CN116100141B - 一种焊接用搅拌针 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种焊接用搅拌针，所述搅拌针适用于包含压紧套的回填式搅拌摩擦点焊设备，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动。该搅拌针能显著提高焊接处材料的力学性能。

Description

一种焊接用搅拌针
技术领域
本发明属于加工制造领域，尤其涉及一种用于回填式搅拌摩擦点焊的搅拌针。
背景技术
随着社会对节能环保的日益重视，轻量化设计成为了航空航天、汽车、动车等工业领域的研究热点和发展方向。采用轻金属合金（如铝合金、镁合金）代替传统的钢材料是实现轻量化的有效措施。传统的点连接方法（如电阻点焊、铆接）存在焊接质量不佳、消耗能源多以及构件增重等缺点，制约了轻合金在工业领域的应用。因此，现有技术中采用搅拌摩擦点焊用于轻合金点焊。
搅拌摩擦点焊技术是在搅拌摩擦焊技术的基础上衍生而来的一种适用于轻金属合金连接的新型的固相点焊技术。采用搅拌摩擦点焊技术可以形成类似电阻点焊和铆接的搭接接头，并且具有接头质量高，焊接质量稳定，变形小以及高效节能等优点。但是，对于现有技术中采用的搅拌摩擦点焊而言，由于搅拌针外圆部分线速度较大，但搅拌针中心区域的线速速度小，甚至为零。这将造成工件与搅拌针边缘区域接触的部分所受摩擦力大，温度高；搅拌针中心区域接触的部分所受摩擦力小，温度低。因此容易在焊点中心残留一个匙孔，这会影响焊点的力学性能和外观。同时，受搅拌针的特殊结构和运动方式的限制，焊点中心的材料流动速度往往较低，从而导致晶粒较粗大、连接韧带与母材混合不充分等现象。
发明内容
为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种搅拌针，尤其是用于回填式搅拌摩擦点焊的搅拌针，该搅拌针可以用于制备无匙孔、力学性能更佳的搭接接头。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种焊接用搅拌针，所述搅拌针适用于包含压紧套的回填式搅拌摩擦点焊设备，所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动。
优选地，所述工作段底部具备工作表面，在所述工作表面上设置有若干第一引导凹槽，所述第一引导凹槽与所述容纳槽之间一一对应设置，并且所述第一引导凹槽与所述容纳槽之间设置有引导面。
优选地，在所述工作表面上还设置有若干第二引导凹槽，所述第二引导凹槽靠近所述勒洛三角形的尖端设置。
优选地，所述容纳槽的宽度W与所述工作段的外周面宽度L之比为0.25~0.3；所述容纳槽的深度D与所述容纳槽的宽度W之比为0.4~0.5，且所述容纳槽的底部距离所述工作段中心的距离S与所述容纳槽的深度D之比大于等于2。
优选地，所述第一引导凹槽的宽度H与所述容纳槽的宽度W之比小于等于0.25；所述第二引导凹槽距离所述勒洛三角形尖端的距离M与所述工作段的外周面宽度L之比大于等于0.1。
优选地，所述容纳槽设置为：在所述工作段的每个外周面上，沿轴向并排设置有多个所述容纳槽，其中每个所述容纳槽的深度D1与其宽度W1之比为0.3~0.4；所述勒洛三角形尖端距离与其最近的所述容纳槽的长度N与所述容纳槽的宽度W1之比为0.45~0.55；相邻的两个所述容纳槽的中心距P与所述容纳槽的宽度W1之比大于等于1.5。
优选地，所有所述容纳槽的截面面积之和与所述工作段的截面面积之比小于等于5%。
优选地，所述容纳槽设置为：所述容纳槽相对于所述工作段的轴线倾斜设置，并且所述容纳槽与所述工作段底部的工作表面之间的夹角θ设置为70°~80°；所述容纳槽与所述工作表面之间还设置有引导面，且所述引导面与所述勒洛三角形尖端相交；单个所述容纳槽的横截面积Sr设置为：
Sr≥(h×Sp)/Le
其中，Sr为单个所述容纳槽的横截面积；h为焊接时搅拌针的最大进给量；Sp为所述方孔的横截面积；Le为所述工作段的长度。
与现有技术相比，本发明提供的一种焊接用搅拌针具备如下有益的技术效果：
