一种减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊用搅拌头及其焊接方法

摘要

一种减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊用搅拌头及其焊接方法，本发明涉及搅拌摩擦搭接焊用搅拌头及其焊接方法，它为了解决现有搅拌摩擦搭接焊接头中前进侧Hook缺陷和后退侧冷搭接缺陷减小接头有效承载厚度和有效搭接宽度，降低接头力学性能的问题。该搅拌摩擦搭接焊用搅拌头由轴肩和搅拌针组成，其中搅拌针由上部圆柱、中部凸圆和下部圆台依次连接而成。焊接方法：一、确定搅拌头尺寸；二、确定搅拌针长度；三、固定被焊工件；四、使搅拌针中部凸圆下压至两个被焊工件搭接界面处；五、进行搅拌摩擦焊接。本发明在焊接过程中，利用中部凸圆对原始搭接界面进行搅拌，既有效减小界面缺陷尺寸，又使得有效搭接面积增大，从而提高接头的力学性能。

说明书

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦搭接焊用搅拌头及其焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所在1991年开发的一种新型的固相连接技术，具有焊接 接头变形小、焊接过程自动化等优点，并且克服了传统熔焊的气孔、夹渣等缺陷，可以获 得无缺陷的高质量接头。搭接接头作为主要的接头形式之一，在焊接中得到广泛的应用。 然而在搅拌摩擦搭接焊接头中，焊核两侧的原始搭接界面因焊缝材料的塑性流动而发生向 上或者向下的弯曲变形，其中主要有前进侧的Hook缺陷和后退侧“冷搭接缺陷”等两种界 面缺陷。这两种界面缺陷的存在会降低接头的有效承载厚度和有效搭接宽度，因而严重影 响了接头的力学性能，降低构件的承载能力。

因此，有必要发明一种降低界面缺陷尺寸的搅拌摩擦焊接用搅拌头。

发明内容

本发明为解决现有搅拌摩擦搭接焊接头中两种界面缺陷减小接头有效承载厚度和有 效搭接宽度，降低接头力学性能的问题，而提出一种降低界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊 用搅拌头及其焊接方法。

本发明减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊用搅拌头由轴肩以及搅拌针组成，搅拌针 与轴肩同轴设置，其中搅拌针由上部圆柱、中部凸圆和下部圆台组成，上部圆柱的一端固 装在轴肩的下端面上，上部圆柱的另一端与中部凸圆连接，中部凸圆的下端面连接下部圆 台的底面，上部圆柱的直径与下部圆台的底面直径相等，上部圆柱的直径小于中部凸圆的 直径，并且在上部圆柱以及下部圆台的外表面上均带有右旋螺纹。

本发明减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊方法按照以下步骤实现：

一、确定搅拌头尺寸：根据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 工件与第二被焊工件厚度相加所得总厚度确定轴肩的直径、搅拌针上部圆柱的直径、下部 圆台底面的直径、中部凸圆的直径，轴肩的直径为总厚度的3～5倍，搅拌针上部圆柱的 直径与下部圆台的底面直径为总厚度的1～2倍，中部凸圆的直径为上部圆柱直径的1.2～1.5 倍；

二、确定搅拌针的长度：搅拌针上部圆柱的高度比第一被焊工件的厚度小0.5～2.5mm， 搅拌针中部凸圆的高度为1.0～3.0mm，搅拌针下部圆台的高度为第二被焊工件厚度的 0.1～1.0倍；

三、固定被焊工件：利用夹具将第一被焊工件与第二被焊工件固定在工作台上，使第 一被焊工件所在平面与第二被焊工件所在平面平行，且第一被焊工件紧密搭接于第二被焊 工件上方，完成被焊工件的组装；

四、确定下压深度：将搅拌头下压深度至搅拌针中部凸圆水平中心截面与第一被焊工 件与第二被焊工件搭接界面重合处，轴肩压入第一被焊工件的深度为0～1mm，完成搅拌 头的定位；

五、搅拌摩擦焊接：搅拌头以2～100毫米/分钟的下压速度压入第一被焊工件与第二 被焊工件搭接处的中心线的起始端，控制搅拌头旋转速度为200～3000转/分钟，搅拌头以 20～1500毫米/分钟的焊接速度沿第一被焊工件与第二被焊工件搭接处的中心线行走，直 至焊接完成。

