專利名稱：傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊的焊具及方法，具體涉及ー種用于中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)并且在攪拌摩擦焊時(shí)傾角可以調(diào)節(jié)的焊具。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊作為一種先進(jìn)的固相連接技木，自1991年由英國(guó)焊接研究所(The Welding Institute, TffI)發(fā)明以來(lái)，由于其具有焊接變形小、殘余應(yīng)カ小,接頭質(zhì)量好、焊縫為細(xì)晶鍛造組織結(jié)構(gòu)，無(wú)需保護(hù)氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等，同時(shí)具有焊接操作簡(jiǎn)單、便于自動(dòng)化焊接、焊接效率高等特點(diǎn)，攪拌摩擦焊已經(jīng)在航天、航空、造船、列車、汽車、電カ等多個(gè)エ業(yè)制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在軌道交通行業(yè)，隨著列車速度的不斷提高以及輕量化發(fā)展要求，對(duì)列車車體結(jié)構(gòu)和焊接接頭強(qiáng)度及其安全性的要求也越來(lái)越高?，F(xiàn)代高速列車的車體已經(jīng)形成以鋁合金中空型材結(jié)構(gòu)和攪拌摩擦焊接相結(jié)合的設(shè)計(jì)和制造主線。目前，鋁合金列車壁板、頂板以及底板大都采用中空型材結(jié)構(gòu)，中空型材結(jié)構(gòu)的焊接是將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于列車制造的重要方面。當(dāng)前,對(duì)于中空型材結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊主要采用雙軸肩自持式攪拌摩擦焊,雙軸肩自持式攪拌摩擦焊在無(wú)支撐中空型材結(jié)構(gòu)的焊接過(guò)程中，焊接前需要在啟焊處預(yù)制導(dǎo)引孔， 以便插入攪拌針；焊后，需預(yù)置導(dǎo)出孔，以便抽出攪拌針，預(yù)制導(dǎo)引孔和導(dǎo)出孔，難以形成封閉的結(jié)構(gòu)完整的焊縫，還導(dǎo)致焊接過(guò)程操作復(fù)雜化；另外，在焊接過(guò)程中雙軸肩攪拌摩擦焊針對(duì)不同的型材，傾斜角一般只能為0度，如果有傾斜角，背面的軸肩在焊接過(guò)程中具有切削作用，而不是應(yīng)有的對(duì)焊縫的鍛壓作用；同時(shí)，存在焊接熱輸入大及攪拌針承載過(guò)大而影響接頭的性能甚至造成攪拌針斷裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有雙軸肩自持式攪拌摩擦焊需要預(yù)制導(dǎo)引孔和導(dǎo)出孔， 攪拌摩擦焊過(guò)程中出現(xiàn)的熱輸入量過(guò)大導(dǎo)致接頭性能降低以及無(wú)剛性墊板支撐條件下焊縫難以成形的問(wèn)題，提供一種傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具及方法。本發(fā)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，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(shè)置且制成一體，所述上圓柱體的直徑小于下圓柱體的直徑，上圓柱體的外表面上設(shè)有夾持面， 下圓柱體的外表面上設(shè)有至少兩個(gè)環(huán)形隔熱槽，主攪拌針為錐形體，主攪拌針的上端直徑大于下端直徑，主攪拌針的外表面設(shè)有螺紋，輔助攪拌針為錐形體，輔助攪拌針的下端為尖點(diǎn)，輔助攪拌針的錐形外表面沿圓周均布設(shè)有4 8個(gè)溝槽，所述下圓柱體的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面，所述輔助攪拌針的上端面為外邊緣低于中心的凸形軸肩面。本發(fā)明的方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、確定輔助攪拌針的尺寸根據(jù)被焊件的厚度確定凹形軸肩面的凹形上軸肩直徑、輔助攪拌針的軸肩直徑和凹形軸肩面至輔助攪拌針的上端面之間的間距，凹形上軸肩直徑為被焊件厚度的I. 7倍 2. 6倍，輔助攪拌針的軸肩直徑為凹形上軸肩直徑的0. 2 倍 0. 4倍；步驟ニ、確定凸形軸肩面與焊具中心軸線之間的下夾角凸形軸肩面與焊具中心軸線之間的下夾角為45° 75° ;步驟三、確定攪拌體的使用長(zhǎng)度根據(jù)被焊件的厚度確定攪拌體的使用長(zhǎng)度，攪拌體的使用長(zhǎng)度比被焊件的厚度小0. Imm 0. 