CN204621346U - 无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及焊接技术领域，具体涉及一种无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，包括中空结构的搅拌头、设于搅拌头中空结构中的可转动且可伸缩于搅拌头中的搅拌针，所述搅拌头与搅拌针的轴线重合，在搅拌头的轴肩上设置有锻压凸台，该锻压凸台的高度低于搅拌针伸出搅拌头后搅拌部分的长度。在整个焊接过程中，不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性，将搅拌头轴肩与被焊材料平面法线的角度为0°，从而实现无倾角搅拌摩擦焊接，采用无倾角搅拌摩擦焊技术焊接平面二维时，在焊缝转弯处不需要调节搅拌头角度，减少焊接工序，同时不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性，提高焊接效率。

Description

无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具

技术领域

本实用新型涉及焊接技术领域，具体涉及一种适用于同种、异种热塑性材料的连接及材料加工、工件缺陷修补的无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具。

背景技术

搅拌摩擦焊焊接技术是一种新颖而有潜力的焊接方法。该方法利用一种特殊工具一搅拌头，高速旋转并扎入工件，搅拌头与工件的接触部位产生了摩擦热，待其周围金属形成塑性软化层时开始沿焊接方向运动，焊接过程中塑化金属在搅拌头旋转作用下填充搅拌针后方所形成的空腔，并在搅拌头轴肩与搅拌针的搅拌及顶端压力下锻造形成致密焊缝。该技术在大量的实验和应用过程中显示出一系列独特的优点：(1)、接头机械性能良好；(2)、变形小；(3)、焊接过程绿色、环保；(4)、耗材少；(5)、焊接过程操作简便；(6)、焊接缺陷少，一般不产生焊接缺陷；(7)、自动化程度高，生产周期短。

搅拌摩擦焊被誉为“绿色焊接技术”，在航空、航天、船舶、汽车、电子等众多领域都得到了大量应用，而且应用的深度和广度呈现急速增长态势，具有非常好的开发潜力和应用前景。

搅拌摩擦焊技术虽然优点众多，但并非完美。焊接过程中，搅拌头通常会向前倾斜一定角度，搅拌头轴线与焊缝所在平面的法线方向的夹角称为搅拌头倾角。搅拌头的倾角一般为±5°。对于薄板(厚度为1～6mm)采用小角度，通常为1～2°，对于中厚板(厚度大于6mm)，根据被焊接工件的结构和焊接压力的大小，搅拌头的倾角通常采用2～5°。搅拌头与焊缝保持一定的倾斜角，目的是在焊接时通过搅拌头肩部的后沿能够对焊缝施加一定的焊接锻压力。而轴肩后沿的挤压作用防止塑化金属无序挤出，易造成焊缝内部材料不足而形成孔洞。在直缝焊接时，保持固定夹角很容易做到，但在平面二维焊接时，每到焊缝转弯处就需要调整搅拌针倾斜方向，降低工作效率，如果倾角调节不当或精度不高，易出现焊接缺陷。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种搅拌摩擦工具端面与被焊工件表面呈0°夹角，并以一定的旋转速度及通过设备动力装置和控制装置，与被焊工件表面接触，并对被焊工件施加法向压力，且在被焊工件上停留一定时间之后进行焊接的无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具.其能够显著降低平面二维焊接过程中转弯处需要调整搅拌针倾斜方向所需时间及倾角调节不当或精度不高，造成的焊接缺陷，大幅提高焊接质量和焊接效率。

本实用新型的一目的是提供一种无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接方法，包括如下步骤，

步骤一、将被焊材料固定于工作台上，被焊材料的焊接处形成焊道；

步骤二、搅拌头置于被焊材料的焊接面上方，此时，搅拌头的轴线方向与被焊材料的法线方向重合；

步骤三、搅拌头旋转并下降到位，搅拌头上的搅拌针处于焊道中，对焊道周围的被焊材料进行旋转摩擦加热，使焊道周围的被焊材料受热形成塑性软化，并沿着焊道方向移动，这个过程中，搅拌头轴肩上的锻压凸台一直与被焊材料的焊接表面保持接触进行锻压；

