增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其製造方法

2023-05-24 01:07:21 2

增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其製造方法
【專利摘要】增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其製造方法，它涉及一種攪拌頭及其製造方法。本發明為了解決目前在攪拌摩擦焊時，針對流動行為較差的材料在焊縫中出現溝槽、孔洞等缺陷問題。裝置：攪拌針連在攪拌頭軸肩上，攪拌針的側面加工出右旋螺紋和一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°；方法：步驟一、攪拌頭尺寸的確定；步驟二、確定攪拌針的使用長度；步驟三、在軸肩位置開設方程為ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽；步驟四：在攪拌針側面加工出右旋螺紋和平面；步驟五、固定被焊工件；步驟六、攪拌頭定位；步驟七、對第一被焊工件和第二被焊工件進行攪拌摩擦焊接。本發明用於攪拌摩擦焊接。
【專利說明】増強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其製造方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種攪拌頭及其製造方法，具體涉及一種增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其製造方法，屬於焊接【技術領域】。

【背景技術】
[0002]從攪拌摩擦焊技術發明以來，不同的材料在焊縫成形方面表現出不同的特點，除焊接參數影響攪拌摩擦焊焊縫質量以外，攪拌頭的形狀對於攪拌摩擦焊焊縫的成形起著非常重要的作用。
[0003]攪拌頭是攪拌摩擦焊所採用的一種非消耗的可轉動的焊接工具。在焊接過程中，攪拌頭具有與其周圍材料摩擦產熱、破碎工件表面氧化層、轉移塑性材料等作用。因而，攪拌頭是攪拌摩擦焊技術的核心，其結構設計決定了整個焊接過程的各個工藝參數和焊縫質量。對於攪拌摩擦焊來說，攪拌針旋轉時所轉移材料的體積和攪拌針自身體積的比值是十分重要的參數，這個比值對於提高塑性材料的流動非常重要，其值越大越好。目前，以圓柱狀和圓錐狀帶螺紋攪拌針應用最為廣泛，然而，對於一些流動行為較差的材料，在攪拌摩擦焊時，攪拌針可轉移的材料的體積較小且其周圍的材料在塑性流動過程中不能很好地結合在一起，容易在焊縫中出現溝槽、孔洞的問題。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是為了解決目前在攪拌摩擦焊時，攪拌針可轉移的材料的體積較小且其周圍的材料在塑性流動過程中不能很好地結合在一起，容易在焊縫中出現溝槽、孔洞的問題。進而提供一種增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其製造方法。
[0005]本發明的裝置技術方案是:它包括攪拌頭軸肩和攪拌針，攪拌針固定連接在攪拌頭軸肩的下端面上，攪拌針的直徑小於攪拌頭軸肩的直徑，攪拌針的側面加工出右旋螺紋和一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°。
[0006]本發明的方法技術方案是:通過以下步驟實現的:
[0007]步驟一、攪拌頭尺寸的確定:
[0008]根據被焊工件的厚度確定上軸肩的直徑和攪拌針直徑:上軸肩直徑Φ I為被焊工件厚度t的2.75?3倍，攪拌針直徑Φ 2為被焊工件厚度t的I?1.25倍；
[0009]步驟二、確定攪拌針的使用長度:
[0010]攪拌針的使用長度T比工件厚度t小0.1?0.2mm ;
[0011]步驟三、在軸肩位置開設方程為P = b+a Θ的阿基米德螺旋槽:
[0012]其中Θ表示阿基米德螺旋線轉過的總度數，P表示極徑，b為攪拌針直徑小2的1/2?I倍，表示Θ等於零時的極徑，a為1/(4 31)?5/U)，表示每旋轉一度時極徑的增加量，螺旋槽由內徑向外徑以順時針方向向外擴展；
[0013]步驟四、在攪拌針側面加工出螺紋和平面:
[0014]首先，在攪拌針側面加工出右旋螺紋，然後，在攪拌針側面加工出一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120° ;