3mm ；步驟四、確定凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的上夾角凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的上夾角為78° 82° ;步驟五、焊具傾斜角的調(diào)整調(diào)整焊具的傾斜角即該焊具的焊具中心軸線與被焊件的法線的夾角，調(diào)整該夾角為1° 3° ；步驟六、進(jìn)行中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊焊具以100轉(zhuǎn)/分鐘 1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，以I毫米/分鐘 10毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，凹形軸肩面的壓入深度為0. I毫米 0. 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焊接。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)一、本發(fā)明將攪拌摩擦焊焊具設(shè)計(jì)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凹形軸肩面，輔助攪拌針的上軸肩面為凸形軸肩面，由于凸形軸肩面的直徑遠(yuǎn)小于凹形軸肩面的直徑，在攪拌摩擦焊接過(guò)程中，輔助攪拌針直接壓入被焊件，不需要預(yù)制導(dǎo)引孔和導(dǎo)出孔，能夠形成封閉的結(jié)構(gòu)完整的焊縫，簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，提高了中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)件攪拌摩擦焊的適應(yīng)能力。ニ、凸形軸肩面的直徑遠(yuǎn)小于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(guò)大的問(wèn)題。三、輔助攪拌針的凸形軸肩面的引入使得攪拌摩擦焊過(guò)程中可以采取不同的焊具傾斜角，使得焊縫下表面成形良好。四、該焊具的主攪拌針的凹形軸肩面可以防止焊接過(guò)程中，塑性金屬向外流動(dòng)，保證了攪拌摩擦焊縫的上表面成形。五、輔助攪拌針的溝槽使得攪拌體在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中更容易壓入無(wú)支撐中空結(jié)構(gòu)型材中，避免了待焊エ件的塌陷問(wèn)題。


圖I是本發(fā)明傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具的整體結(jié)構(gòu)主剖視圖；圖2是主攪拌針3和輔助攪拌針4的位置關(guān)系示意圖；圖3是圖I的I局部放大圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖I 圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)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(shè)置且制成一體，所述上圓柱體I的直徑小于下圓柱體2的直徑，上圓柱體I的外表面上設(shè)有夾持面1-1，下圓柱體2的外表面上設(shè)有至少兩個(gè)環(huán)形隔熱槽2-1，主攪拌針3為錐形體，主攪拌針3的上端直徑大于下端直徑，主攪拌針3的外表面設(shè)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(diǎn)，輔助攪拌針4的錐形外表面沿圓周均布設(shè)有4 8個(gè)溝槽4-1，溝槽4-1用以保證輔助攪拌針4能更容易的插入待焊ェ件中，下圓柱體2的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面2-2，凹形軸肩面2-2有效防止了塑性金屬材料的流出，輔助攪拌針4的上端面為外邊緣低于中心的凸形軸肩面4-2，凸形軸肩面4-2作為輔助攪拌針4的上凸結(jié)構(gòu)，以滿足攪拌摩擦焊過(guò)程中焊具傾角調(diào)整的需要。
具體實(shí)施方式
ニ 結(jié)合圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的凸形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的夾角為下夾角a，下夾角a為45° 75°。凸形軸肩面4_2為輔助攪拌針4的軸肩面。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I說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的凹形軸肩面2-2與焊具中心軸線N-N之間的夾角為上夾角P，上夾角P為78。 82°。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
