專(zhuān)利名稱(chēng)：隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種焊具，具體說(shuō)是用于攪拌摩擦焊過(guò)程中對(duì)焊縫及近縫區(qū)進(jìn) 行隨焊碾壓的組合式攪拌摩擦焊具。
技術(shù)背景攪袢摩擦焊(FSW)是1991年在英國(guó)焊接研究所(TWI)發(fā)明的一種新 的固相連接方法，其工作基本原理如專(zhuān)利US5460317和US5813592所述。攪 拌摩擦焊過(guò)程中，利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)熱使被焊材料局部塑 化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，塑化材料在攪拌頭的摩擦力作用下由 攪拌頭的前部移向后部，并在攪拌頭的擠壓下形成致密的固相焊縫。雖然，攪 拌摩擦焊與傳統(tǒng)的熔焊相比，熱輸入量低，其接頭力學(xué)性能優(yōu)異，但攪拌摩擦焊接頭仍存在殘余應(yīng)力，特別是較大殘余拉應(yīng)力的存在致使接頭耐應(yīng)力腐蝕性 能降低，焊縫兩側(cè)飛邊的存在，產(chǎn)生應(yīng)力集中降低接頭的力學(xué)性能，而且焊縫 表層空洞的產(chǎn)生也會(huì)降低接頭的力學(xué)性能。特別是對(duì)薄板焊接時(shí)，殘余應(yīng)力的 存在致使焊后工件變形。焊接結(jié)構(gòu)件中，通過(guò)碾壓的方式控制焊縫殘余應(yīng)力和焊接變形，目前已開(kāi) 展了系列研究。有人提出了一種隨焊碾壓法，在焊槍后面跟隨一個(gè)碾壓輪，對(duì) 焊后尚處于高溫的焊縫金屬施加碾壓力，迫使其延展以抵消焊接過(guò)程中壓縮塑 性變形，達(dá)到控制焊接變形的目的。但這種方法設(shè)備龐大，制造成本高，應(yīng)用 對(duì)象主要集中于長(zhǎng)直平板的弧焊、較大型筒體的縱縫及環(huán)縫的弧焊，對(duì)被焊件 形狀要求比較嚴(yán)格，另外由于主要靠碾壓輪軸承承受碾壓力，碾壓輪的尺寸較 大，可到達(dá)性較差。另有報(bào)道提出了利用旋轉(zhuǎn)的單一擠壓桿在鎢極氬弧焊過(guò)程 中對(duì)焊縫進(jìn)行擠壓，通過(guò)對(duì)冷卻過(guò)程中的焊縫金屬施加適度的旋轉(zhuǎn)擠壓作用， 所產(chǎn)生的縱向及橫向延展減小或消除焊縫及近縫區(qū)的彈性拉應(yīng)力，甚至將其轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，從而降低殘余應(yīng)力和變形[焊接學(xué)報(bào),2008， 29(6): 101-104]。但這 隨焊旋轉(zhuǎn)擠壓裝置需要單獨(dú)的控制機(jī)構(gòu)、擠壓裝置及其位置調(diào)整機(jī)構(gòu)、固定 支架和空氣壓縮機(jī)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多用于弧焊過(guò)程中。而對(duì)于攪拌摩擦焊，近年有人采用低塑變拋光(Low Plasticity Burnishing, LPB)的方法，利用單一碾壓
桿對(duì)焊接過(guò)程完成后的焊縫進(jìn)行碾壓處理，將焊縫表層的拉應(yīng)力轉(zhuǎn)化為壓應(yīng) 力，提高了焊縫的耐腐蝕性能[Proceedings of the ASM IFHTSE Conference
Columbus, OH， 2002]。但這種方法為攪拌摩擦焊工序完成后的二次加工，費(fèi)時(shí) 費(fèi)力，且單一碾壓桿攜帶的單一碾壓頭進(jìn)行碾壓效率較低。
目前，僅通過(guò)攪拌摩擦焊具外形(如圓柱形、截錐形、非圓截形、錐形螺 紋和螺旋形等)和結(jié)構(gòu)(如一體式、分體式、可伸縮式等)的設(shè)計(jì)，還沒(méi)有同 時(shí)實(shí)現(xiàn)焊縫殘余應(yīng)力、焊接變形和飛邊的控制。因此，設(shè)計(jì)一種新型的隨焊碾 壓攪拌摩擦焊具來(lái)實(shí)現(xiàn)焊縫殘余應(yīng)力、焊接變形和飛邊的控制是非常有必要 的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有攪拌摩擦焊焊縫存在殘余應(yīng)力、焊接變形和飛 邊的問(wèn)題，提供一種隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具。
