CN117381137A - 面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针 - Google Patents

Abstract

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有‑无序强流搅拌针，所述搅拌针包括搅拌针上部、搅拌针中部和搅拌针下部，所述搅拌针上部、搅拌针中部和搅拌针下部依次连接，所述搅拌针上部为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部为上宽下窄的倒锥台结构；所述搅拌针中部顶部与搅拌针上部底部直径一致，搅拌针中部底部与搅拌针下部顶部直径一致，所述搅拌针上部和搅拌针下部外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，所述搅拌针中部外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽，本发明搅拌针能够增强原始搭接界面附近的材料强烈混合且不形成“材料集聚区”，改善焊核区内外的搭接界面结构特征，实现高强度、高稳定性的焊接。

Description

面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相焊技术，在航空、航天、船舶、汽车、列车等制造领域有着重要应用。在焊接过程中，由轴肩与搅拌针组成的搅拌头通过与待焊材料摩擦产热来塑化材料，并驱动塑化材料流动混合，从而在轴肩的顶锻作用下实现待焊材料的连接。因此，搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心，其结构设计是影响焊接质量的关键因素。

在传统搅拌摩擦搭接焊过程中，通常采用锥形螺纹搅拌针来实现并促进材料向下流动，进而实现待焊材料的连接并避免焊缝内孔洞缺陷的产生。搅拌摩擦搭接焊时，扎入下板的单一螺纹旋向搅拌针使得大量材料“相对有序”向下流动，在搅拌针尖部集聚并形成“材料集聚区”。“材料集聚区”会挤压下板热机影响区的材料向上迁移，使焊核区外的搭接界面(由上板下表面与下板上表面组成)向上弯曲。同时，在焊接过程中，焊核内的材料在轴肩作用下由前进侧向后退侧迁移，并由后退侧流向前进侧从而填充搅拌针经过后留下的瞬时空腔；填充瞬时空腔的材料在轴肩作用下向下流动并挤压搭接界面，使焊核内部分界面形成向下弯曲的形貌。因此，在前进侧，仅在焊核区之外向存在上弯曲的搭接界面，称之为钩状结构；在后退侧，部分存在于焊核之内的搭接界面整体呈现先上弯并延伸入焊核后向下弯的形态，称之为冷搭接。钩状结构和冷搭接决定了接头的有效搭接厚度和有效搭接宽度。而搭接界面的向上弯曲以及延入焊核不利于获得大的有效搭接厚度和有效搭接宽度，进而难以获得高承载的搅拌摩擦搭接焊接头。由于改变焊接工艺参数(转速、焊速等)无法改变搭接界面弯曲特性，因此，基于搅拌头几何结构的优化设计是改善搭接界面结构、获得高承载接头的关键。

CN108838510A涉及一种改善搅拌摩擦搭接焊接头钩状结构的搅拌针，其由大直径一级搅拌针以及小直径二级搅拌针组成，可获得了呈水平甚至略向下弯曲的钩状结构。

CN111906432B公开了一种基于撞击流的搅拌摩擦搭接方法，设计了内凹型相向螺纹搅拌针，使钩状结构向下弯曲且焊核内的冷搭接大幅缩短。

上述两个专利虽然可以获得向下弯曲的钩状结构或大幅度缩短冷搭接长度，但是这两种搅拌头对于工艺参数的变化十分敏感，当用于工程实际中时，接头界面形貌不够稳定。

现有报导表明，焊接过程热输入以及“材料集聚区”位置对于调控搭接界面的效果有着重要影响。然而，由于待焊结构的板厚误差、导热体积差异等原因，实际工程中难以保证在焊接过程中热输入及“相对有序”流动形成的“材料集聚区”位置的一致性，造成搭接界面结构特征沿焊缝方向存在差异，进而影响搅拌摩擦搭接焊接头强度沿焊缝方向的稳定性。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，改善搭接接头内部的界面结构。本发明设计的搅拌针能够增强原始搭接界面附近的材料强烈混合且不形成“材料集聚区”，改善焊核区内外的搭接界面结构特征，尤其是焊核区外的钩状结构平直状态不会因焊接工艺参数如转速、焊速、下压量等的变化而发生显著变化，从而实现高强度、高稳定性的焊接。

