一種能實現單次焊接雙道成形的攪拌摩擦焊焊具的製作方法

2023-08-04 07:26:31 1

本發明涉及一種攪拌摩擦焊焊具，具體涉及一種能實現單次焊接雙道成形的攪拌摩擦焊焊具。

背景技術：

攪拌摩擦焊(fsw)是英國焊接研究所(twi)於1991年發明的一種新型固相連接方法，該技術因其焊接變形小、殘餘應力小，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產生弧光、煙塵、噪音汙染等特點，受到各國科研機構的關注，且因為焊接質量好，攪拌摩擦焊在航天航空、船舶、汽車等領域已顯示出廣泛的應用前景。攪拌摩擦焊過程中，利用高速旋轉的攪拌頭與工件摩擦產熱及材料塑性變形熱作為焊接熱源，使被焊材料局部塑化，當攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，塑化材料在攪拌頭的摩擦力作用下由攪拌頭的前部移向後部，並在攪拌頭的擠壓下形成緻密的固相焊縫。

攪拌摩擦焊焊具前端攪拌針部分在焊接過程中扎進材料內部進行摩擦和攪拌，而軸肩部分與工件表面摩擦產生熱量，同時內凹的幾何形狀可一定程度防止塑性狀態的材料溢出。焊具軸肩在焊接過程中壓入工件表面一定深度，能起到清除表面氧化膜，優化焊縫表面的作用。然而，由於軸肩壓入焊縫表面，大量的摩擦產熱導致工件表面材料軟化溢出，形成飛邊，導致焊縫減薄效應。另一方面，鋁/銅等異種金屬在焊接時極易形成脆性的金屬間化合物，導致焊縫無法成形，焊縫表面缺陷嚴重。針對上述問題，設計一種能實現單次焊接雙道成形以消除焊縫減薄、修復鋁/銅缺陷的攪拌摩擦焊焊具是非常有必要的。

技術實現要素：

本發明為了解決現有攪拌摩擦焊過程中，由於軸肩壓入焊縫表面，大量的摩擦產熱導致工件表面材料軟化溢出，形成飛邊，導致焊縫減薄；另一方面，鋁/銅等異種金屬在焊接時極易形成脆性的金屬間化合物，導致焊縫無法成形，焊縫表面缺陷嚴重的問題，提出一種能實現單次焊接雙道成形的攪拌摩擦焊焊具。

本發明的一種能實現單次焊接雙道成形的攪拌摩擦焊焊具，其組成包括夾持體、攪拌體和兩個緊固螺釘，其中夾持體和攪拌體的軸心處於同一直線上，所述夾持體由同軸的上圓柱體和下圓柱體組成，上圓柱體的直徑小於下圓柱體的直徑，上圓柱體與下圓柱體製成一體，上圓柱體的外表面上設有焊具夾持面，軸心開有退料孔，下圓柱體的外表面上設有至少一個環形隔熱槽，下圓柱體的軸心處設有放置攪拌體的夾持孔，退料孔與夾持孔相通，且夾持孔直徑大於退料孔直徑，下圓柱體上設有徑向螺紋通孔，徑向螺紋通孔位於環形隔熱槽的上方，夾持孔將徑向螺紋通孔分為兩個徑向螺紋通孔，下圓柱體的下端面為大直徑軸肩，大直徑軸肩設計為內凹型；

攪拌體設置在夾持孔中，攪拌體的上端面與夾持孔的底部靠嚴，攪拌體由攪拌針柄和攪拌針組成，攪拌針柄與攪拌針上下設置且製成一體，其中攪拌針柄上端兩側外表面上設有焊具夾持面，兩側焊具夾持面與兩個徑向螺紋通孔上下一一正對，攪拌針柄的下端面為小直徑軸肩，小直徑軸肩設計為內凹型，小直徑軸肩的端面相對大直徑軸肩的端面向外伸出有一定的伸出量d，攪拌針的外徑表面設有右旋螺紋，攪拌針的下端面為凸面；