本發(fā)明包括攪拌頭、上夾持體、下夾持體、至少一個(gè)墊片和至少三個(gè)均布 的碾壓球，攪拌頭由攪拌針、軸肩、定位臺(tái)肩、圓柱體和夾持體組成，攪拌針、 軸肩、定位臺(tái)肩、圓柱體和夾持體依次由上至下制成一體，攪拌針位于軸肩的 前端面的軸心處，夾持體上設(shè)有夾持面，攪拌針為錐體，軸肩的上端面為外邊 緣高于中心的凹形軸肩面，軸肩的上端外徑上設(shè)有過(guò)渡臺(tái)肩，圓柱體的外表面 上設(shè)有環(huán)形凹槽，至少兩個(gè)墊片和下夾持體由下至上設(shè)置在定位臺(tái)肩的上端面 上，下夾持體的上端面上均布設(shè)有至少三個(gè)與碾壓球相配合的凹槽，每個(gè)凹槽 中裝有一個(gè)碾壓球，上夾持體上均布設(shè)有與碾壓球相配合的球形孔，球形孔與 凹槽相對(duì)應(yīng)，上夾持體設(shè)置在下夾持體的上端面上。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn) 一、本發(fā)明利用過(guò)渡臺(tái)肩周?chē)嫉哪雺呵驅(qū)缚p 及近縫區(qū)進(jìn)行隨焊碾壓，實(shí)現(xiàn)焊縫表面拉應(yīng)力向壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，控制焊接變形 和消除焊縫兩側(cè)的飛邊，乃至進(jìn)一步細(xì)化焊縫表層的晶粒，進(jìn)而提高接頭的性 能，提高其耐應(yīng)力腐蝕性能。二、本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)任意長(zhǎng)度的直線(xiàn)悍縫和曲線(xiàn) 焊縫的隨焊碾壓，相對(duì)單一碾壓桿攜帶的碾壓頭，提高了碾壓效率和碾壓均勻 性，相對(duì)焊后焊縫的低塑變拋光方法而言，縮短了工時(shí)，保證了攪拌摩擦焊工 序的連續(xù)性。三、本發(fā)明更換靈活、可實(shí)施性強(qiáng)，能夠滿(mǎn)足各種厚度板材的直線(xiàn)焊縫和曲線(xiàn)焊縫的隨焊碾壓處理的要求。


圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖(碾壓球9上的碾壓面9-1為球面)，
圖2是圖1的俯視圖，圖3是圖1的I局部放大圖，圖4是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu) 主剖視圖(碾壓球9上的碾壓面9-l為平面)。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1 圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括攪拌 頭、上夾持體6、下夾持體7、至少一個(gè)墊片8和至少三個(gè)均布的碾壓球9， 攪拌頭由攪拌針1、軸肩2、定位臺(tái)肩3、圓柱體4和夾持體5組成，攪拌針1、 軸肩2、定位臺(tái)肩3、圓柱體4和夾持體5依次由上至下制成一體，攪拌針l 位于軸肩2的前端面的軸心處，夾持體5上設(shè)有夾持面5-l，使其與攪拌主軸 內(nèi)孔配合，并用緊固螺釘鎖緊，攪拌針l為錐體，軸肩2的上端面為外邊緣高 于中心的凹形軸肩面2-1，軸肩2的上端外徑上設(shè)有過(guò)渡臺(tái)肩2-2，圓柱體4 的外表面上設(shè)有環(huán)形凹槽4-l，至少一個(gè)墊片8和下夾持體7由下至上設(shè)置在 定位臺(tái)肩3的上端面上，下夾持體7的上端面上均布設(shè)有至少三個(gè)與碾壓球9 相配合的凹槽7-l，每個(gè)凹槽7-l中裝有一個(gè)碾壓球9，上夾持體6上均布設(shè) 有與碾壓球9相配合的球形孔6-1，球形孔6-1與凹槽7-1相對(duì)應(yīng)，上夾持體6 設(shè)置在下夾持體7的上端面上。墊片8的材質(zhì)為不銹鋼，墊片8上均加工有圓 孔，使長(zhǎng)沉頭螺釘11能夠穿過(guò)，碾壓球9的材質(zhì)為硬質(zhì)合金，碾壓球9隨軸 肩2的同步旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫和近縫區(qū)材料的隨焯碾壓；環(huán)形凹槽4-l起隔熱 作用；上夾持體6、下夾持體7、碾壓球9和短沉頭螺釘10構(gòu)成碾壓結(jié)構(gòu)體， 均勻分布于過(guò)渡臺(tái)肩2-2周?chē)亩鄠€(gè)短沉頭螺釘10將碾壓球9固定于上夾持 體6與下夾持體7之間，多個(gè)均布的長(zhǎng)沉頭螺釘11將碾壓結(jié)構(gòu)體與定位肩臺(tái) 3固定；碾壓結(jié)構(gòu)體與定位肩臺(tái)3之間的相對(duì)位置通過(guò)墊片8進(jìn)行調(diào)整。