本发明的有益效果包括以下三个方面：

一、本发明的搅拌针在焊接过程中，利用直径大于上部圆柱和下部圆台的中部凸圆对 原始搭接界面进行搅拌，使得搭接界面处的焊缝宽度增加，有效搭接面积增大，从而提高 接头在搭接界面处的承载能力；

二、搅拌针中部凸圆的设计能够有效抑制焊缝金属在垂直方向上的流动，减少了因焊 缝材料的塑性流动而使界面发生向上或者向下的弯曲变形，即降低前进侧的Hook缺陷和 后退侧“冷搭接缺陷”；

三、中部凸圆直径较上部圆柱与下部圆台尺寸大，与直径和中部凸圆相同的圆柱状搅 拌针相比，该设计在增加有效搭接面积的同时，不会引起由于热输入的增加而导致的接头 热影响区的软化。

附图说明

图1是本发明中搅拌摩擦搭接焊的焊接过程的结构示意图，其中1为搅拌头，2为第 一被焊工件，3为第二被焊工件，4为轴肩，5为搅拌针，5-1为搅拌针上部圆柱，5-2为 搅拌针中部凸圆，5-3为搅拌针下部圆台；

图2是搅拌摩擦搭接焊过程中搅拌头与两块待焊板材的相对位置示意图，其中T为 被焊工件总厚度，t₁为第一被焊工件厚度，t₂为第二被焊工件厚度，h₁为搅拌针上部圆柱 高度，h₂为搅拌针中部凸圆高度，h₃位搅拌针下部圆台高度，D₄为轴肩直径，d₁为搅拌 针上部圆柱直径，d₂为搅拌针中部凸圆直径，d₃为搅拌针下部圆台底面直径。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊用搅拌头1由轴肩 4以及搅拌针5组成，搅拌针5与轴肩4同轴设置，其中搅拌针5由上部圆柱5-1、中部 凸圆5-2和下部圆台5-3组成，上部圆柱5-1的一端固装在轴肩4的下端面上，上部圆柱 5-1的另一端与中部凸圆5-2连接，中部凸圆5-2的下端面连接下部圆台5-3的底面，上 部圆柱5-1的直径d₁与下部圆台5-3的底面直径d₃相等，上部圆柱5-1的直径d₁小于中 部凸圆5-2的直径d₂，并且在上部圆柱5-1以及下部圆台5-3的外表面上均带有右旋螺纹。

具体实施方式二：本实施方式减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊方法按照以下步骤 实施：

一、确定搅拌头尺寸：根据第一被焊工件2的厚度t₁和第二被焊工件3的厚度t₂以 及第一被焊工件2与第二被焊工件3厚度相加所得总厚度T确定轴肩4的直径D₄、搅拌 针上部圆柱5-1的直径d₁、下部圆台5-3底面的直径d₃、中部凸圆5-2的直径d₂，轴肩4 的直径D₄为总厚度T的3～5倍，搅拌针上部圆柱5-1的直径d₁与下部圆台5-3的底面直 径d₃为总厚度T的1～2倍，中部凸圆5-2的直径d₂为上部圆柱5-1直径d₁的1.2～1.5倍；

二、确定搅拌针的长度：搅拌针上部圆柱5-1的高度h₁比第一被焊工件2的厚度t₁小0.5～2.5mm，搅拌针中部凸圆5-2的高度h₂为1.0～3.0mm，搅拌针下部圆台5-3的高度 h₃为第二被焊工件厚度t₂的0.1～1.0倍；

三、固定被焊工件：利用夹具将第一被焊工件2与第二被焊工件3固定在工作台上， 使第一被焊工件2所在平面与第二被焊工件3所在平面平行，且第一被焊工件2紧密搭接 于第二被焊工件3上方，完成被焊工件的组装；

四、确定下压深度：将搅拌头下压深度至搅拌针中部凸圆5-2水平中心截面与第一被 焊工件2与第二被焊工件3搭接界面重合处，轴肩4压入第一被焊工件2的深度为0～1mm， 完成搅拌头的定位；

五、搅拌摩擦焊接：搅拌头1以2～100毫米/分钟的下压速度压入第一被焊工件2与 第二被焊工件3搭接处的中心线的起始端，控制搅拌头1的旋转速度为200～3000转/分钟， 搅拌头1以20～1500毫米/分钟的焊接速度沿第一被焊工件2与第二被焊工件3搭接处的 中心线行走，直至焊接完成。

