專利名稱：一種攪拌摩擦焊的焊具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊具，尤其是作為雙層鋁合金板材攪拌摩擦焊用的焊具， 屬于材料連接技術(shù)領(lǐng)域。
技術(shù)背景攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型低溫固相連接技術(shù)，適用于低熔點(diǎn)合金焊接。 是1991年由英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute, TWI )發(fā)明的(US5460317 ): 該技術(shù)的原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入接縫中，利用攪拌頭的強(qiáng)烈摩擦和 攪拌作用，使焊接接縫區(qū)處于熱塑性狀態(tài)并被破碎、混合，在一定的壓力作用 下被連接在一起，攪拌頭朝焊接方向高速旋轉(zhuǎn)并擠壓，而在攪拌頭的后方則形 成了焊縫，從而完成了固態(tài)連接。目前各國(guó)都在竟相研發(fā)，在航天航空、船舶、 高速列車、裝曱戰(zhàn)車等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。攪拌摩擦焊由于在比被焊合金材料 熔點(diǎn)溫度低的條件下完成固態(tài)連接，所以金屬材料沒有熔化，焊接收縮變形小 和力學(xué)性能損失低，有著突出的優(yōu)點(diǎn)。鋁合金材料廣泛用于工業(yè)和民用領(lǐng)域，近年來特殊形狀鋁合金材料越來越 廣泛地用作產(chǎn)品的支撐骨架，目前，隨著液晶電視的尺寸越來越大，電視邊框 原來使用的工程塑料已經(jīng)不能滿足強(qiáng)度和剛性的要求，需要采用強(qiáng)度高的鋁合 金型材來制造液晶電視的邊框。但由于液晶電視邊框所采用的鋁合金型材是一 種其長(zhǎng)、短邊的內(nèi)側(cè)各有一個(gè)小凸臺(tái)的特殊形狀的鋁合金型材，采用傳統(tǒng)的鋁 合金焊接方法，如TIG焊(鴒極惰性氣體弧焊)，MIG焊(熔化極惰性氣體保護(hù) 焊)不能保證焊接后凸臺(tái)的形狀和尺寸，并且鋁合金型材在熔化焊后的焊接變 形也是家電產(chǎn)品所不能接受的，因此采用攪拌摩擦焊的工藝，利用焊接收縮變 形小和力學(xué)性能損失低的優(yōu)點(diǎn)，可以有效地解決上述問題。攪拌摩擦焊時(shí)，必 須在待焊鋁合金型材的內(nèi)外側(cè)鑲拼輔助墊塊形成雙層鋁合金材料結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)有
的攪拌摩擦焊的攪拌頭對(duì)上述雙層鋁合金材料焊接時(shí)，尤其對(duì)于特殊形狀鋁合 金材料的焊接，存在的由于雙層板傳熱問題引起的下層板焊接不上的問題，。專利號(hào)CN200310116992. 6介紹了 一種利用有槽銷進(jìn)行攪拌摩擦焊的裝置和方法， 專利200610010553. O介紹了一種銅及銅合金攪拌摩擦焊接用焊具，這兩個(gè)專利 提出的兩種焊接用焊具均不適合應(yīng)用于雙層鋁合金材料的攪拌摩擦焊。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對(duì)具有特殊形狀鋁合金型材進(jìn)行攪拌焊接 時(shí)，現(xiàn)有的攪拌摩擦焊接用焊具難以解決雙層板傳熱問題引起的下層板焊接不 上的問題，以及材料厚度不均勻和形狀特殊等問題所造成的技術(shù)難點(diǎn)，使攪拌 摩擦焊接難以達(dá)到理想的效果。為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案為 一種攪拌摩擦焊的焊具， 包括后部圓柱形連接體、中間圓柱體、前部的攪拌針；所述圓柱形連接體上制 有防松緊固平臺(tái)，所述中間圓柱體制有散熱螺旋凹槽；所述焊具前部的攪拌針 為圓錐形，該圓錐形表面制有螺旋槽；所述中間圓柱體的端頭與攪拌針底部連 接的軸肩為內(nèi)凹的圓錐面，所述攪拌針圓錐面上均勻分布至少三條螺旋凹槽， 該攪拌針的頂端制有半球形凹槽。所述攪拌針上的螺旋凹槽與半球形凹槽相交，在圓錐形攪拌針的頂端半圓 形凹槽邊緣形成至少三個(gè)缺口。所述軸肩內(nèi)凹的圓錐面的法線與攪拌針軸線的夾角為5 ~ 15度。所述螺旋凹槽的螺旋角為55 ~ 65度。所述半球形凹槽的深度為3 ~ 4mm。所述螺旋槽的形狀為下凹的半圓形，深度為2 3mm。所述螺旋槽也可以為三角形截面，所述三角形截面為54度，深度為2 ~ 3mm。本發(fā)明將特殊形狀的攪拌頭摩擦面與L型鋁合金型材的外表面(或內(nèi)表面) 接觸，焊接時(shí)，由于在攪拌頭的攪拌針上增加了至少三條螺旋凹槽，在攪拌頭