攪拌 摩擦焊過(guò)程中，根據(jù)軸肩2的壓入量，并通過(guò)墊片8對(duì)碾壓結(jié)構(gòu)體與定位臺(tái)肩 3間距的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)碾壓球9上碾壓面9-1與過(guò)渡臺(tái)肩2-2端面間距d的調(diào)整， 進(jìn)而控制碾壓球9對(duì)焊縫及近縫區(qū)工件表層的碾壓強(qiáng)度，同時(shí)，該碾壓結(jié)構(gòu)體 中的碾壓球9為可更換件，根據(jù)被焊件和碾壓的差異，可以選擇不同直徑的碾 壓球9。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖l和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的碾壓球
9上露在上夾持體6端面外的碾壓面9-1為球面或加工成具有平滑倒角的平面。
其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖1和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的碾壓球
9的數(shù)量為3 8個(gè)，碾壓球9的直徑為5~ 12mm，碾壓面9-1的球面弧度為 90。~150°。這樣設(shè)計(jì)為防止硬質(zhì)合金球脫落。單個(gè)碾壓球9進(jìn)行定位，碾壓球 9與碾壓球9之間不存在相互干涉。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的過(guò)渡臺(tái)肩2-2 端面與碾壓球9上的碾壓面9-1之間的間距d為0.1 0.25mm。這樣設(shè)計(jì)能控 制碾壓球9對(duì)焊縫及近縫區(qū)工件表層的碾壓強(qiáng)度。其它組成及連接關(guān)系與具體 實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖l、圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的 墊片8的厚度為0.01 2mm。墊片8主要起到精確定位和微調(diào)的作用，例如間 距為l.Omm時(shí)，采用一個(gè)墊片就可以了，而間距為1.51mm時(shí)，就必須采用 l.Omm、 0.5mm和O.Olmm三個(gè)墊片，因?yàn)闆](méi)有1.51mm的墊片。碾壓結(jié)構(gòu)體 與定位臺(tái)肩3的距離通過(guò)多個(gè)墊片8進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的精度為O.Olmm，控制 碾壓球9對(duì)焊縫和近縫區(qū)材料的碾壓強(qiáng)度。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方 式一相同。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖l和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的凹形軸 肩面2-1的直徑D2為10~26mm，過(guò)渡臺(tái)肩2-2的直徑D3為12 28mm。碾壓 直徑D1由過(guò)渡臺(tái)肩2-2的直徑D3和碾壓球9與過(guò)渡臺(tái)肩2-2的間距來(lái)確定， 碾壓直徑Dl為30 56mm。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖l和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的攪拌針 1的高度h為1.8 9.6mm，錐面與攪拌頭軸線(xiàn)的夾角a為12~18。，攪拌針1的 錐體表面設(shè)有右旋螺紋，其螺距為0.35 0.85mm。這樣設(shè)計(jì)使攪拌針1的攪拌 效果最佳。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
八結(jié)合圖l和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的夾持體 5的直徑為19.9mm，夾持面5-1的寬度H為l~3mm，長(zhǎng)度L為28~36mm。這樣設(shè)計(jì)能夠保證夾持體5與攪拌主軸內(nèi)孔配合。其它組成及連接關(guān)系與具體 實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
