軸肩呈上凹下凹式焊具及無支撐無傾角攪拌摩擦焊方法

2023-04-29 14:37:46

專利名稱：軸肩呈上凹下凹式焊具及無支撐無傾角攪拌摩擦焊方法
技術領域：
本發明涉及一種攪拌摩擦焊的焊具及方法，具體涉及一種用於無傾角中空無支撐結構攪拌摩擦焊並且上下軸肩凹形相對的焊具及無支撐無傾角攪拌摩擦焊方法。
背景技術：
攪拌摩擦焊技術(Friction Stir Welding,稱FSW)是由英國焊接研究所(The Welding Institute,簡稱TWI)於1991年發明的一項新的固相連接方法，即可以通過不融化母材和焊材而進行聯結。攪拌摩擦焊克服了以往熔焊的諸如氣孔、裂紋、變形等缺點，連接工藝簡單，接頭質量好，有較好的工藝適應性。目前，該技術已應用到包括輕軌、地鐵、快速列車和高速列車等軌道交通行業在內的眾多領域，攪拌摩擦焊技術正逐漸成為軌道車輛車體製造的主導焊接工藝技術。由於對列車高速度、輕量化、車體結構和焊接接頭高安全性的要求，現代高速列車的車體已經形成以鋁合金中空型材結構和攪拌摩擦焊接相結合的設計和製造主線。高速列車的車壁板、頂板以及底板等多採用中空型材結構，中空型材結構的焊接是將攪拌摩擦焊技術應用於列車製造的重要方面。現在對於中空型材結構的攪拌摩擦焊主要包括雙軸肩自持式攪拌摩擦焊,雙軸肩自持式攪拌摩擦焊在無支撐中空型材結構的焊接過程中，焊接前需要在啟焊處預置導引孔，以便插入攪拌針；焊後，需預置導出孔，抽出攪拌針；預製導引孔和導出孔，難以形成封閉的結構完整的焊縫，還導致焊接過程操作複雜化；同時由於下軸肩面積大會導致焊接熱輸入量大及攪拌針承載過大載荷而影響接頭的性能甚至造成攪拌針斷裂的問題。

發明內容
本發明的目的是為解決現有雙軸肩自持式攪拌摩擦焊需要預製導引孔和導出孔， 攪拌摩擦焊過程中無剛性墊板支撐，難以形成封閉完整的焊縫以及熱輸入量過大導致接頭性能降低的問題，提供一種軸肩呈上凹下凹式焊具及無支撐無傾角攪拌摩擦焊方法。本發明的焊具包括夾持體和攪拌體，夾持體包括上圓柱體和下圓柱體，所述攪拌體包括主攪拌針和輔助攪拌針，上圓柱體、下圓柱體、主攪拌針、輔助攪拌針由上至下依次設置且製成一體，所述上圓柱體的直徑小於下圓柱體的直徑，上圓柱體的外表面上設有夾持面，下圓柱體的外表面上設有至少兩個環形隔熱槽，主攪拌針為錐形體，主攪拌針的上端直徑大於下端直徑，主攪拌針的外表面設有螺紋，輔助攪拌針為錐形體，輔助攪拌針的下端為尖點，輔助攪拌針的錐形外表面沿圓周均布設有4 8個溝槽，所述下圓柱體的下端面為外邊緣高於中心的上凹形軸肩面，所述輔助攪拌針的上端面為外邊緣高於中心的下凹形軸肩面，上凹形軸肩面的直徑大於下凹形軸肩面的直徑。本發明的方法是通過以下步驟實現的步驟一、確定攪拌體的使用長度根據被焊件的厚度確定攪拌體的使用長度，攪拌體的使用長度小於被焊件的厚度的O. 05mm O. 35mm ；步驟二、確定上凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的夾角上凹形軸肩面與焊具中
4心軸線之間的上夾角為75° 81° ;步驟三、確定上凹形軸肩面的直徑根據被焊件的厚度確定上凹形軸肩面的直徑， 上凹形軸肩面的直徑為被焊件厚度的I. 6倍 2. 5倍；步驟四、確定下凹形軸肩面的直徑根據上凹形軸肩面的直徑確定下凹形軸肩面的直徑，下凹形軸肩面的直徑為上凹形軸肩面的直徑的O. 15倍 O. 35倍；步驟五、確定下凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的銳角下凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的下夾角為75° 80° ;步驟六、壓入輔助攪拌針焊具與被焊件的焊接面垂直設置，將焊具移至待焊處， 將輔助攪拌針接觸待焊工件；步驟七、進行中空無支撐結構的攪拌摩擦焊焊具以100轉/分鐘 1500轉/分鐘的轉速、I毫米/分鐘 10毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面的壓入深度為O. I毫米 O. 3毫米，以20毫米/分鐘 1000毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。