CN201102126Y - 用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具 - Google Patents

用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具 Download PDF

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赵勇
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Abstract

本实用新型涉及一种用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，该焊具的组合式结构由夹持体和装在夹持体上的搅拌头组成。夹持体的结构包括柄部和头部，搅拌头的一端旋合在夹持体头部的螺纹孔中，圆锥形搅拌针从轴肩外端的中央向外延伸。搅拌针表面制有外螺纹，该外螺纹的方向与搅拌头螺柱体外螺纹的方向相反。夹持体头部的轴向并排设有至少两个环形槽。搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金，夹持体的材质为工具钢。本实用新型既能节约制作搅拌头昂贵的高熔点高热强性材料，降低加工制作成本，又便于进行搅拌头的尺寸修改，提高了焊具的实用性。

Description

用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具
技术领域
本实用新型涉及一种搅拌摩擦焊的焊具，尤其是作为焊接颗粒增强铝基复合材料的焊具，属于材料连接技术领域。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型低温固相连接技术，适用于低熔点合金焊接。1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)发明，该技术的原理是利用高速旋转的搅拌头插入接缝中，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使焊接接缝区处于热塑性状态并被破碎、混合，在一定的压力作用下被连接在一起，搅拌头朝焊接方向高速旋转并挤压，而在搅拌头的后方则形成了焊缝，从而完成了固态连接。目前各国都在竞相研发，在航天航空、船舶、高速列车、装甲战车等领域有着广泛应用。搅拌摩擦焊是在比被焊合金材料熔点温度低的条件下完成固态连接，该技术具有金属材料没有熔化，焊接收缩变形小和力学性能损失低等突出的优点。
在金属基复合材料的研发过程中，其中以SiC颗粒增强铝基复合材料发展最快，是当前金属基复合材料中最早能实现大规模产业化的品种。作为新一代结构材料，可靠的焊接和连接技术是其得以广泛应用的重要前提。
目前应用的比较多得是TIG(钨极惰性气体弧焊)、钎焊、TLP(瞬时液相扩散焊)等，但是这些方法存在以下一些问题：焊接过程中液态熔池粘度大、流动性差、复合材料不易与填充材料熔合，焊缝存在微观偏析和SiC增强相的不均匀分布、基体与增强相发生界面反应，而且高温时SiCp烧损现象比较严重等；对于采用常规钎焊方法，由于SiCp增强相的存在，严重阻碍了钎料的润湿和铺展，SiCp增强相很难过渡到钎缝中，而使得接头力学性能达不到所要求；TLP连接被认为是一种较好的连接方法，但是规范和中间层的选择不当，会形成脆性金属间化合物。
专利申请号200610010553.0介绍了一种铜及铜合金搅拌摩擦焊接用焊具，并对国内外的专利进行了对比，但这种搅拌摩擦的焊具用于具有颗粒增强铝基复合材料材料的焊接时，会对搅拌工具头产生非常大的磨损，不能完成颗粒增强铝基复合材料的连接。
美国专利US5460317介绍了在搅拌摩擦焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。搅拌摩擦焊接现阶段主要成功应用在低熔点材料如铝、镁合金等的连接上，采用的焊具为整体式工具钢搅拌头。与传统的铝、镁合金相比，颗粒增强铝基复合材料的强度相对较高，并且由于颗粒增强铝基复合材料中的增强颗粒主要是采用碳化硅SiCp陶瓷颗粒，在搅拌摩擦焊接过程中会对搅拌工具头产生非常大的磨损，就像钢铁在砂轮上磨一样，因此用于传统铝、镁合金搅拌摩擦焊的整体式工具钢搅拌头不能完成颗粒增强铝基复合材料的连接。
美国专利US2004238599-A1给出了一种可用于较高熔点和较硬材料搅拌摩擦焊接的焊具，搅拌头材料为固溶强化高熔点钨基合金，焊具采用整体式结构。该发明设计的焊具能够承受焊接过程中产生的高温，可以实现铜合金、镍基合金、铁基合金等材料的连接。但是搅拌摩擦焊接过程中只有搅拌针部分和轴肩部分对焊接质量有影响，而该发明设计的搅拌头整体都采用价格昂贵的钨基合金制作，一方面带来材料的浪费，同时整体式结构加大了加工的工作量和难度。另外，现有的冶金技术在生产较大尺寸的钨基合金上存在较大的难度，在有些情况下使整体式设计不可行。
由此可见，现有的搅拌摩擦焊接的多种焊具，均不适合用于具有颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是：由于现有的用于具有较高硬度颗粒材料搅拌摩擦焊接的焊具中存在的耐磨性差、整体结构的焊具消耗昂贵的高熔点材料较多、不利于对焊具进行结构尺寸修改等问题，提出一种用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊接的焊具。
为了达到上述目的，其技术方案为：一种用于具有颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，所述焊具为组合式结构，所述组合式结构由夹持体和装在夹持体上的搅拌头组成，所述夹持体的结构包括柄部和直径大于柄部的头部，所述头部端面中央设有螺纹孔，所述搅拌头的一端旋合在夹持体头部的螺纹孔中。
前述的用于具有颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其中所述搅拌头的结构为一端设有外螺纹的螺柱体，中部设有圆饼形的轴肩，另一端为搅拌针。
