一種用於厚板攪拌摩擦焊的分級式攪拌頭的製作方法
2023-06-17 08:42:06
本發明涉及一種攪拌摩擦焊用攪拌頭，尤其是一種用於厚板焊接的攪拌摩擦焊用攪拌頭，具體地說是一種用於厚板攪拌摩擦焊的分級式攪拌頭。
背景技術：
攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國焊接研究所（The Welding Institute, TWI）發明的（US 5460317）一種新型固相連接技術，該技術的原理是利用攪拌頭與材料的強烈摩擦和對軟化材料的攪拌作用，使焊縫連接區處於熱塑性狀態並使其趨於熔化、混合，隨著攪拌頭向前行進，在攪拌頭的後方形成焊縫，完成固相連接。攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭軸肩產熱量佔到攪拌頭產熱量的80%-90%，而攪拌針產熱只佔到總體產熱的10%-20%，所以在進行厚板攪拌摩擦連接過程中，板材底部常常因為熱輸入量不足導致該區域材料的流動性不足，在板材底部區域容易產生孔洞和溝槽等缺陷。板材底部空洞和溝槽的出現極大降低了接頭性能。
為了增大厚板底部材料的塑性金屬流動性，提高中厚板的連接強度，發明專利「一種鎂、鋁合金中厚板攪拌摩擦焊方法」（專利公開號：CN102689090A）採用在焊縫底部施加輔助熱源來預熱焊接區金屬，提高板材底部熱輸入量，從而提高板材底部材料流動性，避免連接缺陷的產生。然而，這種方法會帶來焊接接頭中出現大範圍軟化區的問題，同時該方法增加了連接設備的複雜性。
發明專利「一種高強度鋁合金厚板地熱輸入攪拌摩擦焊接方法」（專利公開號：CN103624398A）採用在被焊厚板邊緣側加工出規定尺寸的多級臺階形狀，進行多層重疊、多道次攪拌摩擦焊的工藝，實現高強鋁合金厚板的攪拌摩擦連接，提高接頭的性能。然而，此種方法需要大大增加連接過程板材的焊前處理時間，焊接過程的裝夾和處理時間，極大的降低了焊接效率。
技術實現要素：
本發明的目的是針對現有的攪拌頭在進行厚板（30毫米以上）攪拌摩擦焊時易因底部材料流動性差而產生孔洞和溝槽等缺陷的問題，設計一種能用於厚板攪拌摩擦焊的分級式攪拌頭，以增大底部材料流動性、避免孔洞和溝槽等缺陷產生。本發明主要是採用在多個軸肩的分級式攪拌頭結構，利用位於厚板底部的軸肩結構及其上面的凹槽結構，增加材料與攪拌頭摩擦產熱，提高底部材料軟化程度，增大材料在厚板板材底部的流動性，避免孔洞和溝槽等缺陷產生，從而提高厚板攪拌摩擦焊接接頭質量。
本發明的技術方案是：
一種用於厚板攪拌摩擦焊的分級式攪拌頭，其特徵是它由夾持柄1、支撐體2和至少兩級攪拌組件9組成，每級攪拌組件9均由軸肩和攪拌針組成，各級攪拌組件9與支撐體2同軸安裝，夾持柄1與支撐體2的一端相連，支撐體2的另一端與第一級攪拌組件9的軸肩整體相連，第一級攪拌組件9的攪拌針的根部與第一級攪拌組件9的軸肩相連，第一級攪拌組件9的攪拌針的頂部與第二級攪拌組件9的軸肩整體相連，第二級攪拌組件9的攪拌針的根部與第二級攪拌組件9的軸肩相連，第二級攪拌組件9的攪拌針的頂部與下一級攪拌組件9的軸肩整體相連，以此類推；在所述的各級軸肩上均設有增大摩擦用的凹槽結構7，且各級軸肩的直徑逐步減小，各級攪拌針的尺寸也逐級減小。
所述的各級攪拌針均呈錐臺狀結構。
所述的各級軸肩上所設有凹槽結構7為圓弧形或者其它形狀，其深度為0.1mm-5mm。