九結(jié)合圖1和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的圓柱體
4的直徑D為22~28mm，環(huán)形凹槽4-l的寬度、深度和間距均為2 4mm。這 樣設(shè)計(jì)能夠保證散熱效果最好。其它組成及連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
權(quán)利要求
1、一種隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具，它包括攪拌頭，攪拌頭由攪拌針(1)、軸肩(2)、定位臺(tái)肩(3)、圓柱體(4)和夾持體(5)組成，攪拌針(1)、軸肩(2)、定位臺(tái)肩(3)、圓柱體(4)和夾持體(5)依次由上至下制成一體，攪拌針(1)位于軸肩(2)的前端面的軸心處，夾持體(5)上設(shè)有夾持面(5-1)，其特征在于它還包括上夾持體(6)、下夾持體(7)、至少一個(gè)墊片(8)和至少三個(gè)碾壓球(9)，攪拌針(1)為錐體，軸肩(2)的上端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面(2-1)，軸肩(2)的上端外徑上設(shè)有過(guò)渡臺(tái)肩(2-2)，圓柱體(4)的外表面上設(shè)有環(huán)形凹槽(4-1)，至少兩個(gè)墊片(8)和下夾持體(7)由下至上設(shè)置在定位臺(tái)肩(3)的上端面上，下夾持體(7)的上端面上均布設(shè)有至少三個(gè)與碾壓球(9)相配合的凹槽(7-1)，每個(gè)凹槽(7-1)中裝有一個(gè)碾壓球(9)，上夾持體(6)上均布設(shè)有與碾壓球(9)相配合的球形孔(6-1)，球形孔(6-1)與凹槽(7-1)相對(duì)應(yīng)，上夾持體(6)設(shè)置在下夾持體(7)的上端面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于碾壓球(9)上露在上夾持體(6)端面外的碾壓面(9-1)為球面或加工成具有 平滑倒角的平面。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于:碾壓球(9)的數(shù)量為3 8個(gè)，碾壓球(9)的直徑為5 12mm，碾壓面(9-1) 的球面弧度為90。 150°。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于過(guò)渡臺(tái)肩(2-2)端面與碾壓球(9)上的碾壓面(9-l)之間的間距(d)為0.1 0.25mm。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于墊 片(8)的厚度為Q.01 2mm。
全文摘要
隨焊碾壓的攪拌摩擦焊焊具，它涉及一種焊具。本發(fā)明為解決現(xiàn)有攪拌摩擦焊焊縫存在殘余應(yīng)力、焊接變形和飛邊的問(wèn)題。本發(fā)明的攪拌針為錐體，軸肩的上端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面，軸肩的上端外徑上設(shè)有過(guò)渡臺(tái)肩，至少兩個(gè)墊片和下夾持體由下至上設(shè)置在定位臺(tái)肩的上端面上，下夾持體的上端面上均布設(shè)有至少三個(gè)與碾壓球相配合的凹槽，每個(gè)凹槽中裝有一個(gè)碾壓球，上夾持體上均布設(shè)有與碾壓球相配合的球形孔，球形孔與凹槽相對(duì)應(yīng)，上夾持體設(shè)置在下夾持體的上端面上。本發(fā)明利用過(guò)渡臺(tái)肩周?chē)嫉哪雺呵驅(qū)缚p及近縫區(qū)進(jìn)行隨焊碾壓，實(shí)現(xiàn)焊縫表面拉應(yīng)力向壓應(yīng)力的轉(zhuǎn)變，控制焊接變形和消除焊縫兩側(cè)的飛邊，乃至進(jìn)一步細(xì)化焊縫表層的晶粒。
文檔編號(hào)B23K20/12GK101518850SQ200910071859
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月22日
發(fā)明者劉會(huì)杰, 利 周, 張會(huì)杰, 沈俊軍, 黃永憲 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)