面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，所述搅拌针包括搅拌针上部、搅拌针中部和搅拌针下部，所述搅拌针上部、搅拌针中部和搅拌针下部依次连接，所述搅拌针上部为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部为上宽下窄的倒锥台结构；所述搅拌针上部和搅拌针下部外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，所述搅拌针中部外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽。

所述搅拌针中部顶部与搅拌针上部底部直径一致，搅拌针中部底部与搅拌针下部顶部直径一致。

所述搅拌针上部外表面螺纹槽Ⅰ向上到下的深度由深至浅、宽度由宽至窄，搅拌针下部外表面螺纹槽Ⅱ向下到上的深度由深至浅、宽度由宽至窄，可分别促进材料向下及向上的流动。

所述螺纹槽Ⅰ、螺纹槽Ⅱ、凹槽的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。

所述搅拌针中部为圆柱形、椭圆长鼓形等上下直径相同或不同的结构；所述搅拌针中部外表面的凹槽可为直线形槽等其它形状的对称槽。

所述搅拌针长度由第一板材、第二板材的厚度决定，搅拌针长度小于第一板材、第二板材的厚度之和，搅拌针上部小于第一板材厚度与轴肩下压量之和，搅拌针中部始终贯穿原始搭接界面。

所述第一板材和第二板材的材质为同种或异种材料，材料可为金属、热塑性聚合物等，第一板材和第二板材的厚度为1-20mm。

本发明的有益效果是：

1、本发明中提出的有-无序强流搅拌针上的正反螺纹槽在搅拌摩擦搭接焊过程分别使上、下板材料向下、上流动，在搭接界面附近汇聚并形成强烈的材料交互与混合，强化界面附近材料间的冶金结合；汇聚的材料在搅拌针中部对称凹槽的驱动下向上与向下呈往复的“相对无序”流动，避免在搭接界面附近形成“材料集聚区”，极大弱化热机影响区材料所受到的向上推力，使焊核外搭接界面在长焊缝焊接时始终平直分布且焊核内搭接界面(冷搭接)结构复杂化，实现高强度、高稳定性的焊接。

2、本发明所设计的有-无序强流搅拌针外凸的抛物线旋转体结构，可增强在搭接界面附近材料汇聚后对周围材料(搭接界面)的外推作用，扩大焊核宽度，增加接头的有效搭接宽度，利于进一步增强接头承载。

3、在搅拌摩擦胶焊过程中，有-无序强流搅拌针外凸形轮廓因利于外推搅拌针中间段(搭接界面处)附近材料，可有效的减少甚至阻止胶层进入焊核区；搅拌针的强烈往复的上下流动可扩大进入焊核内的胶非连续性分布的分散程度，进而提高接头整体力学性能。

4、本发明所设计的有-无序强流搅拌针在异种金属搅拌摩擦搭接焊过程中，材料在搭接界面附近的强烈往复的上下流动可使金属间化合物的破碎程度更大或连续分布的金属间化合物边界更复杂，增长裂纹的扩展路径且延缓裂纹的扩展速度，进而利于提升接头强度。

附图说明

图1为本发明搅拌针的结构示意图；

图2为本发明搅拌针的螺纹槽Ⅰ、螺纹槽Ⅱ及凹槽的方向示意图；

图3为本发明搅拌针摩擦搭接过程中材料流动的示意图；

图4为本发明实施例中轴肩的结构示意图；

图5为本发明实施例1中利用本发明搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦搭接焊的焊接过程示意图；

其中，1、搅拌针上部；2、搅拌针中部；3、搅拌针下部；4、螺纹槽Ⅰ；5、凹槽；6、螺纹槽Ⅱ；7、原始搭接界面；8、第一板材；9、第二板材；10、轴肩端面。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明的搅拌针形貌和焊接过程作详细描述。

