增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法
【專利摘要】增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法，它涉及一種攪拌頭及其制造方法。本發(fā)明為了解決目前在攪拌摩擦焊時(shí)，針對(duì)流動(dòng)行為較差的材料在焊縫中出現(xiàn)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(cè)面加工出右旋螺紋和一個(gè)與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)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(zhǎng)度；步驟三、在軸肩位置開設(shè)方程為ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽；步驟四：在攪拌針側(cè)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(duì)第一被焊工件和第二被焊工件進(jìn)行攪拌摩擦焊接。本發(fā)明用于攪拌摩擦焊接。
【專利說明】増強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種攪拌頭及其制造方法，具體涉及一種增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法，屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]從攪拌摩擦焊技術(shù)發(fā)明以來，不同的材料在焊縫成形方面表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，除焊接參數(shù)影響攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量以外，攪拌頭的形狀對(duì)于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采用的一種非消耗的可轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǎn)熱、破碎工件表面氧化層、轉(zhuǎn)移塑性材料等作用。因而，攪拌頭是攪拌摩擦焊技術(shù)的核心，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)決定了整個(gè)焊接過程的各個(gè)工藝參數(shù)和焊縫質(zhì)量。對(duì)于攪拌摩擦焊來說，攪拌針旋轉(zhuǎn)時(shí)所轉(zhuǎn)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(shù)，這個(gè)比值對(duì)于提高塑性材料的流動(dòng)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(yīng)用最為廣泛，然而，對(duì)于一些流動(dòng)行為較差的材料，在攪拌摩擦焊時(shí)，攪拌針可轉(zhuǎn)移的材料的體積較小且其周圍的材料在塑性流動(dòng)過程中不能很好地結(jié)合在一起，容易在焊縫中出現(xiàn)溝槽、孔洞的問題。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]本發(fā)明的目的是為了解決目前在攪拌摩擦焊時(shí)，攪拌針可轉(zhuǎn)移的材料的體積較小且其周圍的材料在塑性流動(dòng)過程中不能很好地結(jié)合在一起，容易在焊縫中出現(xiàn)溝槽、孔洞的問題。進(jìn)而提供一種增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法。
[0005]本發(fā)明的裝置技術(shù)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，攪拌針的直徑小于攪拌頭軸肩的直徑，攪拌針的側(cè)面加工出右旋螺紋和一個(gè)與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)的圓心角為120°。
[0006]本發(fā)明的方法技術(shù)方案是:通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:
[0007]步驟一、攪拌頭尺寸的確定:
[0008]根據(jù)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(zhǎng)度:
[0010]攪拌針的使用長(zhǎng)度T比工件厚度t小0.1?0.2mm ;
[0011]步驟三、在軸肩位置開設(shè)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(zhuǎn)過的總度數(shù)，P表示極徑，b為攪拌針直徑小2的1/2?I倍，表示Θ等于零時(shí)的極徑，a為1/(4 31)?5/U)，表示每旋轉(zhuǎn)一度時(shí)極徑的增加量，螺旋槽由內(nèi)徑向外徑以順時(shí)針方向向外擴(kuò)展；
[0013]步驟四、在攪拌針側(cè)面加工出螺紋和平面:
[0014]首先，在攪拌針側(cè)面加工出右旋螺紋，然后，在攪拌針側(cè)面加工出一個(gè)與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)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(duì)接設(shè)置且二者位于同一水平面上，即將第一被焊工件和第二被焊工件組對(duì)，用夾具固定在工作臺(tái)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(cè)進(jìn)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，攪拌針的軸心線位于第一被焊工件和第二被焊工件的對(duì)接面處；
[0019]步驟七、對(duì)第一被焊工件和第二被焊工件進(jìn)行攪拌摩擦焊接:
[0020]軸肩與攪拌針的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘?3000轉(zhuǎn)/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(duì)接面長(zhǎng)度方向行走，直至焊接完成。
[0021]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下效果:
[0022]一、本發(fā)明的軸肩開設(shè)有阿基米德螺旋線，能夠使軸肩具備儲(chǔ)藏塑性材料的能力，并能促進(jìn)焊縫材料在軸肩作用區(qū)由軸肩外緣向焊縫中心的流動(dòng)，既有利于焊縫的成形，又可以有效避免焊縫的減薄。
[0023]二、本發(fā)明的攪拌針上帶有右旋的螺紋會(huì)促進(jìn)焊縫塑化材料在垂直方向的流動(dòng)。當(dāng)攪拌針逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，攪拌針表面的螺紋將驅(qū)動(dòng)其周圍材料向下運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)的塑化材料在底部受到剛性底板的阻礙作用，朝周邊擠壓原處于焊縫底部的材料，使其向更遠(yuǎn)的位置迀移。
[0024]三、本發(fā)明的攪拌針側(cè)面加工出一個(gè)與軸線方向平行的平面促進(jìn)了焊縫塑性材料水平方向的流動(dòng)。此平面的存在使攪拌針具有一定儲(chǔ)存塑性材料的能力，并在旋轉(zhuǎn)過程中帶動(dòng)這一部分塑性材料共同運(yùn)動(dòng)。此平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)的圓心角為120°，這樣設(shè)計(jì)既不會(huì)出現(xiàn)由于平面面積過大導(dǎo)致的攪拌針強(qiáng)度降低，在焊接過程中發(fā)生斷裂的問題，又避免了平面面積過小導(dǎo)致的材料在水平方向的流動(dòng)不明顯的缺點(diǎn)，使焊接過程中材料水平方向流動(dòng)的效果達(dá)到最佳。
[0025]同傳統(tǒng)的攪拌針相比，該設(shè)計(jì)既促進(jìn)了材料垂直方向的流動(dòng)，又有利于更多材料在水平方向上隨攪拌針一起轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，對(duì)于流動(dòng)行為較差的材料，可以增強(qiáng)焊縫材料的流動(dòng)，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(fā)明方法實(shí)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(shí)施方式】
[0027]【具體實(shí)施方式】一:結(jié)合圖1和圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)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的直徑小于攪拌頭軸肩1-1的直徑，攪拌針1-2的側(cè)面加工出右旋螺紋和一個(gè)與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)的圓心角為120°。攪拌頭的制造方法是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的:步驟一、攪拌頭尺寸的確定:根據(jù)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(jù)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(zhì)量的穩(wěn)定性；步驟二、確定攪拌針的使用長(zhǎng)度:攪拌針的使用長(zhǎng)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(zhuǎn)過的總度數(shù)，P表示極徑，b為攪拌針直徑巾2的1/2?I倍，表示Θ等于零時(shí)的極徑，a為1/(4 31)?5/(τι),表示每旋轉(zhuǎn)一度時(shí)極徑的增加量，螺旋槽由內(nèi)徑向外徑以順時(shí)針方向向外擴(kuò)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(chǎn)熱；另一方面具有阿基米德螺旋線的軸肩可以增強(qiáng)其下方的塑性材料向焊縫中心流動(dòng)，有效克服了由于焊縫減薄而導(dǎo)致的性能下降問題；步驟四、在攪拌針側(cè)面加工出螺紋和平面:在攪拌針側(cè)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(chǎn)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(zhuǎn)螺紋的擠壓力垂直向下的分量，增強(qiáng)了焊縫材料在垂直方向的流動(dòng)行為，從而有效避免焊縫根部出現(xiàn)孔洞缺陷；在此基礎(chǔ)之上，在攪拌針側(cè)面加工出一個(gè)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(chǔ)存材料的能力，并在旋轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)焊縫材料水平方向的流動(dòng)行為；此平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)的圓心角為120°，這樣設(shè)計(jì)既不會(huì)出現(xiàn)由于平面面積過大導(dǎo)致的攪拌針強(qiáng)度降低，在焊接過程中發(fā)生斷裂的問題，又避免了平面面積過小導(dǎo)致的材料在水平方向的流動(dòng)不明顯的缺點(diǎn)，使焊接過程中材料水平方向流動(dòng)的效果達(dá)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(duì)接設(shè)置且二者位于同一水平面上，即將第一被焊工件2和第二被焊工件3組對(duì)，用夾具固定在工作臺(tái)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(cè)進(jìn)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的軸心線位于第一被焊工件2和第二被焊工件3的對(duì)接面處，攪拌頭軸肩1-1的端面低于第一被焊工件2和第二被焊工件3的上表面，以調(diào)整上、下軸肩的受力情況；步驟七、對(duì)第一被焊工件2和第二被焊工件3進(jìn)行攪拌摩擦焊接:軸肩1-1與攪拌針1-2的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘?3000轉(zhuǎn)/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(duì)接面長(zhǎng)度方向行走，直至焊接完成。