[0015]步驟五、固定第一被焊工件和第二被焊工件:
[0016]將第一被焊工件和第二被焊工件對接設置且二者位於同一水平面上，即將第一被焊工件和第二被焊工件組對，用夾具固定在工作檯上；所述第一被焊工件和第二被焊工件為同厚度的板材；
[0017]步驟六、攪拌頭定位:
[0018]將攪拌頭移至工件外側進行定位，使攪拌頭軸肩的端面與第一被焊工件和第二被焊工件的上端面重合，或扎入第一被焊工件和第二被焊工件深度H為0.01?0.5mm，攪拌針的軸心線位於第一被焊工件和第二被焊工件的對接面處；
[0019]步驟七、對第一被焊工件和第二被焊工件進行攪拌摩擦焊接:
[0020]軸肩與攪拌針的轉速為200轉/分鐘?3000轉/分鐘，攪拌頭整體以20毫米/分鐘?5000毫米/分鐘的速度沿第一被焊工件和第二被焊工件的對接面長度方向行走，直至焊接完成。
[0021]本發明與現有技術相比具有以下效果:
[0022]一、本發明的軸肩開設有阿基米德螺旋線，能夠使軸肩具備儲藏塑性材料的能力，並能促進焊縫材料在軸肩作用區由軸肩外緣向焊縫中心的流動，既有利於焊縫的成形，又可以有效避免焊縫的減薄。
[0023]二、本發明的攪拌針上帶有右旋的螺紋會促進焊縫塑化材料在垂直方向的流動。當攪拌針逆時針旋轉時，攪拌針表面的螺紋將驅動其周圍材料向下運動，流動的塑化材料在底部受到剛性底板的阻礙作用，朝周邊擠壓原處於焊縫底部的材料，使其向更遠的位置迀移。
[0024]三、本發明的攪拌針側面加工出一個與軸線方向平行的平面促進了焊縫塑性材料水平方向的流動。此平面的存在使攪拌針具有一定儲存塑性材料的能力，並在旋轉過程中帶動這一部分塑性材料共同運動。此平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°，這樣設計既不會出現由於平面面積過大導致的攪拌針強度降低，在焊接過程中發生斷裂的問題，又避免了平面面積過小導致的材料在水平方向的流動不明顯的缺點，使焊接過程中材料水平方向流動的效果達到最佳。
[0025]同傳統的攪拌針相比，該設計既促進了材料垂直方向的流動，又有利於更多材料在水平方向上隨攪拌針一起轉動，因此，對於流動行為較差的材料，可以增強焊縫材料的流動，從而為得到更高性能的焊縫提供了可能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發明方法實施的示意圖。圖中I是攪拌頭，1-1是攪拌頭軸肩，1-2是攪拌針，2是第一被焊工件，3是第二被焊工件。圖2是攪拌針截面示意圖。

【具體實施方式】
[0027]【具體實施方式】一:結合圖1和圖2說明本實施方式，本實施方式的攪拌頭包括攪拌頭軸肩1-1和攪拌針1-2，攪拌針1-2固定連接在攪拌頭軸肩1-1的下端面上，攪拌針1-2的直徑小於攪拌頭軸肩1-1的直徑，攪拌針1-2的側面加工出右旋螺紋和一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°。攪拌頭的製造方法是通過以下步驟實現的:步驟一、攪拌頭尺寸的確定:根據第一被焊工件2和第二被焊工件3的厚度確定上軸肩的直徑和攪拌針直徑:軸肩直徑Φ I為被焊工件厚度t的2.75?3倍，攪拌針直徑Φ 2為被焊工件厚度t的I?1.25倍，根據第一被焊工件2和第二被焊工件3的厚度來選擇攪拌頭的各部分的尺寸，是為保證焊縫的成形及接頭質量的穩定性；步驟二、確定攪拌針的使用長度:攪拌針的使用長度T比工件厚度t小0.1?0.2mm ;步驟三、在軸肩位置開出方程為P =b+a9的阿基米德螺旋槽，其中Θ表示阿基米德螺旋線轉過的總度數，P表示極徑，b為攪拌針直徑巾2的1/2?I倍，表示Θ等於零時的極徑，a為1/(4 31)?5/(τι),表示每旋轉一度時極徑的增加量，螺旋槽由內徑向外徑以順時針方向向外擴展，這樣做的目的:一方面可以增大軸肩與焊縫塑性材料的接觸面積，從而增加攪拌摩擦焊接過程中的產熱；另一方面具有阿基米德螺旋線的軸肩可以增強其下方的塑性材料向焊縫中心流動，有效克服了由於焊縫減薄而導致的性能下降問題；步驟四、在攪拌針側面加工出螺紋和平面:在攪拌針側面加工出右旋螺紋，一方面可以增加攪拌針與工件摩擦的表面積，從而增加攪拌摩擦焊接過程的產熱，另一方面是與軸肩的阿基米德螺旋線相配合，使被焊塑性材料受到旋轉螺紋的擠壓力垂直向下的分量，增強了焊縫材料在垂直方向的流動行為，從而有效避免焊縫根部出現孔洞缺陷；在此基礎之上，在攪拌針