每個徑向螺紋通孔中旋入一個緊固螺釘，緊固螺釘底端與焊具夾持面相接觸。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：

一、本發明的焊具針對同種材料的焊接，控制大直徑軸肩和小直徑軸肩之間的相對距離(伸出量d)，利用小直徑軸肩實現「單次焊接」成形，利用大軸肩實現溢出材料的二次碾壓回填，從而實現無減薄攪拌摩擦焊。

二、本發明的焊具針對易於產生金屬間化合物的異種金屬(鋁/銅等)焊接，本發明所述焊具通過大直徑軸肩對焊縫進行二次碾壓處理，可消除焊縫表面和內部的缺陷，提高接頭質量。

三、本發明的焊具攪拌體可更換，改變小直徑軸肩相對大直徑軸肩外緣向外伸出的伸出量d及攪拌針的長度，可實現不同厚度板的對接。

附圖說明

圖1是本發明的整體結構主視圖；

圖2是圖1的c-c剖視圖；

圖3是攪拌體2的主視圖；

圖4是圖3的a-a剖視圖；

圖5是圖2的i局部放大圖；

圖6是利用本發明的焊具實現單次焊接雙道成形的焊接原理示意圖。

具體實施方式

具體實施方式一：結合圖1～圖5說明本實施方式，本實施方式包括夾持體1、攪拌體2和兩個緊固螺釘3，其中夾持體1和攪拌體2的軸心處於同一直線上，夾持體1由同軸的上圓柱體1-1和下圓柱體1-2組成，上圓柱體1-1的直徑小於下圓柱體1-2的直徑，上圓柱體1-1與下圓柱體1-2製成一體，上圓柱體1-1的外表面上設有焊具夾持面1-1-1，軸心開有退料孔1-1-2，下圓柱體1-2的外表面上設有至少一個環形隔熱槽1-2-1，下圓柱體1-2的軸心處設有放置攪拌體2的夾持孔1-2-2，退料孔1-1-2與夾持孔1-2-2相通，且夾持孔1-2-2直徑大於退料孔1-1-2直徑，下圓柱體1-2上設有徑向螺紋通孔1-2-3，徑向螺紋通孔1-2-3位於環形隔熱槽1-2-1的上方，夾持孔1-2-2將徑向螺紋通孔1-2-3分為兩個徑向螺紋通孔1-2-3，下圓柱體1-2的下端面為大直徑軸肩1-2-4，大直徑軸肩1-2-4設計為內凹型；

攪拌體2設置在夾持孔1-2-2中，攪拌體2的上端面與夾持孔1-2-2的底部靠嚴，攪拌體2由攪拌針柄2-1和攪拌針2-2組成，攪拌針柄2-1與攪拌針2-2上下設置且製成一體，其中攪拌針柄2-1上端兩側外表面上設有焊具夾持面2-1-1，兩側焊具夾持面2-1-1與兩個徑向螺紋通孔1-2-3上下一一正對，攪拌針柄2-1的下端面為小直徑軸肩2-1-2，小直徑軸肩2-1-2設計為內凹型，小直徑軸肩2-1-2的端面相對大直徑軸肩1-2-4的端面向外伸出有一定的伸出量d，攪拌針2-2的外徑表面設有右旋螺紋2-2-1，攪拌針2-2的下端面為凸面2-2-2；

每個徑向螺紋通孔1-2-3中旋入一個緊固螺釘3，緊固螺釘3底端與焊具夾持面2-1-1相接觸。

大直徑軸肩1-2-4和小直徑軸肩2-1-2均設計為內凹形，可有效防止塑化材料的流出。

焊接完成後，可從退料孔1-1-2將夾持孔1-2-2內的攪拌針柄2-1推出，便於更換攪拌體2，從而改變小直徑軸肩2-1-2相對大直徑軸肩1-2-4外緣向外伸出的長度及攪拌針2-2的長度，實現不同厚度板的對接。

