一種減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭及其焊接方法
【專(zhuān)利摘要】一種減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭及其焊接方法，本發(fā)明涉及攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭及其焊接方法，它為了解決現(xiàn)有攪拌摩擦搭接焊接頭中前進(jìn)側(cè)Hook缺陷和后退側(cè)冷搭接缺陷減小接頭有效承載厚度和有效搭接寬度，降低接頭力學(xué)性能的問(wèn)題。該攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭由軸肩和攪拌針組成，其中攪拌針由上部圓柱、中部凸圓和下部圓臺(tái)依次連接而成。焊接方法：一、確定攪拌頭尺寸；二、確定攪拌針長(zhǎng)度；三、固定被焊工件；四、使攪拌針中部凸圓下壓至兩個(gè)被焊工件搭接界面處；五、進(jìn)行攪拌摩擦焊接。本發(fā)明在焊接過(guò)程中，利用中部凸圓對(duì)原始搭接界面進(jìn)行攪拌，既有效減小界面缺陷尺寸，又使得有效搭接面積增大，從而提高接頭的力學(xué)性能。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭及其焊接方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于焊接【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭及其焊接方法。

【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所在1991年開(kāi)發(fā)的一種新型的固相連接技術(shù)，具有焊接接頭變形小、焊接過(guò)程自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，并且克服了傳統(tǒng)熔焊的氣孔、夾渣等缺陷，可以獲得無(wú)缺陷的高質(zhì)量接頭。搭接接頭作為主要的接頭形式之一，在焊接中得到廣泛的應(yīng)用。然而在攪拌摩擦搭接焊接頭中，焊核兩側(cè)的原始搭接界面因焊縫材料的塑性流動(dòng)而發(fā)生向上或者向下的彎曲變形，其中主要有前進(jìn)側(cè)的Hook缺陷和后退側(cè)“冷搭接缺陷”等兩種界面缺陷。這兩種界面缺陷的存在會(huì)降低接頭的有效承載厚度和有效搭接寬度，因而嚴(yán)重影響了接頭的力學(xué)性能，降低構(gòu)件的承載能力。
[0003]因此，有必要發(fā)明一種降低界面缺陷尺寸的攪拌摩擦焊接用攪拌頭。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為解決現(xiàn)有攪拌摩擦搭接焊接頭中兩種界面缺陷減小接頭有效承載厚度和有效搭接寬度，降低接頭力學(xué)性能的問(wèn)題，而提出一種降低界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭及其焊接方法。
[0005]本發(fā)明減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭由軸肩以及攪拌針組成，攪拌針與軸肩同軸設(shè)置，其中攪拌針由上部圓柱、中部凸圓和下部圓臺(tái)組成，上部圓柱的一端固裝在軸肩的下端面上，上部圓柱的另一端與中部凸圓連接，中部凸圓的下端面連接下部圓臺(tái)的底面，上部圓柱的直徑與下部圓臺(tái)的底面直徑相等，上部圓柱的直徑小于中部凸圓的直徑，并且在上部圓柱以及下部圓臺(tái)的外表面上均帶有右旋螺紋。
[0006]本發(fā)明減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法按照以下步驟實(shí)現(xiàn):
[0007]—、確定攪拌頭尺寸:根據(jù)第一被焊工件的厚度和第二被焊工件的厚度以及第一被焊工件與第二被焊工件厚度相加所得總厚度確定軸肩的直徑、攪拌針上部圓柱的直徑、下部圓臺(tái)底面的直徑、中部凸圓的直徑，軸肩的直徑為總厚度的3?5倍，攪拌針上部圓柱的直徑與下部圓臺(tái)的底面直徑為總厚度的I?2倍，中部凸圓的直徑為上部圓柱直徑的
1.2 ?1.5 倍；
[0008]二、確定攪拌針的長(zhǎng)度:攪拌針上部圓柱的高度比第一被焊工件的厚度小0.5?