步骤四、在搅拌头移动到焊道末端时，搅拌针开始离开焊道向上回抽，搅拌头继续旋转并沿着焊接方向前进，锻压凸台与被焊材料的焊接面保持接触；在搅拌针回抽过程中，搅拌针缓慢脱离焊道，直至搅拌针完全拔出，完成焊接过程。

进一步地，为了焊道末端避免产生匙孔，在步骤四中，搅拌头移动到焊道末端时，搅拌头的沿焊道的移动速度降低，这样能够预留给搅拌针缓慢回抽的时间。

进一步地，为了使焊接完成的焊接面快速融为一体，在搅拌针对焊道周围的被焊材料进行摩擦加热焊接完成并沿着焊道前进后，采用冷却装置对已焊接完成的焊接面进行冷却。通过冷却装置喷洒冷却介质，使焊接完成的焊接面快速冷却并融合成整体。

进一步地，为了冷却介质干扰搅拌针的摩擦发热，所述冷却装置的冷却出口端与搅拌针之间保持8cm-20cm之间的距离。冷却装置喷出的冷却介质不会对搅拌头轴肩、搅拌针的摩擦热量产生影响。

进一步地，在搅拌针对被焊材料进行摩擦加热过程中，温度传感器对搅拌针的温度进行检测，当检测到的温度低于设置温度时，温度传感器将温度信号传递给控制置于搅拌针内加热装置的控制器，控制器则控制加热装置对搅拌针进行加热使其达到设定的温度。这样在搅拌头轴肩、搅拌针摩擦热量不足时，通过加热装置搅拌针进行加热，促使被焊材料熔化更好的焊接。

本实用新型的另一目的是提供一种无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，包括中空结构的搅拌头、设置于搅拌头中空结构中的可转动且可伸缩于搅拌头中的搅拌针，所述搅拌头与搅拌针的轴线重合，在搅拌头的轴肩上设置有锻压凸台，该锻压凸台的高度低于搅拌针伸出搅拌头后搅拌部分的长度。

进一步地，为了实现对搅拌针的加热，促使被焊接材料的更好熔化，在搅拌针内部设有加热装置，以及用于检测搅拌针温度的温度传感器，温度传感器将检测到的温度传输给控制加热装置工作的一控制器。

进一步地，所述轴肩为向内凹陷或者双凹环结构或螺旋结构。这样轴肩即能顶压在被焊材料的焊接面上，起到搅拌摩擦的作用，另外还可以防止搅拌摩擦过程中，摩擦飞溅的作用。

所述搅拌针的搅拌部分为锥形或圆柱或在锥形、圆柱表面设置的螺旋型。

上述技术方案解决了现有技术中的问题：即现有焊接过程中，为了在焊接时搅拌头肩部的后沿能够对焊缝施加一定的焊接锻压力，对此需在设备上设置倾角调节机构，以满足焊接时搅拌头轴肩后沿部位对焊缝起到锻压作用，这在直缝焊接过程中，固定夹角比较容易做到，但在平面二维焊接时，在带有曲线的焊缝为了保持一致的焊接倾角，设备倾角调节机构就需做出调整，保持与以前相同的焊接倾角，降低工作效率，如果倾角调节不当或精度不高，易出现焊接缺陷。采用了本技术方案，搅拌头的轴线方向与被焊材料的法线方向重合，这样搅拌头的轴肩与被焊材料的焊接面夹角为0°，轴肩上的锻压凸台能够与被焊材料的焊接面接触并压紧，通过锻压凸台与搅拌针的共同作用，挤压和摩擦被焊材料的双重作用下塑化、充分融合固相连接，实现焊接的目的；在整个焊接过程中，不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性，将搅拌头轴肩与被焊材料平面法线的角度为0°，从而实现无倾角搅拌摩擦焊接，采用无倾角搅拌摩擦焊技术焊接平面二维时，在焊缝转弯处不需要调节搅拌头角度，减少焊接工序，同时不必在设备上设置倾角调节机构，降低焊接设备复杂性，提高焊接效率。