[0028]【具體實(shí)施方式】二:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(wěn)定性。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0029]【具體實(shí)施方式】三:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟二中攪拌針的使用長(zhǎng)度T比工件厚度t小0.2_。上述數(shù)值使得攪拌摩擦焊接效果最佳。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0030]【具體實(shí)施方式】四:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)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等于零時(shí)的極徑，a為1/(2 )，表示每旋轉(zhuǎn)一度時(shí)極徑的增加量。上述數(shù)值使得攪拌摩擦焊接效果最佳。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】五:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)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(shù)值使得攪拌摩擦焊接效果最佳。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】六:結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟七中軸肩1-1的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘，焊接速度為200毫米/分鐘。上述焊接參數(shù)為攪拌摩擦焊的最佳工藝參數(shù)值。其它步驟與【具體實(shí)施方式】一相同。
[0033]雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明的，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可以在本發(fā)明精神內(nèi)做其他變化，以及應(yīng)用到本發(fā)明未提及的領(lǐng)域中，當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭，其特征在于: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)的直徑小于攪拌頭軸肩(1-1)的直徑，攪拌針(1-2)的側(cè)面加工出右旋螺紋和一個(gè)與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)的圓心角為120°。
2.一種制造權(quán)利要求1所述的增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的方法，其特征在于:所述方法通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的: 步驟一、攪拌頭尺寸的確定: 根據(jù)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(zhǎng)度: 攪拌針的使用長(zhǎng)度T比工件厚度t小0.1?0.2mm ; 步驟三、在軸肩位置開設(shè)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(zhuǎn)過的總度數(shù)，P表示極徑，b為攪拌針直徑巾2的1/2?I倍，表示Θ等于零時(shí)的極徑，a為I/(4 31)?5/U)，表示每旋轉(zhuǎn)一度時(shí)極徑的增加量，螺旋槽由內(nèi)徑向外徑以順時(shí)針方向向外擴(kuò)展； 步驟四、在攪拌針側(cè)面加工出螺紋和平面: 首先，在攪拌針側(cè)面加工出右旋螺紋，然后，在攪拌針側(cè)面加工出一個(gè)與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對(duì)應(yīng)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(duì)接設(shè)置且二者位于同一水平面上，即將第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)組對(duì)，用夾具固定在工作臺(tái)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(cè)進(jìn)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)的軸心線位于第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)的對(duì)接面處； 步驟七、對(duì)第一被焊工件(2)和第二被焊工件(3)進(jìn)行攪拌摩擦焊接: 軸肩與攪拌針的轉(zhuǎn)速為200轉(zhuǎn)/分鐘?3000轉(zhuǎn)/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(duì)接面長(zhǎng)度方向行走，直至焊接完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的制造方法，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的制造方法，其特征在于:所述步驟二中攪拌針的使用長(zhǎng)度T比工件厚度t小0.2_。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的制造方法，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的制造方法，其特征在于: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(jù)權(quán)利要求2所述的增強(qiáng)焊縫材料流動(dòng)的攪拌摩擦焊接用攪拌頭的制造方法，其特征在于:所述步驟七中軸肩(1-1)的轉(zhuǎn)速為800轉(zhuǎn)/分鐘，焊接速度為200毫米/分鐘。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104475966SQ201410765362
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月11日
【發(fā)明者】劉會(huì)杰, 胡琰瑩, 趙運(yùn)強(qiáng), 劉向前, 王志國(guó), 竇超 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)