如图1-4所示，面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，所述搅拌针包括搅拌针上部1、搅拌针中部2和搅拌针下部3，所述搅拌针上部1、搅拌针中部2和搅拌针下部3依次连接；所述搅拌针上部1为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部3为上宽下窄的倒锥台结构；所述搅拌针上部1和搅拌针下部3外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，当搅拌针上部1外表面设置有左旋螺纹、搅拌针下部3外表面设置有右旋螺纹时，使用本发明搅拌针的搅拌头采用顺时针旋转；当搅拌针上部1外表面设置有右旋螺纹、搅拌针下部3外表面设置有左旋螺纹时，使用本发明搅拌针的搅拌头采用逆时针旋转；上述两种方式均可使搅拌针上部1和搅拌针下部3的螺纹槽Ⅰ4、螺纹槽Ⅱ6促进第一板材8、第二板材9的材料均向搅拌针中部2处流动。

所述搅拌针中部2顶部与搅拌针上部1底部直径一致，搅拌针中部2底部与搅拌针下部3顶部直径一致。

所述搅拌针中部2外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽5，搅拌针中部的凹槽5沿板厚方向的高度足够以保证在焊接过程中轴肩压入量微小波动时始终贯穿原始搭接界面7。

所述搅拌针上部1外表面螺纹槽Ⅰ4向上到下的深度为由深至浅、宽度为由宽至窄，搅拌针下部3外表面螺纹槽Ⅱ6向下到上的深度为由深至浅、宽度为由宽至窄，可分别促进材料向下及向上的流动。

所述螺纹槽Ⅰ4、螺纹槽Ⅱ6、凹槽5的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。

所述搅拌针中部2为圆柱形、椭圆长鼓形等上下直径相同或不同的结构。

所述搅拌针中部2外表面的凹槽5可为直线槽等其它形状的对称槽。

所述搅拌针上部1的上方连接有轴肩，轴肩的直径与搅拌针上部1的上部直径之比为2:1-10:1，轴肩端面10上设置多旋向凹槽，多旋向凹槽个数为0-8个，多旋向凹槽旋向角度为0-360°，且360°时多旋向凹槽为同心圆，轴肩端面10上的多旋向凹槽由轴肩外侧到内侧为由深至浅、由宽至窄。

所述搅拌针长度由第一板材8、第二板材9的厚度决定，搅拌针长度小于第一板材8、第二板材9的厚度之和，搅拌针上部1小于第一板材8厚度与轴肩下压量之和，搅拌针中部2始终贯穿原始搭接界面7。

所述第一板材8和第二板材9的材质为同种或异种材料，材料可为金属、热塑性聚合物等，第一板材8和第二板材9的厚度为1-20mm。

本发明搅拌针在焊接过程中，搅拌针上部1和搅拌针下部3的正反螺纹槽在搅拌摩擦搭接焊过程分别使第一板材8、第二板材9材料向下、上流动，在搅拌针中部2汇聚并形成强烈的材料交互与混合，强化界面附近材料间的冶金结合；汇聚的材料在搅拌针中部2对称凹槽5的驱动下向上与向下呈往复的“相对无序”流动，避免在搭接界面附近形成“材料集聚区”，极大弱化热机影响区材料所受到的向上推力，使焊核外搭接界面在长焊缝焊接时始终平直分布且焊核内搭接界面(冷搭接)结构复杂化，实现高强度、高稳定性的焊接，同时，搅拌针的外凸特征是增强在搭接界面附近材料汇聚后的外推作用，扩大焊核宽度，增加接头的有效搭接宽度，利于进一步增强接头承载。

所述搅拌针在进行搅拌摩擦复合胶焊时，外凸形与正反螺纹的设计可更有效防止胶层进入焊核或弱化焊核内胶对强度的影响。

利用本发明搅拌针的搅拌头的作用机理如下：轴肩端面10设有由轴肩外侧至内侧由深至浅、由宽至窄的多旋向凹槽，使材料能够更快地在搅拌针根部汇聚。在焊接过程中塑化材料本身为流体，由深至浅的多旋向凹槽为流体通道，流体沿着通道的流动面积逐渐减小，速度逐渐加快，增强材料“相对有序”的集聚效果。以利用本发明搅拌针的逆时针旋转有-无序强流搅拌头为例，搅拌针上部1的由深至浅、由宽至窄的螺纹槽Ⅰ4促进材料加速向下流动；搅拌针下部3的螺纹槽Ⅱ6促进材料加速向上流动；搅拌针中部2的材料在对称凹槽5的作用下进行无序的上下流动。