1、本发明提供了一种用于回填式搅拌摩擦点焊的搅拌针，由于搅拌针工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，因此当驱动搅拌针在方孔内转动时，搅拌针的中心做偏心旋转运动。避免了中心处旋转速度小，甚至为零的情况，使得焊接区域的工件温度更为均匀，显著提高了焊接处材料的力学性能。同时，在工作段上设置有若干容纳槽，为焊接过程中的焊接材料提供了容纳空间。当搅拌针在压紧套内做偏心旋转运动时，容纳槽能够容纳因搅拌针偏心旋转运动而被挤出的焊接材料，保证了焊接过程安全。
2、在提供的一种优选的搅拌针实施方式中，通过在搅拌针的工作表面设置与容纳槽连通的第一引导凹槽，以及在靠近勒洛三角形的尖端设置的第二引导凹槽，保证了焊接过程的安全可靠。同时，设置特定尺寸的容纳槽与引导凹槽，在保证了工作表面具备足够的工作面积参与摩擦焊接的同时，还能使得焊接材料能够有效流动至容纳槽，保证焊接过程安全可靠。
3、在提供的另一优选的搅拌针实施方式中，通过在工作段的每个外周面上均匀设置多个小型的容纳槽，从而保证了该容纳槽能够有效容纳焊接材料，避免出现极端工况。同时，使所有容纳槽的截面面积之和与工作段的截面面积之比小于等于5%，由此能够保证工作段有足够的面积参与摩擦焊接，有效提高了摩擦焊接效率。
4、在提供的又一优选的搅拌针实施方式中，提供了一种容易简单制造的搅拌针，该搅拌针通过将容纳槽相对于工作段的轴线倾斜设置，并且容纳槽底部与勒洛三角形尖端相交，因此能够有效地将焊接材料引导至该容纳槽中，保证了焊接过程安全可靠。此外，本实施例中对于单个容纳槽横截面积、工作段的长度等参数的限定，使得单个容纳槽即可容纳焊接过程中产生的焊接材料，保证在极端工况下焊接过程的安全可靠。
附图说明
图1为一种回填式搅拌摩擦点焊设备的结构示意图；
图2为一种回填式搅拌摩擦点焊设备的俯视图；
图3为搅拌针的第一种实施方式的结构示意图；
图4为搅拌针的第一种实施方式的侧视图；
图5为搅拌针的第二种实施方式的结构示意图；
图6为图5中A处的放大示意图；
图7为搅拌针的第三种实施方式的结构示意图；
图8为搅拌针的第三种实施方式的侧视图。
其中，图中标注符号的含义如下：
1、搅拌针；2、压紧套；3、工件上板；4、工件下板；11、工作段；12、传动段；13、第一容纳槽；14、工作表面；15、第一引导面；16、第一引导凹槽；17、第二引导凹槽；21、方孔；23、第二容纳槽；25、第二引导面；33、第三容纳槽。
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，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
因此，以下对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部分实施例。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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征和技术方案可以相互组合。
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，术语“上”、“下”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，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，这类术语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，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。
实施例一