2.5_，攪拌針中部凸圓的高度為1.0?3.0_，攪拌針下部圓臺(tái)的高度為第二被焊工件厚度的0.1?1.0倍；
[0009]三、固定被焊工件:利用夾具將第一被焊工件與第二被焊工件固定在工作臺(tái)上，使第一被焊工件所在平面與第二被焊工件所在平面平行，且第一被焊工件緊密搭接于第二被焊工件上方，完成被焊工件的組裝；
[0010]四、確定下壓深度:將攪拌頭下壓深度至攪拌針中部凸圓水平中心截面與第一被焊工件與第二被焊工件搭接界面重合處，軸肩壓入第一被焊工件的深度為O?1mm，完成攪拌頭的定位；
[0011]五、攪拌摩擦焊接:攪拌頭以2?100毫米/分鐘的下壓速度壓入第一被焊工件與第二被焊工件搭接處的中心線(xiàn)的起始端，控制攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為200?3000轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭以20?1500毫米/分鐘的焊接速度沿第一被焊工件與第二被焊工件搭接處的中心線(xiàn)行走，直至焊接完成。
[0012]本發(fā)明的有益效果包括以下三個(gè)方面:
[0013]一、本發(fā)明的攪拌針在焊接過(guò)程中，利用直徑大于上部圓柱和下部圓臺(tái)的中部凸圓對(duì)原始搭接界面進(jìn)行攪拌，使得搭接界面處的焊縫寬度增加，有效搭接面積增大，從而提聞接頭在搭接界面處的承載能力；
[0014]二、攪拌針中部凸圓的設(shè)計(jì)能夠有效抑制焊縫金屬在垂直方向上的流動(dòng)，減少了因焊縫材料的塑性流動(dòng)而使界面發(fā)生向上或者向下的彎曲變形，即降低前進(jìn)側(cè)的Hook缺陷和后退側(cè)“冷搭接缺陷”；
[0015]三、中部凸圓直徑較上部圓柱與下部圓臺(tái)尺寸大，與直徑和中部凸圓相同的圓柱狀攪拌針相比，該設(shè)計(jì)在增加有效搭接面積的同時(shí)，不會(huì)引起由于熱輸入的增加而導(dǎo)致的接頭熱影響區(qū)的軟化。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是本發(fā)明中攪拌摩擦搭接焊的焊接過(guò)程的結(jié)構(gòu)示意圖，其中I為攪拌頭，2為第一被焊工件，3為第二被焊工件，4為軸肩，5為攪拌針，5-1為攪拌針上部圓柱，5-2為攪拌針中部凸圓，5-3為攪拌針下部圓臺(tái)；
[0017]圖2是攪拌摩擦搭接焊過(guò)程中攪拌頭與兩塊待焊板材的相對(duì)位置示意圖，其中T為被焊工件總厚度，^為第一被焊工件厚度，t2為第二被焊工件厚度A1為攪拌針上部圓柱高度，h2為攪拌針中部凸圓高度，h3位攪拌針下部圓臺(tái)高度，D4為軸肩直徑，Cl1為攪拌針上部圓柱直徑，d2為攪拌針中部凸圓直徑，d3為攪拌針下部圓臺(tái)底面直徑。

【具體實(shí)施方式】
[0018]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭I由軸肩4以及攪拌針5組成，攪拌針5與軸肩4同軸設(shè)置，其中攪拌針5由上部圓柱5-1、中部凸圓5-2和下部圓臺(tái)5-3組成,上部圓柱5-1的一端固裝在軸肩4的下端面上,上部圓柱5-1的另一端與中部凸圓5-2連接，中部凸圓5-2的下端面連接下部圓臺(tái)5-3的底面，上部圓柱5-1的直徑Cl1與下部圓臺(tái)5-3的底面直徑d3相等，上部圓柱5-1的直徑Cl1小于中部凸圓5-2的直徑d2，并且在上部圓柱5-1以及下部圓臺(tái)5-3的外表面上均帶有右旋螺紋。
[0019]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法按照以下步驟實(shí)施:
[0020]一、確定攪拌頭尺寸:根據(jù)第一被焊工件2的厚度A和第二被焊工件3的厚度t2以及第一被焊工件2與第二被焊工件3厚度相加所得總厚度T確定軸肩4的直徑D4、攪拌針上部圓柱5-1的直徑Cl1、下部圓臺(tái)5-3底面的直徑d3、中部凸圓5-2的直徑d2，軸肩4的直徑隊(duì)為總厚度T的3?5倍，攪拌針上部圓柱5-1的直徑Cl1與下部圓臺(tái)5-3的底面直徑d3為總厚度T的I?2倍，中部凸圓5-2的直徑d2為上部圓柱5-1直徑Cl1的1.2?1.5倍；
[0021]二、確定攪拌針的長(zhǎng)度:攪拌針上部圓柱5-1的高度Ii1比第一被焊工件2的厚度ti小0.5?2.5mm,攪拌針中部凸圓5-2的高度h2為1.0?3.0mm,攪拌針下部圓臺(tái)5-3的高度h3為第二被焊工件厚度t2的0.1?1.0倍；
[0022]三、固定被焊工件:利用夾具將第一被焊工件2與第二被焊工件3固定在工作臺(tái)上，使第一被焊工件2所在平面與第二被焊工件3所在平面平行，且第一被焊工件2緊密搭接于第二被焊工件3上方，完成被焊工件的組裝；
[0023]四、確定下壓深度:將攪拌頭下壓深度至攪拌針中部凸圓5-2水平中心截面與第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接界面重合處，軸肩4壓入第一被焊工件2的深度為O?1mm，完成攪拌頭的定位；