本發明具有以下優點一、本發明將攪拌摩擦焊焊具設計為具有主攪拌針和輔助攪拌針的一體式雙軸肩的自持式攪拌摩擦焊具，且主攪拌針的上軸肩面為上凹形軸肩面， 輔助攪拌針的上軸肩面為下凹形軸肩面，在攪拌摩擦焊接過程中，輔助攪拌針直接壓入被焊件，不需要預製導引孔和導出孔，能夠形成封閉的結構完整的焊縫，簡化了操作過程，上下凹形的軸肩面可以防止焊接過程中塑性金屬向外流動，實現焊縫上下表面的良好成形， 從而提高了中空無支撐結構件攪拌摩擦焊的適應能力。二、下凹形軸肩面的直徑遠小於上凹形軸肩面的直徑，解決了雙軸肩自持式攪拌摩擦焊的熱輸入量過大的問題。三、輔助攪拌針的設置解決了無支撐中空結構型材在焊接過程中的無支撐和背部難以成形的問題。四、 輔助攪拌針的溝槽使得攪拌體在旋轉過程中更容易壓入無支撐中空結構型材中，防止了被焊工件產生變形。


圖I是本發明無傾角且軸肩呈上凹下凹式攪拌摩擦焊的焊具的整體結構主剖視圖；圖2是主攪拌針3和輔助攪拌針4的位置關係示意圖；圖3是圖I的I局部放大圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結合圖I 圖3說明本實施方式，本實施方式包括夾持體和攪拌體，夾持體包括上圓柱體I和下圓柱體2，攪拌體包括主攪拌針3和輔助攪拌針4，上圓柱體
I、下圓柱體2、主攪拌針3、輔助攪拌針4由上至下依次設置且製成一體，所述上圓柱體I的直徑小於下圓柱體2的直徑，上圓柱體I的外表面上設有夾持面1-1，下圓柱體2的外表面上設有至少兩個環形隔熱槽2-1，主攪拌針3為錐形體，主攪拌針3的上端直徑大於下端直徑，主攪拌針3的外表面設有螺紋3-1，輔助攪拌針4為錐形體，輔助攪拌針4的下端為尖點，輔助攪拌針4的錐形外表面沿圓周均布設有4 8個溝槽4-1，溝槽4-1用以保證輔助攪拌針4能夠插入待焊工件中，所述下圓柱體2的下端面為外邊緣高於中心的上凹形軸肩面2-2，上凹形軸肩面2-2用以滿足中空無支撐結構無傾斜角攪拌摩擦焊焊縫成形的需要， 上凹形軸肩面2-2有效防止了塑性金屬材料的流出，所述輔助攪拌針4的上端面為外邊緣高於中心的下凹形軸肩面4-2，下凹形軸肩面4-2作為輔助攪拌針4的下凹結構，以防止焊縫下部塑性金屬材料的流出，上凹形軸肩面2-2的直徑Dl大於下凹形軸肩面4-2的直徑 D2。
具體實施方式
二 結合圖3說明本實施方式，本實施方式的下凹形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的夾角為下夾角α，下夾角α為75° 80°。其它組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結合圖I說明本實施方式，本實施方式的上凹形軸肩面2-2與焊具中心軸線N-N之間的夾角為上夾角β，上夾角β為75° 81°。其它組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四本實施方式的焊具的材質為高速鋼。高速鋼可以重複使用。其它組成及連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
五結合圖I 圖3具體說明本實施方式的實現步驟步驟一、確定攪拌體的使用長度L :根據被焊件的厚度確定攪拌體的使用長度L， 攪拌體的使用長度L小於被焊件的厚度的O. 05mm O. 35mm ；步驟二、確定上凹形軸肩面2-2與焊具中心軸線N-N之間的夾角β :上凹形軸肩面2-2與焊具中心軸線N-N之間的上夾角β為75° 81° ;步驟三、確定上凹形軸肩面2-2的直徑Dl :根據被焊件的厚度確定上凹形軸肩面 2-2的直徑D1，上凹形軸肩面2-2的直徑Dl為被焊件厚度的I. 6倍 2. 5倍；步驟四、確定下凹形軸肩面4-2的直徑D2 :根據上凹形軸肩面2_2的直徑確定下凹形軸肩面4-2的直徑，下凹形軸肩面4-2的直徑D2為上凹形軸肩面2-2的直徑Dl的O. 15 倍 O. 35倍；步驟五、確定下凹形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的銳角α :下凹形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的下夾角α為75° 80° ;步驟六、壓入輔助攪拌針4 :焊具與被焊件的焊接面垂直設置，將焊具移至待焊處，將輔助攪拌針4接觸待焊工件；步驟七、進行中空無支撐結構的攪拌摩擦焊焊具以100轉/分鐘 1500轉/分鐘的轉速、I毫米/分鐘 10毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面2-2的壓入深度為O. I毫米 O. 3毫米，以20毫米/分鐘 1000毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。