具體實施方式二：結合圖5說明本實施方式，本實施方式為攪拌針2-2的長度l的選取：l＝h-(0.1～0.3)mm，其中h為焊接工件4的板厚。這樣設置可以防止攪拌針扎入背部墊板而造成攪拌針的磨損。其它組成及連接與具體實施方式一相同。

具體實施方式三：結合圖5說明本實施方式，本實施方式為攪拌針2-2的長度l的選取：l＝h-0.2mm。這樣設置可以防止攪拌針扎入背部墊板而造成攪拌針的磨損。其它組成及連接與具體實施方式二相同。

具體實施方式四：結合圖5說明本實施方式，本實施方式為伸出量d的選取：d＝(0.05～0.20)mm。這樣設置可以保證大軸肩的二次碾壓作用，足以使被擠出的飛邊材料被完全回填進焊縫中。其它組成及連接與具體實施方式一、二或三相同。

具體實施方式五：結合圖5說明本實施方式，本實施方式為伸出量d的選取：d＝0.10mm。這樣設置可以保證大軸肩的二次碾壓作用，足以使被擠出的飛邊材料被完全回填進焊縫中。其它組成及連接與具體實施方式四相同。

具體實施方式六：結合圖5說明本實施方式，本實施方式為大直徑軸肩1-2-4的大軸肩直徑φ1與小直徑軸肩2-1-2的小軸肩直徑φ2之間的關係為：φ1＝φ2+(2～4)mm。這樣設置既滿足二次碾壓過程對大直徑軸肩尺寸的要求，又防止了過高的焊接熱輸入。其它組成及連接與具體實施方式五相同。

具體實施方式七：結合圖5說明本實施方式，本實施方式為大直徑軸肩1-2-4的大軸肩直徑φ1與小直徑軸肩2-1-2的小軸肩直徑φ2之間的關係為：φ1＝φ2+3mm。這樣設置既滿足二次碾壓過程對大直徑軸肩尺寸的要求，又防止了過高的焊接熱輸入。其它組成及連接與具體實施方式五或六相同。

具體實施方式八：結合圖6說明本實施方式，本實施方式為焊具進行攪拌摩擦對接時，焊接速度為10mm/min～1000mm/min，焊具轉速為200r/min～3000r/min，主軸傾角為0～5°，大直徑軸肩1-2-4的下壓量為0.1mm～0.3mm。其它組成及連接與具體實施方式六相同。

具體實施方式九：結合圖2說明本實施方式，本實施方式為夾持體1採用w18cr4v、w6mo5cr4v2或w9mo3cr4v牌號的高速鋼，上述材質的高速鋼結構可以重複使用。其它組成及連接與具體實施方式八相同。

具體實施方式十：本實施方式為攪拌體2的材質為鎳基合金、碳化鎢鈷合金或多晶立方氮化硼。視具體工件材料而定，鎳基合金、碳化鎢鈷合金、多晶立方氮化硼可以重複使用。其它組成及聯接關係與具體實施方式九相同。

本發明的工作原理：焊接初始，焊具下壓階段，由於小直徑軸肩2-1-2相對大直徑軸肩1-2-4外緣向外伸出一定長度，小直徑軸肩2-1-2先於大直徑軸肩1-2-4接觸並扎入焊接工件4，且小直徑軸肩2-1-2扎入深度相對較大，保證了焊縫成形，此為「單次焊接」過程。在焊接過程中，小直徑軸肩2-1-2下壓將下方的材料擠向大直徑軸肩1-2-4的內凹型結構處，如圖6所示，隨著焊具的旋轉行進，存於大直徑軸肩1-2-4內凹型結構處的材料被大直徑軸肩1-2-4再次摩擦碾壓，迫使溢出材料回到焊縫中，進而完成「雙道成形」過程。