本实施方式各部件高度取值保证了在焊接过程中搅拌针中部凸圆5-2水平中心截面 与第一被焊工件2和第二被焊工件3搭接界面重合。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是步骤一轴肩4的直径D₄为 总厚度T的4倍，搅拌针上部圆柱5-1的直径d₁与下部圆台5-3的底面直径d₃为总厚度 T的1.5倍，中部凸圆5-2的直径d₂为上部圆柱5-1直径d₁的1.4倍。其它步骤及参数与 具体实施方式二相同。

本实施方式搅拌头各尺寸能够保证焊缝成形的稳定性。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式二或三不同的是步骤二中搅拌针上部圆 柱5-1的高度h₁比第一被焊工件2的厚度t₁小0.7mm，搅拌针中部凸圆5-2的高度h₂为 1mm，搅拌针下部圆台5-3的高度h₃为第二被焊工件厚度t₂的0.5倍。其它步骤与具体实 施方式二或三相同。

本实施方式搅拌头各尺寸能够保证焊缝成形的稳定性。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式二至四之一不同的是步骤四中轴肩4 压入第一被焊工件2的深度为0.2mm。其它步骤及参数与具体实施方式二至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式二至五之一不同的是步骤五中控制搅拌 头1的旋转速度为800～1200转/分钟。其它步骤及参数与具体实施方式二至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式二至六之一不同的是步骤五中搅拌头1 以10～30毫米/分钟的下压速度压入第一被焊工件2与第二被焊工件3搭接处的中心线的 起始端。其它步骤及参数与具体实施方式二至六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式二至七之一不同的是步骤五中调节搅拌 头1的焊接速度为600～800毫米/分钟。其它步骤及参数与具体实施方式二至七之一相同。

实施例：本实施例减小界面缺陷尺寸的搅拌摩擦搭接焊方法按照以下步骤实施：

一、确定搅拌头尺寸：根据第一被焊工件2的厚度t₁＝3mm和第二被焊工件3的厚度 t₂＝3mm以及第一被焊工件2与第二被焊工件3厚度相加所得总厚度T＝6mm确定轴肩4 的直径D₄、搅拌针上部圆柱5-1的直径d₁、下部圆台5-3底面的直径d₃、中部凸圆5-2 的直径d₂，轴肩4的直径D₄为总厚度T的4倍，搅拌针上部圆柱5-1的直径d₁与下部圆 台5-3的底面直径d₃为总厚度T的1.5倍，中部凸圆5-2的直径d₂为上部圆柱5-1直径 d₁的1.4倍；

二、确定搅拌针的长度：搅拌针上部圆柱5-1的高度h₁比第一被焊工件2的厚度t₁小0.7mm，搅拌针中部凸圆5-2的高度h₂为1mm，搅拌针下部圆台5-3的高度h₃为第二 被焊工件厚度t₂的0.5倍；

三、固定被焊工件：利用夹具将第一被焊工件2与第二被焊工件3固定在工作台上， 使第一被焊工件2所在平面与第二被焊工件3所在平面平行，且第一被焊工件2紧密搭接 于第二被焊工件3上方，完成被焊工件的组装；

四、确定下压深度：将搅拌头1下压深度至搅拌针中部凸圆5-2水平中心截面与第一 被焊工件2与第二被焊工件3搭接界面重合处，轴肩4压入第一被焊工件2的深度为 0.2mm，完成搅拌头的定位；

五、搅拌摩擦焊接：搅拌头1以20毫米/分钟的下压速度压入第一被焊工件2与第二 被焊工件3搭接处的中心线的起始端，控制搅拌头1的旋转速度为1000转/分钟，搅拌头 1以750毫米/分钟的焊接速度沿第一被焊工件2与第二被焊工件3搭接处的中心线行走， 直至焊接完成。

本实施例第一被焊工件2和第二被焊工件3所用材料为挤压型材6005铝合金。在以 上参数下，得到界面缺陷尺寸较小的搅拌摩擦搭接焊接头，显著增加了接头的有效承载厚 度和有效搭接宽度，因此其力学性能优于采用传统的圆柱状和圆锥状搅拌针进行焊接时获 得的搭接接头。