頂端增加了一個(gè)凹槽，該凹槽為部分圓形或部分橢圓形，從而能夠加強(qiáng)鋁合金在攪拌摩擦焊時(shí)金屬的塑性流動(dòng)，利用特別增加的金屬流動(dòng)產(chǎn)熱，改善了L型 鋁合金型材在攪拌摩擦焊時(shí)由于雙層板傳熱問題引起的下層板熱量不足問題， 從而實(shí)現(xiàn)了 L型鋁合金型材的高質(zhì)量連接。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。 圖1為本發(fā)明應(yīng)用的示意圖。 圖2為本發(fā)明攪拌摩擦焊的焊具的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明實(shí)施例的特殊形狀L型鋁合金型材示意圖如圖1中的序1所示，用 于制作大尺寸液晶電^f見邊框。該型材的長(zhǎng)、短邊的內(nèi)側(cè)各有一個(gè)小凸臺(tái)5，大 尺寸液晶電視L型鋁合金型材邊框焊接后要求保證凸臺(tái)的形狀和尺寸，并且鋁 合金型材在熔化焊后的焊接變形要求也是很小的。如圖1所示，在該實(shí)施例中，將L型鋁合金型材1反放，即攪拌頭摩擦面 接觸L型鋁合金型材1的內(nèi)表面，在待焊的L型鋁合金型材1的內(nèi)外側(cè)鑲分別 拼輔助墊塊3、 4。圖2所示的本發(fā)明的攪拌頭2的結(jié)構(gòu)，包括后部圓柱形連接體7、中間圓 柱體8、前部的攪拌針10;圓柱形連接體7上制有防松緊固平臺(tái)6,中間圓柱 體8制有散熱螺旋凹槽9;焊具前部的攪拌針10為圓錐形，該圓錐形表面制有 螺旋槽12;中間圓柱體8的端頭與攪拌針iO底部連接的軸肩14為內(nèi)凹的圓錐 面，攪拌針10圓錐面上均勻分布至少三條螺旋凹槽13,該攪拌針10的頂端制 有半球形凹槽ll,攪拌針上的螺旋凹槽13與半球形凹槽11相交，在圓錐形攪 拌針10的頂端半圓形凹槽11邊緣形成至少三個(gè)缺口。軸肩14的內(nèi)凹錐面的法 線與攪拌針10軸線的夾角為5~15度，螺旋凹槽13的螺旋角為55~65度。半 球形凹槽11的深度為3~4mm。螺旋槽12的形狀為下凹的半圓形，深度為2~3隱。螺旋槽12也可以為三角形截面，所述三角形截面為54度，深度為2-3mm。 這種結(jié)構(gòu)加強(qiáng)了 L型鋁合金型材在攪拌摩擦焊時(shí)金屬的塑性流動(dòng)，利用特 別增加的金屬流動(dòng)產(chǎn)熱改善了在攪拌摩擦焊接時(shí)由于雙層板傳熱問題引起的下 層板熱量不足問題，解決了攪拌摩擦焊工藝對(duì)焊接部位需要接觸摩擦的特殊要 求，在L型鋁合金型材加輔助墊塊3、 4后，改善了雙層板的傳熱問題，實(shí)現(xiàn)L 型材的高質(zhì)量連接。在焊接過程中金屬塑性流動(dòng)的產(chǎn)生熱量，主要是由攪拌頭 5前面錐形的特殊形狀的攪拌針10焊接過程中擠壓產(chǎn)生，園錐形攪拌針10上 加工的至少3條螺旋凹槽13,增加了塑性金屬?gòu)南峦系牧鲃?dòng)，在流動(dòng)的金屬 往上流動(dòng)時(shí)石並到內(nèi)凹的軸肩14,在內(nèi)凹的軸肩14的阻擋下，金屬又向下運(yùn)動(dòng)， 這時(shí)流動(dòng)的金屬就形成了一個(gè)由下往上又由上相下閉合的流場(chǎng)，使塑性金屬形 成了劇烈的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)塑性金屬加工原理，塑性金屬的劇烈運(yùn)動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生大量 的熱量。同時(shí)在園錐形攪拌針10的頂端加工成半圓形凹槽11，并且和螺旋凹 槽13相交，在園錐形攪拌針10的頂端半圓形凹槽11的邊緣形成3個(gè)缺口，便 于塑性金屬?gòu)娜笨谥辛鞒龊土魅?。在焊接時(shí)，由特殊的夾具將L型鋁合金型材l,以及輔助墊塊3、 4夾緊在 焊接工作臺(tái)上，攪拌頭2從C點(diǎn)開始旋轉(zhuǎn)并插入輔助墊塊3,然后開始悍接， 這時(shí)L型鋁合金型材1和輔助墊塊3、 4在厚度方向上形成一整體結(jié)構(gòu)，由攪拌 頭2的軸肩14旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的熱量的傳熱可以連續(xù)的進(jìn)行，當(dāng)攪拌頭2到達(dá)A 點(diǎn)時(shí)，厚度方向上已經(jīng)是兩層，即L型鋁合金型材和輔助墊塊3，由于在L形 型材1和輔助墊塊3之間的接縫處有一個(gè)空氣層界面，而空氣是熱的不良導(dǎo)體， 因而兩層金屬之間的熱量難以傳遞。處于下面的輔助墊塊3由于熱量不足這時(shí) 容易產(chǎn)生焊接不上的問題，但下面的輔助墊塊3是工藝墊塊，焊接后是需要機(jī) 械加工去除的，所以墊塊焊接質(zhì)量的好壞沒有關(guān)系。攪拌頭2到達(dá)D點(diǎn)后，這 時(shí)L型鋁合金型材已經(jīng)焊接完畢。以下是采用本發(fā)明裝置進(jìn)行焊接的 一個(gè)實(shí)際應(yīng)用例子