[0024]五、攪拌摩擦焊接:攪拌頭I以2?100毫米/分鐘的下壓速度壓入第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接處的中心線(xiàn)的起始端，控制攪拌頭I的旋轉(zhuǎn)速度為200?3000轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭I以20?1500毫米/分鐘的焊接速度沿第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接處的中心線(xiàn)行走，直至焊接完成。
[0025]本實(shí)施方式各部件高度取值保證了在焊接過(guò)程中攪拌針中部凸圓5-2水平中心截面與第一被焊工件2和第二被焊工件3搭接界面重合。
[0026]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二不同的是步驟一軸肩4的直徑D4為總厚度T的4倍，攪拌針上部圓柱5-1的直徑Cl1與下部圓臺(tái)5-3的底面直徑d3為總厚度T的1.5倍，中部凸圓5-2的直徑d2為上部圓柱5-1直徑Cl1的1.4倍。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二相同。
[0027]本實(shí)施方式攪拌頭各尺寸能夠保證焊縫成形的穩(wěn)定性。
[0028]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二或三不同的是步驟二中攪拌針上部圓柱5-1的高度Ii1比第一被焊工件2的厚度h小0.7_，攪拌針中部凸圓5-2的高度h2為1mm，攪拌針下部圓臺(tái)5-3的高度h3為第二被焊工件厚度t2的0.5倍。其它步驟與【具體實(shí)施方式】二或三相同。
[0029]本實(shí)施方式攪拌頭各尺寸能夠保證焊縫成形的穩(wěn)定性。
[0030]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二至四之一不同的是步驟四中軸肩4壓入第一被焊工件2的深度為0.2_。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二至四之一相同。
[0031]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二至五之一不同的是步驟五中控制攪拌頭I的旋轉(zhuǎn)速度為800?1200轉(zhuǎn)/分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二至五之一相同。
[0032]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二至六之一不同的是步驟五中攪拌頭I以10?30毫米/分鐘的下壓速度壓入第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接處的中心線(xiàn)的起始端。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二至六之一相同。
[0033]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二至七之一不同的是步驟五中調(diào)節(jié)攪拌頭I的焊接速度為600?800毫米/分鐘。其它步驟及參數(shù)與【具體實(shí)施方式】二至七之一相同。
[0034]實(shí)施例:本實(shí)施例減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法按照以下步驟實(shí)施:
[0035]一、確定攪拌頭尺寸:根據(jù)第一被焊工件2的厚度h = 3mm和第二被焊工件3的厚度t2 = 3mm以及第一被焊工件2與第二被焊工件3厚度相加所得總厚度T = 6_確定軸肩4的直徑D4、攪拌針上部圓柱5-1的直徑Cl1、下部圓臺(tái)5-3底面的直徑d3、中部凸圓5-2的直徑d2，軸肩4的直徑D4為總厚度T的4倍，攪拌針上部圓柱5-1的直徑Cl1與下部圓臺(tái)5-3的底面直徑d3為總厚度T的1.5倍，中部凸圓5-2的直徑d2為上部圓柱5-1直徑(I1的1.4 倍；
[0036]二、確定攪拌針的長(zhǎng)度:攪拌針上部圓柱5-1的高度Ii1比第一被焊工件2的厚度h小0.7mm，攪拌針中部凸圓5-2的高度h2為1mm，攪拌針下部圓臺(tái)5-3的高度h3為第二被焊工件厚度t2的0.5倍；
[0037]三、固定被焊工件:利用夾具將第一被焊工件2與第二被焊工件3固定在工作臺(tái)上，使第一被焊工件2所在平面與第二被焊工件3所在平面平行，且第一被焊工件2緊密搭接于第二被焊工件3上方，完成被焊工件的組裝；
[0038]四、確定下壓深度:將攪拌頭I下壓深度至攪拌針中部凸圓5-2水平中心截面與第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接界面重合處，軸肩4壓入第一被焊工件2的深度為
0.2mm,完成攪拌頭的定位；
[0039]五、攪拌摩擦焊接:攪拌頭I以20毫米/分鐘的下壓速度壓入第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接處的中心線(xiàn)的起始端，控制攪拌頭I的旋轉(zhuǎn)速度為1000轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭I以750毫米/分鐘的焊接速度沿第一被焊工件2與第二被焊工件3搭接處的中心線(xiàn)行走，直至焊接完成。