具體實施方式
六結合圖I和圖3說明本實施方式，本實施方式的步驟一中攪拌體的使用長度L小於被焊件的厚度的O. 2mm。其它步驟與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
七結合圖I說明本實施方式，本實施方式的步驟二中上凹形軸肩面2-2與焊具中心軸線N-N之間的上夾角β為80° ;步驟五中下凹形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的下夾角α為78°。其它步驟與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
八結合圖I說明本實施方式，本實施方式的步驟三中上凹形軸肩面2-2的直徑Dl為被焊件厚度的2倍；步驟四中下凹形軸肩面4-2的直徑D2為上凹形軸肩面2-2的直徑Dl的O. 25倍。其它步驟與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
九本實施方式為步驟七中焊具以500轉/分鐘的轉速、2毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面2-2的壓入深度為02毫米，以100毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。其它步驟與具體實施方式
五相同。
具體實施方式
十本實施方式為步驟七中焊具以800轉/分鐘的轉速、3毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面2-2的壓入深度為O. 25毫米，以300毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。其它步驟與具體實施方式
五相同。
權利要求
1.一種軸肩呈上凹下凹式焊具，所述焊具包括夾持體和攪拌體，夾持體包括上圓柱體(I)和下圓柱體(2)，其特徵在於所述攪拌體包括主攪拌針(3)和輔助攪拌針(4)，上圓柱體(I)、下圓柱體(2)、主攪拌針(3)、輔助攪拌針(4)由上至下依次設置且製成一體，所述上圓柱體(I)的直徑小於下圓柱體(2)的直徑，上圓柱體(I)的外表面上設有夾持面 (1-1)，下圓柱體(2)的外表面上設有至少兩個環形隔熱槽(2-1)，主攪拌針(3)為錐形體， 主攪拌針(3)的上端直徑大於下端直徑，主攪拌針(3)的外表面設有螺紋(3-1)，輔助攪拌針(4)為錐形體，輔助攪拌針(4)的下端為尖點，輔助攪拌針(4)的錐形外表面沿圓周均布設有4 8個溝槽(4-1)，所述下圓柱體(2)的下端面為外邊緣高於中心的上凹形軸肩面 (2-2)，所述輔助攪拌針(4)的上端面為外邊緣高於中心的下凹形軸肩面(4-2)，上凹形軸肩面(2-2)的直徑(Dl)大於下凹形軸肩面(4-2)的直徑(D2)。
2.根據權利要求I所述軸肩呈上凹下凹式焊具，其特徵在於所述下凹形軸肩面(4-2) 與焊具中心軸線(N-N)之間的夾角為下夾角(α)，下夾角(α)為75° 80°。
3.根據權利要求I或2所述軸肩呈上凹下凹式焊具，其特徵在於所述上凹形軸肩面 (2-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的夾角為上夾角(β)，上夾角(β)為75° 81°。
4.根據權利要求3所述軸肩呈上凹下凹式焊具，其特徵在於所述焊具的材質為高速鋼。
5.一種利用權利要求I所述焊具實現無支撐無傾角攪拌摩擦焊的方法，其特徵在於 所述方法是通過以下步驟實現的步驟一、確定攪拌體的使用長度(L):根據被焊件的厚度確定攪拌體的使用長度(L)， 攪拌體的使用長度(U小於被焊件的厚度的O. 05mm O. 35mm ；步驟二、確定上凹形軸肩面(2-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的夾角(β):上凹形軸肩面(2-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的上夾角(β)為75° 81° ;步驟三、確定上凹形軸肩面(2-2)的直徑(Dl):根據被焊件的厚度確定上凹形軸肩面 (2-2)的直徑(Dl)，上凹形軸肩面(2-2)的直徑(Dl)為被焊件厚度的I. 