如附图1-附图4所示，本发明提供了一种焊接用搅拌针，该搅拌针1转动安装在压紧套2内；其中，该搅拌针1包括用于摩擦焊接的工作段11和用于传递旋转动力的传动段12，传动段12与驱动装置（图中未示出）传动连接，工作段11与待焊接工件抵接；工作段11的外周面截面形状为勒洛三角形，沿工作段11的外周面轴向设置有若干第一容纳槽13；压紧套2与待焊接工件抵接，其内设置有与工作段11的外周面适配的方孔21，搅拌针1在该方孔21内做偏心旋转运动。
工作时，驱动装置驱使压紧套2抵靠在工件上板3表面且保持固定不动，此后，带动搅拌针1在工件上板3表面旋转，利用搅拌针1与工件上板3摩擦产生的热量使材料达到热塑性状态，然后控制搅拌针1在旋转运动的同时进行轴向运动，使热塑性材料在机械力作用下发生塑性变形，将工件上板3和工件下板4之间原始的搭接界面充分混合均匀，并在搅拌针1回撤的同时填充在焊接过程中形成的退让空间，从而形成无匙孔的焊点。
现有技术中，搅拌针外圆部分线速度较大，但搅拌针中心区域线速度小，甚至为零。这将造成工件与搅拌针边缘区域接触的部分所受摩擦力大，温度高；搅拌针中心区域接触的部分所受摩擦力小，温度低。工件不同部位温度差异较大将明显降低焊点处的力学性能。为此，本发明提供了上述用于回填式搅拌摩擦点焊的搅拌针，由于搅拌针工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，因此当驱动搅拌针在方孔内转动时，搅拌针的中心做偏心旋转运动。避免了中心处旋转速度小，甚至为零的情况，使得焊接区域的工件温度更为均匀，显著提高了焊接处材料的力学性能。同时，在工作段上设置有若干容纳槽，为焊接过程中的焊接材料提供了容纳空间。当搅拌针在压紧套内做偏心旋转运动时，容纳槽能够容纳因搅拌针偏心旋转运动而被挤出的焊接材料，保证了焊接过程安全。
实施例二
工作段11底部具备工作表面14，在工作表面14上设置有若干第一引导凹槽16，第一引导凹槽16与第一容纳槽13之间一一对应设置，并将若干第一容纳槽13彼此连通，第一引导凹槽16与第一容纳槽13之间设置有第一引导面15。在工作表面14上还设置有若干第二引导凹槽17，第二引导凹槽17靠近勒洛三角形的尖端设置。
为了保证在摩擦焊接的过程中，焊接位置的材料能够有效流动至工作段的容纳槽处，在搅拌针的工作表面设置与容纳槽连通的第一引导凹槽，以及在靠近勒洛三角形的尖端设置的第二引导凹槽，保证了焊接过程的安全可靠。
优选地，第一容纳槽13的宽度W与工作段11的外周面宽度L之比为0.25~0.3；第一容纳槽13的深度D与第一容纳槽13的宽度W之比为0.4~0.5，且第一容纳槽13的底部距离工作段11中心的距离S与第一容纳槽13的深度D之比大于等于2；第一引导凹槽16的宽度H与第一容纳槽13的宽度W之比小于等于0.25；第二引导凹槽17距离勒洛三角形尖端的距离M与工作段11的外周面宽度L之比大于等于0.1。
根据上述优选实施方式，在保证了工作表面具备足够的工作面积参与摩擦焊接的同时，还能使得焊接材料能够有效流动至容纳槽，保证焊接过程安全可靠。
实施例三
前面实施方式中提供的搅拌针能够使焊接材料能够有效流动至容纳槽，保证焊接过程安全可靠，同时加工制造也相对简单。但是，设置的容纳槽靠近勒洛三角形外周面的中部，无法高效容纳焊接过程中产生的焊接材料。另外，为了保证容纳槽能够容纳较多的焊接材料，容纳槽截面尺寸一般较大，不利于提高摩擦焊接效率。针对此，本实施例提供如下优选实施方式。
参见附图5-附图6中所示，在工作段11的每个外周面上，沿轴向并排设置有多个第二容纳槽23，其中每个第二容纳槽23的深度D1与其宽度W1之比为0.3~0.4；勒洛三角形尖端距离与其最近的第二容纳槽23的长度N与第二容纳槽23的宽度W1之比为0.45~0.55；相邻的两个第二容纳槽23的中心距P与第二容纳槽23的宽度W1之比大于等于1.5；所有第二容纳槽23的截面面积之和与工作段11的截面面积之比小于等于5%。
根据上述实施方式，通过在工作段的每个外周面上均匀设置多个小型的容纳槽，从而保证了该容纳槽能够有效容纳焊接材料，避免出现极端工况。同时，使所有容纳槽的截面面积之和与工作段的截面面积之比小于等于5%，由此能够保证工作段能充分参与摩擦焊接，有效提高了摩擦焊接效率。
实施例四