附图说明

图1为本实用新型无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具的结构示意图；

图2为本实用新型无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具的几种典型搅拌头示意图；

图3为本实用新型无倾角自顶锻搅拌摩擦搅拌头与独立旋转支撑轴肩组成发双面搅拌摩擦焊焊接示意图；

图4为本实用新型无倾角自顶锻搅拌摩擦搅拌头与独立旋转支撑轴肩组成发曲面双面搅拌摩擦焊焊接示意图；

图5为本实用新型无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具的另一实施结构图；

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进一步说明。

参照图1，无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接方法，包括如下步骤，

步骤一、将被焊材料固定于工作台上，两块被焊材料1的焊接处形成焊道2，被焊材料的厚度为3～100mm；

步骤二、搅拌头3置于被焊材料的焊接面上方，这里搅拌头可以处于焊接面上方的任意位置，此时，搅拌头的轴线方向与被焊材料的法线方向重合；

步骤三、搅拌头在旋转机构及升降机构的作用下开始旋转并下降到位，这里的驱动搅拌头旋转的旋转机构及带动搅拌头升降的升降机构为驱动搅拌头运转的常规机构，在现有技术中已普遍应用，在此不多赘述；搅拌头以一定方向高速旋转，这里一定方向旋转就是正转或反转，而高速旋转便是为了达到使被焊材料因摩擦而熔化的旋转速度，这里的速度是多少，可以根据不同焊材材料设定来设定，搅拌头3下降使搅拌针4处于焊道中，对焊道周围的被焊材料进行旋转摩擦加热，使焊道周围的被焊材料受热形成塑性软化，并沿着焊道方向移动，这个过程中，搅拌头轴肩5上的锻压凸台6一直与被焊材料的焊接表面保持接触进行锻压同时也摩擦加热，使被焊材料熔化；

步骤四、在搅拌头移动到焊道末端时，搅拌针开始离开焊道向上回抽，搅拌头继续旋转并沿着焊接方向前进，锻压凸台与被焊材料的焊接面保持接触；在搅拌针回抽过程中，搅拌针缓慢脱离焊道，这里的缓慢是让匙孔内始终保持一定的压力，直至搅拌针完全拔出，最终消除焊接匙孔，完成无匙孔搅拌摩擦焊接过程，当然这里的搅拌头锻压凸台也可以随着搅拌针一并向上回抽，这就是将搅拌针与搅拌头设置成分体或整体；搅拌头移动到焊道末端时，搅拌头的沿焊道的移动速度降低。

其中，在搅拌针对焊道周围的被焊材料进行摩擦加热焊接完成并沿着焊道前进后，采用冷却装置对已焊接完成的焊接面进行冷却。冷却装置可以采用冷却泵，冷却装置的冷却出口端与搅拌针之间保持8cm-20cm之间的距离。在搅拌针对被焊材料进行摩擦加热过程中，温度传感器7对搅拌针的温度进行检测，当检测到的温度低于设置温度时，温度传感器将温度信号传递给控制置于搅拌针内加热装置8的控制器，控制器则控制加热装置对搅拌针进行加热使其达到设定的温度，若温度传感器检测到的温度已达到设定温度，控制器便不会再启动加热装置进行加热；这里的加热装置可以采用电加热，如电加热丝。

参见图1，无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，包括中空结构的搅拌头3、设置于搅拌头中空结构中的可转动且可伸缩于搅拌头中的搅拌针4，所述搅拌头与搅拌针的轴线重合，在搅拌头的轴肩5上固定设置有锻压凸台6，锻压凸台可以与搅拌头焊接、铆接等固定方式连接或也可以一体成型而成，锻压凸台的高度低于搅拌针伸出搅拌头后搅拌部分的长度。

搅拌针内部设有加热装置8，以及用于检测搅拌针温度的温度传感器7，温度传感器将检测到的温度传输给控制加热装置工作的一控制器，该控制器可装配于搅拌头外与整个焊接装置的控制器结合在一起，这里加热装置、温度传感器、控制器的工作原理与上面方法的技术方案一样；轴肩为向内凹陷或者双凹环结构或螺旋结构。搅拌针的搅拌部分为锥形或圆柱或在锥形、圆柱表面设置的螺旋型。