如图3所示，为增强第一板材8和第二板材9在原始搭接界面7附近向上与向下呈往复的“相对无序”强烈流动混合且不形成“材料集聚区”，搅拌头在达到预定下扎深度后停止下扎时，搅拌针上部1应位于第一板材8，搅拌针下部3应位于第二板材9搅拌针中部2恰好贯穿原始搭接界面7。

实施例1

如图5所示，使用本发明搅拌针进行薄板铝合金焊接的方法如下：

步骤一：将待焊接的第一板材8和第二板材9装夹于搅拌摩擦焊机的工装上，其中，第一板材8和第二板材9为厚度为1.5mm、长度为1000mm的同种铝合金；

步骤二：本实施例中搅拌针上部1、搅拌针下部3和搅拌针中部2长度分别为0.8mm、1.0mm，0.6mm；搅拌针上部1顶部和搅拌针下部3底部直径为3mm，搅拌针上部1底部、搅拌针下部3顶部、搅拌针中部2顶部和底部直径均为5mm，搅拌针上部1为右旋螺纹、搅拌针下部3为左旋螺纹，搅拌针中部2外表面的凹槽5为直线槽；

步骤三：将步骤二中的本发明搅拌针安装在轴肩上，轴肩直径为10mm，利用本发明搅拌针的搅拌头安装在焊机主轴上，搅拌头以800rpm速度逆时针旋转，并在焊接起始位置以2mm/min速度下扎至焊接起始位置，当下扎深度达到2.6mm时，搅拌针中部2中心线位置恰好位于第一板材8和第二板材9的原始搭接界面7处，搅拌头停止下扎并停留1min，使周围材料充分塑化；

步骤四：搅拌头以300mm/min的焊速进行焊接，直至焊缝末端；

步骤五：搅拌头在焊缝末端回抽，整个焊接过程完成。

此次实施例中采用薄板铝合金进行焊接，搅拌针上部1和搅拌针下部3深浅渐变、宽窄渐变的螺纹槽可增强对第一板材8和第二板材9的向下与向上“相对有序”流动，增强搅拌针中部2汇聚材料的混合效果。同时，在焊接过程中由于待焊结构的板厚误差等原因，采用“相对有序”流动所形成的材料集聚区与搭接界面的相对位置关系难以调控，极大影响了接头最终的界面形貌。本实施例中所采用的有-无序强流搅拌针中部对称的直线槽设计可实现材料呈往复的上下流动，相当于避免材料集聚区的出现，使焊核外界面呈平直形貌，进而保证搅拌摩擦搭接焊接头强度沿焊缝方向的稳定性。

实施例2

使用本发明搅拌针进行铝合金和纯铜的异种金属的焊接方法如下：

步骤一：将待焊接的第一板材8和第二板材9装夹于搅拌摩擦焊机的工装上，其中第一板材8和第二板材9分别为厚度为3mm的6061-T6铝合金和厚度为3mm的T2纯铜；

步骤二：本实施例中的有-无序强流搅拌头，搅拌针上部1长度为2.1mm，搅拌针下部3长度为2.1mm，搅拌针中部长度为0.8mm，搅拌针上部1顶部、搅拌针下部3底部直径为3mm，搅拌针上部1底部、搅拌针下部3顶部、搅拌针中部2顶部、底部直径均为5mm，搅拌针上部1为右旋螺纹、搅拌针下部3为左旋螺纹，搅拌针中部2外表面的凹槽5为直线槽；

步骤三：将步骤二中的本发明搅拌针安装在轴肩上，轴肩直径为13mm，利用本发明搅拌针的搅拌头安装在焊机主轴上，搅拌头以1200rpm速度逆时针旋转，并在焊接起始位置以2mm/min速度下扎进入待焊接的板材内，当搅拌针4下扎深度达到5.2mm时，搅拌针中部2的中心线位置位于原始搭接界面5上部0.3mm，搅拌头停止下扎并停留1min，使周围材料充分塑化；