側面加工出一個與軸線方向平行的平面，此平面的存在使攪拌針具有一定儲存材料的能力，並在旋轉過程中使被焊材料受到此平面在水平方向上的擠壓力同攪拌針一起運動，從而增強焊縫材料水平方向的流動行為；此平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°，這樣設計既不會出現由於平面面積過大導致的攪拌針強度降低，在焊接過程中發生斷裂的問題，又避免了平面面積過小導致的材料在水平方向的流動不明顯的缺點，使焊接過程中材料水平方向流動的效果達到最佳；步驟五、固定第一被焊工件2和第二被焊工件3:將第一被焊工件2和第二被焊工件3對接設置且二者位於同一水平面上，即將第一被焊工件2和第二被焊工件3組對，用夾具固定在工作檯上；所述第一被焊工件2和第二被焊工件3為同厚度的板材；步驟六、攪拌頭定位:將攪拌頭移至工件外側進行定位，使攪拌頭軸肩1-1的端面與第一被焊工件2和第二被焊工件3的上端面重合，或扎入被焊工件2深度H為0.01?0.5mm，攪拌針1_2的軸心線位於第一被焊工件2和第二被焊工件3的對接面處，攪拌頭軸肩1-1的端面低於第一被焊工件2和第二被焊工件3的上表面，以調整上、下軸肩的受力情況；步驟七、對第一被焊工件2和第二被焊工件3進行攪拌摩擦焊接:軸肩1-1與攪拌針1-2的轉速為200轉/分鐘?3000轉/分鐘，攪拌頭整體以20毫米/分鐘?5000毫米/分鐘的速度沿第一被焊工件2和第二被焊工件3的對接面長度方向行走，直至焊接完成。
[0028]【具體實施方式】二:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟一中軸肩直徑Φ I為被焊工件厚度t的3倍，攪拌針直徑Φ2為被焊工件厚度t的I倍。上述攪拌頭尺寸可保證焊縫成形的穩定性。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0029]【具體實施方式】三:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟二中攪拌針的使用長度T比工件厚度t小0.2_。上述數值使得攪拌摩擦焊接效果最佳。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0030]【具體實施方式】四:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟三中軸肩位置開出方程為P =b+a0的阿基米德螺旋槽，其中b為攪拌針直徑巾2的2/3倍，表示Θ等於零時的極徑，a為1/(2 )，表示每旋轉一度時極徑的增加量。上述數值使得攪拌摩擦焊接效果最佳。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0031]【具體實施方式】五:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟六中扎入第一被焊工件2和第二被焊工件3深度H為0.15mm。上述數值使得攪拌摩擦焊接效果最佳。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0032]【具體實施方式】六:結合圖1說明本實施方式，本實施方式的步驟七中軸肩1-1的轉速為800轉/分鐘，焊接速度為200毫米/分鐘。上述焊接參數為攪拌摩擦焊的最佳工藝參數值。其它步驟與【具體實施方式】一相同。
[0033]雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明的，本領域技術人員還可以在本發明精神內做其他變化，以及應用到本發明未提及的領域中，當然，這些依據本發明精神所做的變化都應包含在本發明所要求保護的範圍內。
【權利要求】
1.一種增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭，其特徵在於:它包括攪拌頭軸肩(1-1)和攪拌針(1-2)，攪拌針(1-2)固定連接在攪拌頭軸肩(1-1)的下端面上，攪拌針(1-2)的直徑小於攪拌頭軸肩(1-1)的直徑，攪拌針(1-2)的側面加工出右旋螺紋和一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°。
