有关的构成。同时实施例的描述仅为进一步阐明本专利的特征，不作为对本发明权利要求的限制。

如图1所示。

一种焊接左右不对称工件的轴肩搅拌头，包括中弹簧1、基体轴肩4、套筒5及与其一体的带有若干个螺纹通孔（可调整通孔位置调节轴肩安装高度）的连接部件6（图1d）。所述弹簧1置于套筒5中，其两端分别固定连接基体轴肩4与套筒5（如图1b所示），三者组合成轴肩b。轴肩b通过连接部件6与搅拌主轴非旋转部分10用螺丝固定。套筒5下端内周设有向套筒内凸起的部分（图1b所示）以使得基体轴肩4在其下端未受力作用时弹簧1属于压缩状态（图1a所示，左右轴肩已固定安装至搅拌主轴非旋转部分，在基体轴肩4下端面未接触下方待焊工件时，由于套筒5下端内周的凸起部分的限位作用，使得装配完成的轴肩b内弹簧1处于压缩状态，同时使得基体轴肩4自身重力不作用于弹簧1上）。图1c中8即是左右轴肩装配完成后搅拌针3焊接时伸出的出针孔。在未进行焊接时，所述基体轴肩4端面最低点与搅拌针3端面相平（图1a），当进行焊接时，其受到相应压力则可使弹簧1再度发生形变（图2b左右轴肩受力不一，基体轴肩4上升不一即弹簧1再度压缩长度不一），相应压力消失弹簧1则恢复原状（处于套筒5内部基体轴肩4的部分即回到下端限位处），进而基体轴肩4可在套筒5中上下运动。图1中2则是所述基体轴肩4在进行上下运动时的空间。图1c是本发明轴肩搅拌头（图1a）两侧轴肩b的下端面图。在进行焊接左右不对称待焊工件时：

具体来说：如图2a所示，左右不对称待焊工件同为板材且轴肩端面与搅拌针相平。当搅拌针在轴线正对焊缝中心插入焊接时（图2b），由于弹簧一开始就处于压缩状态，轴肩端面一接触待焊工件即给工件一个向下的压力。随着搅拌针完全插入工件（图2b），左右轴肩b由于待焊工件存在高度差，两侧端面所受压力不一致导致左右弹簧1形变不一，基体轴肩b则上升高度不一致（ 图2c） ，由于再度被压缩的弹簧1所具备的弹力进而能给基体轴肩b一个向下的压力。在插入至焊接的整个过程中由于始终存在压力，则使得轴肩b紧贴工件表面。

具体来说：如图3a所示，左右不对称待焊工件不同为板材且焊缝处厚度不同（属于上述左右待焊工件同为板材的特殊情况）。所述基体轴肩4的端面可针对左右待焊工件的尺寸，倾角、形状进行设计使得搅拌针3在轴线正对焊缝中心插入焊接时（图3b），左右基体轴肩4底部可契合待焊接工件表面。即测出图3a左待焊工件表面的倾角α，使得左侧轴肩b底部与水平面的倾角同为α（图3c）。当搅拌针在轴线正对焊缝中心插入焊接时（图3b），即可使得搅拌头两侧轴肩（图1b）的底部分别对应紧贴着左右不对称待焊工件的表面，紧贴原由如上所述。