步骤四：搅拌头以150mm/min的焊速进行焊接，直至焊缝末端；

步骤五：完成异种金属焊接。

此次实施例中采用铝合金和纯铜进行异种金属的焊接，异种金属搅拌摩擦焊过程中，所使用的有-无序强流搅拌针可使原始搭接界面7处的异种材料在搅拌针中部2的对称直线槽作用下向上与向下呈往复的“相对无序”流动，形成强烈的材料交互与混合，强化界面附近材料间的冶金结合，使硬脆的金属间化合物分散排布，利于提升接头强度。

实施例3

使用本发明搅拌针进行薄板铝合金搅拌摩擦复合胶焊连接的方法如下：

步骤一：将待焊接的第一板材8和第二板材9装夹于搅拌摩擦焊机的工装上，其中，第一板材8和第二板材9为厚度为1.5mm的6061-T6铝合金；

步骤二：本实施例中搅拌针上部1、搅拌针下部3和搅拌针中部2长度分别为1.0mm、1.0mm，0.4mm；搅拌针上部1顶部和搅拌针下部3底部直径均为3mm，搅拌针上部1底部、搅拌针下部3顶部、搅拌针中部2顶部、底部直径均为5mm，搅拌针上部1为右旋螺纹、搅拌针下部3为左旋螺纹，搅拌针中部2外表面的凹槽5为直线槽；

步骤三：在第一板材8与第二板材9的原始搭接界面7上，预留垂直焊缝方向的宽度为6mm的待焊区域不做涂胶处理，其余区域均匀涂抹胶；

步骤四：利用本发明搅拌针的搅拌头安装在焊机主轴上，以800rpm速度顺时针旋转，并在焊接起始位置以2mm/min速度下扎至焊接起始位置，当下扎深度达到2.6mm时，搅拌针中部2中心线位置位于第一板材8和第二板材9的原始搭接界面7上0.1mm处，搅拌头停止下扎并停留1min，使周围材料充分塑化；

步骤五：搅拌头以300mm/min的焊速进行焊接，直至焊缝末端；

步骤六：搅拌头在焊缝末端回抽，整个焊接过程完成。

此次实施例中采用薄板铝合金进行搅拌摩擦复合胶焊连接，本发明的有-无序强流搅拌针的外轮廓为外凸形，可增强在搭接界面附近材料汇聚后对周围材料(搭接界面)的外推作用，扩大焊核宽度，大幅减少甚至有效防止胶进入焊核区，且保证胶有效填充焊核外的搭接界面，利于提高接头整体力学性能。

Claims (7)

1.面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，包括搅拌针上部(1)、搅拌针中部(2)和搅拌针下部(3)，所述搅拌针上部(1)、搅拌针中部(2)和搅拌针下部(3)依次连接，所述搅拌针上部(1)为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部(3)为上宽下窄的倒锥台结构，所述搅拌针中部(2)顶部与搅拌针上部(1)底部直径一致，搅拌针中部(2)底部与搅拌针下部(3)顶部直径一致；所述搅拌针上部(1)外表面和搅拌针下部(3)外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，所述搅拌针中部(2)外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽(5)。

2.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针中部(2)为圆柱形、椭圆长鼓形等上下直径相同或不同的结构，搅拌针中部(2)外表面的凹槽(5)可为直线形槽等其它形状的对称槽。

3.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针上部(1)外表面螺纹槽Ⅰ(4)向上到下的深度由深至浅、宽度由宽至窄，搅拌针下部(3)外表面螺纹槽Ⅱ(6)向下到上的深度由深至浅、宽度由宽至窄。

4.根据权利要求3所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述螺纹槽Ⅰ(4)、螺纹槽Ⅱ(6)的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。

5.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述凹槽(5)的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。

6.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针长度由第一板材(8)、第二板材(9)的厚度决定，搅拌针长度小于第一板材(8)、第二板材(9)的厚度之和，搅拌针上部(1)长度小于第一板材(8)厚度与轴肩下压量之和，搅拌针中部(2)始终贯穿原始搭接界面(7)。

7.根据权利要求6所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述第一板材(8)和第二板材(9)的材质为同种或异种材料，材料可为金属、热塑性聚合物等，第一板材(8)和第二板材(9)的厚度为1-20mm。