四本實(shí)施方式的焊具的材質(zhì)為高速鋼。高速鋼可以重復(fù)使用。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I 圖3具體說(shuō)明本實(shí)施方式的實(shí)現(xiàn)步驟步驟一、確定輔助攪拌針4的尺寸根據(jù)被焊件的厚度確定凹形軸肩面2-2的凹形上軸肩直徑D1、輔助攪拌針4的軸肩直徑D2和凹形軸肩面2-2至輔助攪拌針4的上端面之間的間距L，凹形上軸肩直徑Dl為被焊件厚度的I. 7倍 2. 6倍，輔助攪拌針4的軸肩直徑 D2為凹形上軸肩直徑Dl的0. 2倍 0. 4倍；步驟ニ、確定凸形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的下夾角a :凸形軸肩面 4-2與焊具中心軸線N-N之間的下夾角a為45° 75° ;步驟三、確定攪拌體的使用長(zhǎng)度L :根據(jù)被焊件的厚度確定攪拌體的使用長(zhǎng)度L， 攪拌體的使用長(zhǎng)度L比被焊件的厚度小0. Imm 0. 3mm ；步驟四、確定凹形軸肩面2-2與焊具中心軸線N-N之間的上夾角P :凹形軸肩面 2-2與焊具中心軸線N-N之間的上夾角P為78° 82° ;步驟五、焊具傾斜角的調(diào)整調(diào)整焊具的傾斜角即該焊具的焊具中心軸線N-N與被焊件的法線的夾角，調(diào)整該夾角為1° 3°度；步驟六、進(jìn)行中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊焊具以100轉(zhuǎn)/分鐘 1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，以I毫米/分鐘 10毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，凹形軸肩面2-2的壓入深度為0. I毫米 0. 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焊接。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖I和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟一中凹形上軸肩直徑Dl為被焊件厚度的2倍，輔助攪拌針4的軸肩直徑D2為凹形上軸肩直徑Dl的
0.3倍。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖I和圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟ニ中凸形軸肩面4-2與焊具中心軸線N-N之間的下夾角a為55° ;步驟四中凹形軸肩面2_2與焊具中心軸線N-N的之間的上夾角P為80°。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
八結(jié)合圖I說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟三中攪拌體的使用長(zhǎng)度L比被焊件的厚度小0. 2mm。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
九結(jié)合圖I說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的步驟五中焊具的焊具中心軸線N-N與被焊件的法線的夾角為2°度。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
十本實(shí)施方式為步驟六中焊具以800轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，以3毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，凹形軸肩面2-2的壓入深度為0. 2毫米，以300毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
具體實(shí)施方式
i^一 本實(shí)施方式為步驟六中焊具以500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，以2毫米 /分鐘的壓入速度壓入被焊件中，凹形軸肩面2-2的壓入深度為0. 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焊接。其它步驟與具體實(shí)施方式
五相同。
權(quán)利要求
1.一種傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具，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)，其特征在于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(shè)置且制成一體，所述上圓柱體(I)的直徑小于下圓柱體(2)的直徑，上圓柱體(I)的外表面上設(shè)有夾持面(1-1)，下圓柱體(2)的外表面上設(shè)有至少兩個(gè)環(huán)形隔熱槽(2-1)，主攪拌針(3)為錐形體，主攪拌針(3)的上端直徑大于下端直徑，主攪拌針(3)的外表面設(shè)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(diǎn)，輔助攪拌針(4)的錐形外表面沿圓周均布設(shè)有4 8個(gè)溝槽(4-1)，所述下圓柱體(2)的下端面為外邊緣高于中心的凹形軸肩面(2-2)，所述輔助攪拌針(4)的上端面為外邊緣低于中心的凸形軸肩面 (4-2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述凸形軸肩面(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 45° 75°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述凹形軸肩面(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 78° 82°。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具，其特征在于所述焊具的材質(zhì)為聞速鋼。