經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，焊接時(shí)，采用本發(fā)明的攪拌頭后，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速在600轉(zhuǎn)/ 分鐘的較低轉(zhuǎn)速時(shí)，就可以獲得焊接質(zhì)量良好的焊縫，而現(xiàn)有的攪拌頭的轉(zhuǎn)速須 達(dá)到1000轉(zhuǎn)/分鐘，且焊接效果還不理想。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式，如螺旋凹槽的旋向等等， 凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種攪拌摩擦焊的焊具，包括后部圓柱形連接體(7)、中間圓柱體(8)、前部的攪拌針(10)；所述圓柱形連接體(7)上制有防松緊固平臺(tái)(6)，所述中間圓柱體(8)制有散熱螺旋凹槽(9)；其特征在于所述焊具前部的攪拌針(10)為圓錐形，該圓錐形表面制有螺旋槽(12)；所述中間圓柱體(8)的端頭與攪拌針(10)底部連接的軸肩(14)為內(nèi)凹的圓錐面，所述攪拌針(10)圓錐面上均勻分布至少三條螺旋凹槽(13)，該攪拌針(10)的頂端制有半球形凹槽(11)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述 攪拌針(10 )上的螺旋凹槽(12 )與半球形凹槽(11)相交，在圓錐形攪拌 針(10)的頂端半圓形凹槽邊緣形成至少三個(gè)缺口。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述 軸肩(13)內(nèi)凹錐面的法線與攪拌針(10)軸線的夾角為5~15度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于， 所述螺旋凹槽(13 )的螺旋角為55 ~ 65度。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述 半球形凹槽(11)的深度為3 ~ 4咖。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述 螺旋槽(9)的形狀為下凹的半圓形，深度為2"3mm。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述 螺旋槽(9)也可以為三角形截面，所述三角形截面為54度，深度為2~3咖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙層鋁合金材料攪拌摩擦焊用焊具，該焊具包括后部圓柱形連接體、中間圓柱體、前部的攪拌針；中間圓柱體制有散熱螺旋凹槽；焊具前部的攪拌針為圓錐形，該圓錐形表面制有螺旋槽；中間圓柱體的端頭與攪拌針底部連接的軸肩為內(nèi)凹的圓錐面，攪拌針圓錐面上均勻分布至少三條螺旋凹槽，該攪拌針的頂端制有半球形凹槽。攪拌針上的螺旋凹槽與半球形凹槽相交，在圓錐形攪拌針的頂端半圓形凹槽邊緣形成至少三個(gè)缺口。這種結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊焊具加強(qiáng)了鋁合金在攪拌摩擦焊時(shí)金屬的塑性流動(dòng)，解決了雙層板傳熱不良引起的下層板熱量不足和不均勻的問題。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101157156SQ20071013557
公開日2008年4月9日 申請(qǐng)日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月13日
發(fā)明者鏗 嚴(yán), 娟 付, 劉海波, 潔 聶, 勇 趙 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)