前述的用于具有颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其中所述搅拌针从轴肩外端的中央向外延伸，其形状为圆锥形。所述搅拌针表面制有外螺纹，所述外螺纹的方向与搅拌头螺柱体外螺纹的方向相反。
前述的用于具有颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其中所述夹持体头部的轴向并排设有至少两个环形槽。
前述的用于具有颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其中所述搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金，所述的夹持体的材质为工具钢。
本实用新型具有以下有益效果：
本实用新型的焊具采用组合式结构，既能节约制作搅拌头昂贵的的高熔点高热强性材料，降低加工制作成本，又便于进行搅拌头的尺寸修改，提高了焊具的实用性，适合于颗粒增强铝基复合材料的搅拌摩擦焊接。
本实用新型的搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金，GT35在退火状态下有较好的加工性能，其硬度HRC为39～46，在淬火后其硬度可以达到HRC68～72，比工具钢的硬度HRC58～62要高许多，具有良好的耐磨性。
附图说明
图1为本实用新型的组合结构的示意图。
图2为本实用新型的夹持体的结构示意图。
图3为本实用新型的搅拌头的结构示意图
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。
本实用新型的用于具有颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具为组合式结构，组合式结构由夹持体1和装在夹持体上的搅拌头2组成，夹持体1的结构包括柄部11和直径大于柄部的头部12，该头部端面中央设有螺纹孔13，搅拌头2的一端旋合在夹持体头部12的螺纹孔13中，在柄部11设置一个平台15，夹持体柄部11通常安装在搅拌摩擦焊机的旋转夹具头中，平台15用于在搅拌摩擦焊机的旋转夹具头上锁紧焊具。夹持体头部12的轴向并排设有至少两个环形槽14，该环形槽14具有散热的作用，可以促使搅拌头散热，搅拌头的温度下降能改善搅拌头的高温使用性能。搅拌头2的结构为一端设有外螺纹的螺柱体21，中部设有圆饼形的轴肩22，另一端为搅拌针23，搅拌针23从轴肩22外端的中央向外延伸，其形状为圆锥形。搅拌针表面制有外螺纹24，该外螺纹24的方向与搅拌头螺柱体外螺纹25的方向相反，由于搅拌摩擦焊时的搅拌头2的旋转方向是和搅拌针23的外螺纹24旋转方向相反，所以夹持体头部12的螺纹孔13的螺纹方向与搅拌针23的外螺纹24的方向也相反，这样就会越转越紧，防止搅拌头2从夹持体1中脱落。
本实施例所述的搅拌头2采用材料为GT35钢结硬质合金，GT35在退火状态有较好的加工性能HRC为39～46，在淬火后其硬度可以达到HRC68～72，比工具钢HRC58～62要高许多，具有良好的耐磨性，夹持体1采用材料为工具钢材料，这样的组合式结构既能节约制作搅拌头2昂贵的的高熔点高热强性材料，降低加工制作成本，又便于进行搅拌头的尺寸修改，提高了焊具的实用性。
以下本实用新型的应用实例：
用现有的工具钢搅拌头对规格为150mm×70mm×5mm的碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料SiCp/6066A1，进行搅拌摩擦焊焊接，只焊接了100mm，搅拌针的直径已经从5mm磨损为3mm，并且原有的螺纹全部磨平，已经不能保证金属的塑性流动，从而不能形成合格的焊缝。
采用本实用新型的组合式焊具，因其和碳化硅陶瓷颗粒增强铝基复合材料相接触的是GT35钢结硬质合金，搅拌头可以承受焊接过程中产生的高温与高摩擦，采用螺纹连接的夹持部分与搅拌针部分因为是反向螺纹，所以越用越紧，故在焊接过程中没有松动，从而保证了焊接过程的稳定性，在转速为1500转/分、焊速为80毫米/分下可以得到良好的焊接接头。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式，如采用不同的转速与焊速等等，而采用了本实用新型焊具，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述焊具为组合式结构，所述组合式结构由夹持体和装在夹持体上的搅拌头组成，所述夹持体的结构包括柄部和直径大于柄部的头部，所述头部端面中央设有螺纹孔，所述搅拌头的一端旋合在夹持体头部的螺纹孔中。
2.根据权利要求1所述的用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述搅拌头的结构为一端设有外螺纹的螺柱体，中部设有圆饼形的轴肩，另一端为搅拌针。
3.根据权利要求2所述的用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述搅拌针从轴肩外端的中央向外延伸，其形状为圆锥形。
4.根据权利要求1或2所述的用于颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述搅拌针表面制有外螺纹，所述外螺纹的方向与搅拌头螺柱体外螺纹的方向相反。
5.根据权利要求1所述的颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述夹持体头部的轴向并排设有至少两个环形槽。
6.根据权利要求1所述颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊的焊具，其特征在于：所述的搅拌头的材质为GT35钢结硬质合金，所述的夹持体的材质为工具钢。
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