所述的各級攪拌針上均設有用於增加摩擦生熱的環形凹槽。
所述的各級攪拌針或部分攪拌針上設有螺紋凹槽結構。
本發明的有益效果：
本發明的攪拌摩擦焊攪拌頭，通過對攪拌頭結構進行優化設計，增加了厚板底部材料的產熱量，解決了厚板攪拌摩擦焊接過程中板材底部區域容易產生孔洞和溝槽等缺陷的問題，提高了厚板攪拌摩擦焊接接頭質量。相對於其他方法，本發明的攪拌頭避免了設備的額外投入和工藝的繁雜，降低了生產成本、提高了生產效率。
經實驗證明，同等條件下，可提高厚板攪拌摩擦焊接接頭抗拉強度30%以上。
附圖說明
圖1是本發明的攪拌頭的結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。
如圖1所示。
一種用於厚板攪拌摩擦焊的分級式攪拌頭，它由夾持柄1、支撐體2和至少兩級攪拌組件9組成，每級攪拌組件9均由軸肩和攪拌針組成，如圖1所示為具有兩級攪拌組件9的攪拌頭的結構示意圖，兩級以上時的結構可類推加以設計，由於各級軸肩、攪拌針的尺寸逐級減小，因此，具體設計時應考慮材料的強度，儘量選擇強度高、抗斷性能好的材料作為攪拌頭的用材。圖1中的兩級攪拌組件結構的分級式攪拌頭由夾持柄1、支撐體2、一級軸肩3、一級攪拌針4組成、二級軸肩5和二級攪拌針6組成；一級攪拌針4和二級攪拌針6通常設計成錐臺狀結構，也可設計成圓柱狀結構。軸肩3的一端與一級攪拌針4整體相連，另一端與支撐體2，支撐體2與夾持柄1相連接，夾持柄與攪拌摩擦焊機相連接。一級攪拌針4的末端為二級軸肩5，二級軸肩5也可視為是一級攪拌針4的一部分，二級軸肩5比一級軸肩3直徑小；二級軸5與二級攪拌針6相連，二級攪拌針6比一級攪拌針4直徑小。夾持柄1、支撐體2、一級軸肩3、一級攪拌針4組成、二級軸肩5和二級攪拌針6為同軸結構。在所述的一級軸肩3與一級攪拌針4相連的端面上分布有兩圈圓弧形或多邊形凹槽7，其中以圓弧形為最佳，加工最為方便，採用圓弧形凹槽時，凹槽的深度應不小於1mm；在所述的二級軸肩5與二級攪拌針6相連的端面上分布有兩圈圓弧形或多邊形凹槽8，其中以圓弧形為最佳，加工最為方便，採用圓弧形凹槽時，凹槽的深度應不小於0.5mm，；為了進一步增大摩擦生熱，在一級攪拌針4和二級攪拌針6上可以進一步增加螺紋結構。一級軸肩3的直徑大於二級軸肩5的直徑；一級攪拌針4的直徑大於二級攪拌針6的直徑。具體實施時，在一級攪拌針4和二級攪拌針6上均設有圓弧形或多邊形環槽10，在一級攪拌軸4上還可設置沿軸向布置的螺旋槽11，而在二級攪拌軸4上可設置螺旋槽，也可不設置螺旋槽。
如圖1所示為焊接30mm厚板材用攪拌摩擦焊的分級式攪拌頭。一級軸肩3直徑為30mm，軸肩上有4圈圓弧形凹槽7，凹槽深度為1mm、一級攪拌針4根本直徑10mm，底部直徑7mm。二級軸肩5直徑為7mm，軸肩上有3圈圓弧形凹槽8，凹槽深度為0.5mm、二級攪拌針6根本直徑3.6mm，底部（頂端）直徑1.2mm。在焊接過程中，二級攪拌軸肩5能很好的對厚板底部材料起到摩擦生熱作用，提高了材料的軟化程度，增加了材料的流動性，從而避免了孔洞和溝槽等缺陷的產生，提高了厚板接頭的質量。
將採用本發明設計的攪拌頭與相同類型的攪拌頭進行試驗，實際測量證明，可提高厚板攪拌摩擦焊接接頭抗拉強度30%以上。
本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。