该实施例提供了另一种优选的搅拌针的实施方式。参见附图7-附图8所示。第三容纳槽33相对于工作段11的轴线倾斜设置，并且第三容纳槽33与工作表面14之间的夹角θ设置为70°~80°；第三容纳槽33与工作表面14之间还设置有第二引导面25，且第二引导面25与勒洛三角形尖端相交；单个第三容纳槽33的横截面积Sr设置为：
Sr≥(h×Sp)/Le
其中，Sr为单个第三容纳槽33的横截面积；h为焊接时搅拌针的最大进给量；Sp为方孔21的横截面积；Le为工作段的长度。
在该实施方式中，提供了一种容易简单制造的搅拌针，该搅拌针通过将容纳槽相对于工作段的轴线倾斜设置，并且容纳槽底部与勒洛三角形尖端相交，因此能够有效地将焊接材料引导至该容纳槽中，保证了焊接过程安全可靠。此外，本实施例中对于单个容纳槽横截面积、工作段的长度等参数的限定，使得单个容纳槽即可容纳焊接过程中产生的焊接材料，保证在极端工况下焊接过程的安全可靠。
以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种焊接用搅拌针，所述搅拌针适用于包含压紧套的回填式搅拌摩擦点焊设备，其特征在于：所述搅拌针转动安装在所述压紧套内；其中，所述搅拌针包括用于摩擦焊接的工作段和用于传递旋转动力的传动段，所述传动段与驱动装置传动连接，所述工作段与待焊接工件抵接；所述工作段的外周面截面形状为勒洛三角形，沿所述工作段的外周面轴向设置有若干容纳槽；所述压紧套与所述待焊接工件抵接，所述压紧套内设置有与所述工作段的外周面适配的方孔，所述搅拌针在所述方孔内做偏心旋转运动；
其中，所述工作段以如下三种方式中任意一种设置：
第一设置方式为：所述工作段底部具备工作表面，在所述工作表面上设置有若干第一引导凹槽，所述第一引导凹槽与所述容纳槽之间一一对应设置，并且所述第一引导凹槽与所述容纳槽之间设置有引导面；
第二设置方式为：在所述工作段的每个外周面上，沿轴向并排设置有多个所述容纳槽，其中每个所述容纳槽的深度D1与其宽度W1之比为0.3~0.4；所述勒洛三角形尖端距离与其最近的所述容纳槽的长度N与所述容纳槽的宽度W1之比为0.45~0.55；相邻的两个所述容纳槽的中心距P与所述容纳槽的宽度W1之比大于等于1.5；
第三设置方式为：所述容纳槽相对于所述工作段的轴线倾斜设置，并且所述容纳槽与所述工作段底部的工作表面之间的夹角θ设置为70°~80°；所述容纳槽与所述工作表面之间还设置有引导面，且所述引导面与所述勒洛三角形尖端相交；单个所述容纳槽的横截面积Sr设置为：
Sr≥(h×Sp)/Le
其中，Sr为单个所述容纳槽的横截面积；h为焊接时搅拌针的最大进给量；Sp为所述方孔的横截面积；Le为所述工作段的长度。
2.如权利要求1所述的搅拌针，其特征在于：所述第一设置方式中，在所述工作表面上还设置有若干第二引导凹槽，所述第二引导凹槽靠近所述勒洛三角形的尖端设置。
3.如权利要求2所述的搅拌针，其特征在于：所述第一设置方式中，所述容纳槽的宽度W与所述工作段的外周面宽度L之比为0.25~0.3；所述容纳槽的深度D与所述容纳槽的宽度W之比为0.4~0.5，且所述容纳槽的底部距离所述工作段中心的距离S与所述容纳槽的深度D之比大于等于2。
4.如权利要求3所述的搅拌针，其特征在于：所述第一设置方式中，所述第一引导凹槽的宽度H与所述容纳槽的宽度W之比小于等于0.25；所述第二引导凹槽距离所述勒洛三角形尖端的距离M与所述工作段的外周面宽度L之比大于等于0.1。
5.如权利要求1所述的搅拌针，其特征在于，所述第二设置方式中，所有所述容纳槽的截面面积之和与所述工作段的截面面积之比小于等于5%。
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基于焊接热模拟的工程机械用高强钢热影响区组织和力学性能研究;王青春等;热加工工艺(第03期);204-207 *
搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝截面形貌的影响;柯黎明等;焊接学报(第05期);33-37 *

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