可选地，所述弹簧置于套筒中，其两端分别连接套筒内上端及基体轴肩。

可选地，所述套筒下端内周有向内凸的部分，起限位作用。

可选地，所述一完整轴肩内部的弹簧是处于压缩状态。

可选地，所述轴肩下端面以待焊工件表面为参照较水平面的倾角α的取值范围为0◦~±85◦。

可选地，所述部件6上的螺纹通孔为若干个（图1d），成纵向等距分布，搅拌主轴非旋转部分上有位置与其相对应的螺孔。

可选的，所述置于套筒中的基体轴肩上部分外壁与套筒内壁之间间隙为0.01~0.05mm。

可选地，所述部件6上的各通孔间距为0~10mm。

可选地，所述出针孔8的孔径与搅拌针的直径之差为0~0.05mm。

实例一。

如图2所示。

选择厚度分别为h=3mm、h1=8mm的镁板和铝板进行焊接操作，两板材对接方式如图2a所示。已知两待焊工件板厚及对接方式，则当搅拌针在轴线正对焊缝中心插入焊接时（图2b），搅拌针底部距离焊缝顶部0.2mm。由于左右待焊工件存在高度差则左右弹簧1形变不一（图2c），左侧弹簧受到压缩形变2.7mm则基体轴肩在套筒内向上移动I=2.7mm，右侧弹簧受到压缩形变7.7mm则基体轴肩在套筒内向上移动I1=7.7mm，左右侧轴肩分别压实左右待焊工件。焊接时以搅拌头转速900rpm,焊接速度为50 mm/min进行焊接。焊接结束，由于搅拌头两侧静轴肩完全贴实焊接工件表面，因此焊接接头的形状与开始焊接前对接形状（即图2a所示焊接前工件对接形状）大致相同。

实例二。

如图3.

选择厚度H1=10mm的铝板以及在焊缝处与铝板等厚的待焊镁材，镁材的斜面与水平的倾角α=15◦。两者对接方式如图3a所示。为使左侧基体轴肩底部在焊接时与左侧镁材斜面完全贴合则基体轴肩底部与水平的倾角α=15◦。测量计算的H=7mm，当搅拌针在轴线正对焊缝中心插入焊接时（图3b），搅拌针顶部距离焊缝底部0.2mm，由于左右待焊工件存在高度差则左右弹簧1形变不一（图3c），左侧弹簧受到压缩形变6.7mm则基体轴肩在套筒内向上移动L=6.7mm，右侧弹簧受到压缩形变9.7mm则基体轴肩在套筒内向上移动L1=9.7mm，左右侧轴肩分别压实左右待焊工件，以搅拌头转速1000rpm,焊接速度为60 mm/min进行焊接。焊接结束，由于搅拌头两侧静轴肩完全贴实焊接工件表面，因此焊接接头的形状与开始焊接前对接形状（即图3a所示）大致相同。

以上所述仅仅是本专利的相关实施方式，应当指出：通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不脱离本专利原理的前提下，作出若干种改进及润饰，这些改进和润饰也应当视为本专利的保护范围。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，它包括弹簧（1）、基体轴肩（4）、套筒（5）及与其一体的带有若干个螺纹通孔的连接部件（6）；所述弹簧（1）置于套筒（5）内部；所述基体轴肩（4）由高度不同的左轴肩（7）、右轴肩（9）拼接而成，拼接结合面形成有供搅拌针（3）通过的孔径相配的出针孔（8），左轴肩（7）和/或右轴肩（9）下表面的倾角能随被焊接连接工作表面的倾角变化而变化；左轴肩（7）、右轴肩（9）的上部插入对应套筒（5）中并与对应弹簧（1）相抵使其产生预变形，所述的套筒（5）中设有防止对应左轴肩（7）、右轴肩（9）滑出的限位凸台；套筒（5）通过连接部件（6）与搅拌主轴非旋转部分（10）固定相连；基体轴肩（4）上表面与搅拌主轴非旋转部分（10）下表面之间形成有供基体轴肩（4）上移的空间（2），所述弹簧（1）、基体轴肩（4）、套筒（5）、连接部件（6）相互安装配合组成搅拌头外部轴肩。

2.根据权利要求1所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述弹簧置于套筒中，其两端分别连接套筒内上端及基体轴肩。

3.根据权利要求1所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述套筒下端内周有向内凸的部分，起限位作用。

4.根据权利要求2所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述一完整轴肩内部的弹簧是处于压缩状态。

5.根据权利要求1所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述轴肩下端面是以待焊工件表面为参照，较水平面的倾角α的取值范围为0◦~±85◦。

6.根据权利要求1所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述连接部件（6）上的螺纹通孔为二个或以上，成纵向等距分布，搅拌主轴非旋转部分（10）上有位置与其相对应的螺孔。

7.根据权利要求1所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述置于套筒中的基体轴肩上部分外壁与套筒内壁之间间隙为0.01~0.05mm。

8.根据权利要求6所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述连接部件（6）上的各螺纹通孔间距为0~10mm。

9.根据权利要求1所述的焊接左右不对称工件的搅拌摩擦焊轴肩搅拌头，其特征在于，所述出针孔（8）的孔径与搅拌针（3）的直径之差为0.001~0.05mm。

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