图2示出了本实用新型无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具的几种典型搅拌头示意图；图中示出了锻压凸台的不同结构，如A中的截面为弯折与圆形的结合，B中的截面为心型结构，C中的截面为弧形结构，D中的截面为椭圆形结构，E中的截面为圆形结构，以及F、G、H显示的锻压凸台设置的数量与位置，这些结构均能很好的实现对被焊接材料焊接面的锻压与摩擦。

图3、4中，无倾角自顶锻搅拌摩擦焊搅拌头3与回转支撑轴肩9构成双面焊接装置，被焊材料1可为同种铝合金或异种铝合金，结构形式为对接直缝、对搭接直缝、对接环缝或对搭接环缝，无倾角自顶锻搅拌摩擦焊搅拌头旋转方向与回转支撑轴肩旋转方向相同或相反，无倾角自顶锻搅拌摩擦焊搅拌头的轴线方向、被焊材料法线方向以及回转支撑轴肩的轴线方向重合，这样的焊接方式能够进一步提升被焊材料之间焊接的牢固性。

图5示出了无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具的另一实施结构，焊接工具包括内部空腔的搅拌头10，搅拌头空腔中设置有与搅拌头同轴线的搅拌针11，搅拌针的下端搅拌摩擦部分110为锥形，搅拌头与搅拌针均可转动，在搅拌针外壁与搅拌头内壁之间具有装配空间12，装配空间内设置有套在搅拌针上的套管13，套管可以随或不随搅拌针一并转动，在套管上套设有可在套管上往复运动的推环14，以及固定设置于套管上的转动盘15，在该转动盘的上端面内侧上开设有安装环槽16，安装环槽内设置有轴向推动其一端，另一端可径向运动的弯曲连杆17，弯曲连杆的中部销接于安装环槽中，这样弯曲连杆可以围绕销轴18转动，弯曲连杆径向运动的一端固定设置有推块19，该推块与套管外壁之间设有弹性件20，弹性件可为弹簧或弹片，在转动盘的下端面内侧开设有与上述安装环槽相连通的让位长孔21，在推块19上固定设置有穿过让位长孔21处于转动盘下端面外的连接柱22，在连接柱下端部固定设置有斜面运动环23，斜面运动环上的斜面与搅拌针的下端斜面相匹配，弯曲连杆的轴向运动端设置有斜面24，在推环上设有与斜面24配合的推动斜面25，为了防止推环14下降过位，在套管上固定设置有限位环26；搅拌针内部为空腔，其中设置有温度传感器及加热装置。其工作原理为：推环14在推动杆27的作用下，向下运动，其上的推动斜面25与弯曲连杆斜面24配合，这样弯曲连杆的上端向外扩张，而弯曲连杆的另外一端带动推块19压缩弹性件径向运动，这样斜面运动环23便能够向搅拌针方向顶出，在搅拌针回抽过程中，斜面运动环的斜面与搅拌针下端的锥形面几乎接触，而搅拌针是旋转的，这样搅拌针上粘有的被焊材料残渣，便能够被斜面运动环刮下，实现自动清理搅拌针的功能，而在搅拌针下降前，推动杆27撤销对推环14的推力，这样在弹性件的作用下，斜面运动环能够恢复原位，即斜面运动环的下端面与搅拌头轴肩28保持水平，这样不会妨碍搅拌摩擦焊接。

Claims (4)

1.无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，其特征在于，包括中空结构的搅拌头、设置于搅拌头中空结构中的可转动且可伸缩于搅拌头中的搅拌针，所述搅拌头与搅拌针的轴线重合，在搅拌头的轴肩上设置有锻压凸台，该锻压凸台的高度低于搅拌针伸出搅拌头后搅拌部分的长度。

2.根据权利要求1所述的无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，其特征在于，搅拌针内部设有加热装置，以及用于检测搅拌针温度的温度传感器，温度传感器将检测到的温度传输给控制加热装置工作的一控制器。

3.根据权利要求1所述的无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，其特征在于，所述轴肩为向内凹陷或者双凹环结构或螺旋结构。

4.根据权利要求1所述的无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接工具，其特征在于，所述搅拌针的搅拌部分为锥形或圆柱或在锥形、圆柱表面设置的螺旋型。