2.一種製造權利要求1所述的增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的方法，其特徵在於:所述方法通過以下步驟實現的: 步驟一、攪拌頭尺寸的確定: 根據被焊工件的厚度確定上軸肩的直徑和攪拌針直徑:上軸肩直徑ΦI為被焊工件厚度t的2.75?3倍，攪拌針直徑Φ 2為被焊工件厚度t的I?1.25倍； 步驟二、確定攪拌針的使用長度: 攪拌針的使用長度T比工件厚度t小0.1?0.2mm ; 步驟三、在軸肩位置開設方程為P =b+a9的阿基米德螺旋槽: 其中Θ表示阿基米德螺旋線轉過的總度數，P表示極徑，b為攪拌針直徑巾2的1/2?I倍，表示Θ等於零時的極徑，a為I/(4 31)?5/U)，表示每旋轉一度時極徑的增加量，螺旋槽由內徑向外徑以順時針方向向外擴展； 步驟四、在攪拌針側面加工出螺紋和平面: 首先，在攪拌針側面加工出右旋螺紋，然後，在攪拌針側面加工出一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120° ; 步驟五、固定第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3): 將第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)對接設置且二者位於同一水平面上，即將第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)組對，用夾具固定在工作檯上；所述第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)為同厚度的板材； 步驟六、攪拌頭定位: 將攪拌頭移至工件外側進行定位，使攪拌頭軸肩(1-1)的端面與第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的上端面重合，或扎入第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)深度H為0.01?0.5mm，攪拌針(1_2)的軸心線位於第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的對接面處； 步驟七、對第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)進行攪拌摩擦焊接: 軸肩與攪拌針的轉速為200轉/分鐘?3000轉/分鐘，攪拌頭整體以20毫米/分鐘?5000毫米/分鐘的速度沿第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的對接面長度方向行走，直至焊接完成。
3.根據權利要求2所述的增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的製造方法，其特徵在於:所述步驟一中軸肩直徑Φ I為被焊工件厚度t的3倍，攪拌針直徑Φ 2為被焊工件厚度t的I倍。
4.根據權利要求2所述的增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的製造方法，其特徵在於:所述步驟二中攪拌針的使用長度T比工件厚度t小0.2_。
5.根據權利要求2所述的增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的製造方法，其特徵在於:所述步驟三中軸肩位置開出方程為P =b+ae的阿基米德螺旋槽，其中b為攪拌針直徑巾2的2/3倍，a為1/(2 )。
6.根據權利要求2所述的增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的製造方法，其特徵在於:所述步驟六中扎入第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)深度H為0.15_。
7.根據權利要求2所述的增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的製造方法，其特徵在於:所述步驟七中軸肩(1-1)的轉速為800轉/分鐘，焊接速度為200毫米/分鐘。
【文檔編號】B23K20/12GK104475966SQ201410765362
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】劉會傑, 胡琰瑩, 趙運強, 劉向前, 王志國, 竇超 申請人:哈爾濱工業大學