[0040]本實(shí)施例第一被焊工件2和第二被焊工件3所用材料為擠壓型材6005鋁合金。在以上參數(shù)下，得到界面缺陷尺寸較小的攪拌摩擦搭接焊接頭，顯著增加了接頭的有效承載厚度和有效搭接寬度，因此其力學(xué)性能優(yōu)于采用傳統(tǒng)的圓柱狀和圓錐狀攪拌針進(jìn)行焊接時(shí)獲得的搭接接頭。
【權(quán)利要求】
1.減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭，其特征在于該減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊用攪拌頭(1)由軸肩(4)以及攪拌針(5)組成，攪拌針(5)與軸肩(4)同軸設(shè)置，其中攪拌針(5)由上部圓柱(5-1)、中部凸圓(5-2)和下部圓臺(tái)(5-3)組成，上部圓柱(5-1)的一端固裝在軸肩(4)的下端面上，上部圓柱(5-1)的另一端與中部凸圓(5-2)連接，中部凸圓(5-2)的下端面連接下部圓臺(tái)(5-3)的底面，上部圓柱(5-1)的直徑(屯)與下部圓臺(tái)(5-3)的底面直徑(屯)相等，上部圓柱(5-1)的直徑(屯)小于中部凸圓(5-2)的直徑(士)，并且在上部圓柱(5-1)以及下部圓臺(tái)(5-3)的外表面上均帶有右旋螺紋。
2.減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于是按照以下步驟實(shí)現(xiàn): 一、確定攪拌頭尺寸:根據(jù)第一被焊工件(2)的厚度(1)和第二被焊工件(3)的厚度(^)以及第一被焊工件(2)與第二被焊工件(3)厚度相加所得總厚度(1)確定軸肩(4)的直徑汍)、攪拌針上部圓柱(5-1)的直徑(屯)、下部圓臺(tái)(5-3)底面的直徑(屯)和中部凸圓(5-2)的直徑(士)，軸肩⑷的直徑他)為總厚度⑴的3?5倍，攪拌針上部圓柱(5-1)的直徑(屯)與下部圓臺(tái)(5-3)的底面直徑(屯)為總厚度(1)的1?2倍，中部凸圓(5-2)的直徑(4)為上部圓柱(5-1)直徑(屯)的1.2?1.5倍； 二、確定攪拌針的長(zhǎng)度:攪拌針上部圓柱(5-1)的高度(匕)比第一被焊工件(2)的厚度“丨)小0.5?2.5臟，攪拌針中部凸圓(5-2)的高度(1?)為1.0?3.0111111，攪拌針下部圓臺(tái)(5-3)的高度(?)為第二被焊工件⑶厚度(^)的0.1?1.0倍； 三、固定被焊工件:利用夾具將第一被焊工件(2)與第二被焊工件(3)固定在工作臺(tái)上，使第一被焊工件(2)所在平面與第二被焊工件(3)所在平面平行，且第一被焊工件(2)緊密搭接于第二被焊工件(3)上方，完成被焊工件的組裝； 四、確定下壓深度:將攪拌頭下壓深度至攪拌針中部凸圓(5-2)水平中心截面與第一被焊工件(2)與第二被焊工件(3)搭接界面重合處，軸肩(4)壓入第一被焊工件(2)的深度為0?1111111,完成攪拌頭的定位； 五、攪拌摩擦焊接:攪拌頭(1)以2?100毫米/分鐘的下壓速度壓入第一被焊工件(2)與第二被焊工件(3)搭接處的中心線(xiàn)的起始端，控制攪拌頭(1)旋轉(zhuǎn)速度為200?3000轉(zhuǎn)/分鐘，攪拌頭(1)以20?1500毫米/分鐘的焊接速度沿第一被焊工件(2)與第二被焊工件(3)搭接處的中心線(xiàn)行走，直至焊接完成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于步驟一軸肩⑷的直徑(0]為總厚度⑴的4倍，攪拌針上部圓柱(5-1)的直徑(屯)與下部圓臺(tái)(5-3)的底面直徑(屯)為總厚度⑴的1.5倍，中部凸圓(5-2)的直徑(士)為上部圓柱(5-1)直徑⑷的1.4倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于步驟二中攪拌針上部圓柱(5-1)的高度00比第一被焊工件(2)的厚度小0.7111111，攪拌針中部凸圓(5-2)的高度(1?)為1皿，攪拌針下部圓臺(tái)(5-3)的高度(?)為第二被焊工件(3)厚度(^)的0.5倍。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于步驟四中軸肩(4)壓入第一被焊工件(2)的深度為0.2111111。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于步驟五中控制攪拌頭(1)的旋轉(zhuǎn)速度為800?1200轉(zhuǎn)丨分鐘。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于步驟五中攪拌頭(I)以10?30毫米/分鐘的下壓速度壓入第一被焊工件(2)與第二被焊工件(3)搭接處的中心線(xiàn)的起始端。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的減小界面缺陷尺寸的攪拌摩擦搭接焊方法，其特征在于步驟五中調(diào)節(jié)攪拌頭(I)的焊接速度為600?800毫米/分鐘。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104400215SQ201410705553
【公開(kāi)日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】胡琰瑩, 劉會(huì)杰, 趙運(yùn)強(qiáng), 林喆, 劉向前, 竇超 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)