6倍 2. 5倍；步驟四、確定下凹形軸肩面(4-2)的直徑(D2):根據上凹形軸肩面(2-2)的直徑確定下凹形軸肩面(4-2)的直徑，下凹形軸肩面(4-2)的直徑(D2)為上凹形軸肩面(2-2)的直徑(Dl)的O. 15倍 O. 35倍；步驟五、確定下凹形軸肩面(4-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的銳角(α):下凹形軸肩面(4-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的下夾角(α)為75° 80° ;步驟六、壓入輔助攪拌針(4):焊具與被焊件的焊接面垂直設置，將焊具移至待焊處， 將輔助攪拌針(4)接觸待焊工件；步驟七、進行中空無支撐結構的攪拌摩擦焊焊具以100轉/分鐘 1500轉/分鐘的轉速、I毫米/分鐘 10毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面(2-2)的壓入深度為O. I毫米 O. 3毫米，以20毫米/分鐘 1000毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。
6.根據權利要求5所述無支撐無傾角攪拌摩擦焊的方法，其特徵在於步驟一中攪拌體的使用長度(L)小於被焊件的厚度的O. 2mm。
7.根據權利要求5所述無支撐無傾角攪拌摩擦焊的方法，其特徵在於步驟二中上凹形軸肩面(2-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的上夾角(β)為80° ;步驟五中下凹形軸肩面(4-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的下夾角(α)為78°。
8.根據權利要求5所述無支撐無傾角攪拌摩擦焊的方法，其特徵在於步驟三中上凹形軸肩面(2-2)的直徑(Dl)為被焊件厚度的2倍；步驟四中下凹形軸肩面(4-2)的直徑 (D2)為上凹形軸肩面(2-2)的直徑(Dl)的O. 25倍。
9.根據權利要求5所述無支撐無傾角攪拌摩擦焊的方法，其特徵在於步驟七中焊具以500轉/分鐘的轉速、2毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面(2-2)的壓入深度為O. 2毫米，以100毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。
10.根據權利要求5所述無支撐無傾角攪拌摩擦焊的方法，其特徵在於步驟七中焊具以800轉/分鐘的轉速、3毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，上凹形軸肩面(2-2)的壓入深度為O. 25毫米，以300毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。
全文摘要
軸肩呈上凹下凹式焊具及無支撐無傾角攪拌摩擦焊方法，它涉及一種攪拌摩擦焊的焊具及方法，以解決現有雙軸肩自持式攪拌摩擦焊需要預製導引孔和導出孔，難以形成封閉焊縫及熱輸入量過大導致接頭性能降低的問題。焊具上圓柱體、下圓柱體、主攪拌針、輔助攪拌針由上至下依次設置且製成一體，下圓柱體的下端面為上凹形軸肩面，輔助攪拌針的上端面為下凹形軸肩面。方法一、確定攪拌體的使用長度；二、確定上凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的夾角；三、確定上凹形軸肩面的直徑；四、確定下凹形軸肩面的直徑；五、確定下凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的銳角；六、壓入輔助攪拌針；七、進行中空無支撐結構的攪拌摩擦焊。本發明用於中空無支撐結構的焊接。
文檔編號B23K20/12GK102601514SQ20121007821
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者萬龍, 呂世雄, 韓冰, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業大學