5.一種利用權(quán)利要求I所述焊具實(shí)現(xiàn)傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的方法，其特征在于所述方法是通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)的步驟一、確定輔助攪拌針(4)的尺寸根據(jù)被焊件的厚度確定凹形軸肩面(2-2)的凹形上軸肩直徑(Dl)、輔助攪拌針(4)的軸肩直徑(D2)和凹形軸肩面(2-2)至輔助攪拌針(4) 的上端面之間的間距(L)，凹形上軸肩直徑(Dl)為被焊件厚度的I. 7倍 2. 6倍，輔助攪拌針(4)的軸肩直徑(D2)為凹形上軸肩直徑(Dl)的O. 2倍 O. 4倍；步驟二、確定凸形軸肩面(4-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的下夾角(α):凸形軸肩面(4-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的下夾角(α)為45° 75° ;步驟三、確定攪拌體的使用長(zhǎng)度(L):根據(jù)被焊件的厚度確定攪拌體的使用長(zhǎng)度(L)， 攪拌體的使用長(zhǎng)度(U比被焊件的厚度小O. Imm O. 3mm ；步驟四、確定凹形軸肩面(2-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的上夾角(β):凹形軸肩面(2-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的上夾角(β)為78° 82° ;步驟五、焊具傾斜角的調(diào)整調(diào)整焊具的傾斜角即該焊具的焊具中心軸線(N-N)與被焊件的法線的夾角，調(diào)整該夾角為1° 3°度；步驟六、進(jìn)行中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊焊具以100轉(zhuǎn)/分鐘 1500轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，以I毫米/分鐘 10毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，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焊接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟一中凹形上軸肩直徑(Dl)為被焊件厚度的(2)倍，輔助攪拌針(4)的軸肩直徑 (D2)為凹形上軸肩直徑(Dl)的O. 3倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟二中凸形軸肩面(4-2)與焊具中心軸線(N-N)之間的下夾角(α)為55° ;步驟四中凹形軸肩面(2-2)與焊具中心軸線(N-N)的之間的上夾角(β)為80°。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟三中攪拌體的使用長(zhǎng)度(L)比被焊件的厚度小O. 2mm。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟五中焊具的焊具中心軸線(N-N)與被焊件的法線的夾角為2°度。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的方法，其特征在于步驟六中焊具以800轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速，以3毫米/分鐘的壓入速度壓入被焊件中，凹形軸肩面(2-2)的壓入深度為O. 2毫米，以300毫米/分鐘的焊接速度沿焊接方向行走直至完成焊接。
全文摘要
傾角可調(diào)且軸肩呈上凹下凸式攪拌摩擦焊的焊具及方法，它涉及一種攪拌摩擦焊的焊具及方法，以解決現(xiàn)有雙軸肩自持式攪拌摩擦焊需要預(yù)制導(dǎo)引孔和導(dǎo)出孔，攪拌摩擦焊過(guò)程中出現(xiàn)的熱輸入量過(guò)大導(dǎo)致接頭性能降低的問(wèn)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(shè)置且制成一體，下圓柱體的下端面為凹形軸肩面，輔助攪拌針的上端面為凸形軸肩面。方法一、確定輔助攪拌針的尺寸；二、確定凸形軸肩面與焊具中心軸線之間的下夾角；三、確定攪拌體的使用長(zhǎng)度；四、確定凹形軸肩面與焊具中心軸線之間的上夾角；五、焊具傾斜角的調(diào)整；六、進(jìn)行中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊。本發(fā)明用于中空無(wú)支撐結(jié)構(gòu)的焊接。
文檔編號(hào)B23K20/12GK102581475SQ20121007820
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月22日
發(fā)明者萬(wàn)龍, 呂世雄, 韓冰, 黃永憲 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)