下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头及其焊接方法

摘要

下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头及其焊接方法，它涉及一种搅拌头及焊接方法。本发明为解决现有的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头下轴肩旋转产热造成焊接热输入增加，导致焊缝成形困难以及焊接接头力学性能较低的问题。支撑底座的上端面的中心处加工有圆形凹槽，径向定位轴承安装在圆形凹槽内，下轴肩固装在支撑底座的上端面上，下轴肩沿纵向加工有搅拌针，在焊接过程中，搅拌针的下部穿过搅拌针并通过径向定位轴承安装在支撑底座上；一、确定搅拌头尺寸，二、固定被焊工件，三、焊前定位搅拌头，四、确定搅拌头转速及上轴肩下压深度，五、确定焊接速度并对第一被焊工件和第二被焊工件进行焊接。本发明的搅拌头及焊接方法用于搅拌摩擦焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊用搅拌头及采用该搅拌头进行搅拌摩擦的焊接方法。

背景技术

自持式搅拌摩擦焊接方法是由常规搅拌摩擦焊衍生而来的一种新型环保的固相连接 技术，不仅可有效避免传统熔焊方法所产生的裂纹和气孔等焊接缺陷，同时可以解决常规 搅拌摩擦焊需要背部垫板，以及焊缝可能存在根部缺陷等问题，因此自持式搅拌摩擦焊接 方法得到迅速的发展和广泛的应用。在上述方法中搅拌头由搅拌针及上、下两个轴肩组成， 下轴肩起到常规搅拌摩擦焊背部垫板的作用，在焊接时下轴肩由搅拌针带动从而旋转产 热，下轴肩所受到的载荷全部施加在搅拌针上，导致搅拌针承受较大的拉应力、扭矩及弯 矩。为了防止搅拌针的断裂，必须加大搅拌针尺寸和相应的轴肩尺寸，造成焊缝成形困难 和较大的焊接热输入，从而限制了这种焊接方法的应用；此外，上、下两个轴肩同时旋转 产生的热量，进一步增大焊接热输入，降低了接头的承载能力。

综上，现有的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头下轴肩旋转产热造成焊接热输入增加，导致 焊缝成形困难以及焊接接头力学性能较低，限制了自持式搅拌摩擦焊接方法的应用。

发明内容

本发明为解决现有的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头下轴肩旋转产热造成焊接热输入增 加，导致焊缝成形困难以及焊接接头力学性能较低的问题，进而提出一种下轴肩不旋转的 自持式搅拌头及摩擦焊接方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明的下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头由上部搅拌头和下部搅拌头，所 述上部搅拌头由上轴肩和搅拌针组成，所述搅拌针的上端面固装在上轴肩的下端面上，所 述上轴肩和搅拌针同轴设置，所述下部搅拌头由支撑底座、径向定位轴承和下轴肩组成， 所述支撑底座的上端面的中心处加工有圆形凹槽，所述径向定位轴承安装在圆形凹槽内， 所述下轴肩固装在支撑底座的上端面上，所述下轴肩沿纵向加工有中心孔，在焊接过程中， 搅拌针的下部穿过中心孔并通过径向定位轴承安装在支撑底座上，下轴肩直径≥上轴肩直 径。

本发明的下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊接方法是按着以下步骤实现的：

步骤一、确定搅拌头尺寸：根据第一被焊工件和第二被焊工件的厚度确定上轴肩的直 径、下轴肩的直径以及搅拌针直径，上轴肩的直径为被焊工件厚度的3～5倍，下轴肩的 直径为被焊工件厚度的4～6倍，并保证下轴肩直径≥上轴肩直径，搅拌针的直径为被焊 工件厚度的1～2倍；

步骤二、固定被焊工件：利用夹具将第一被焊工件和第二被焊工件固定在工作台上， 使第一被焊工件和第二被焊工件对接且处于同一水平面上；

步骤三、焊前定位搅拌头：调整搅拌针和支撑底座使二者同轴，使搅拌头轴线垂直于 被焊工件的上端面并位于焊接起始位置，使上轴肩紧压在被焊工件的上端面上，使下轴肩 的上端面与被焊工件的下端面紧密接触；

步骤四、确定搅拌头转速及上轴肩下压深度：控制上部搅拌头旋转，转速为200～2000 转/分钟，使上轴肩的下端面压入被焊工件焊接起始位置的上表面上，下压深度为0.01～ 0.5mm；

步骤五、确定焊接速度并对第一被焊工件和第二被焊工件进行焊接：当上轴肩达到预 定的压入深度时，控制上部搅拌头和下部搅拌头以相同的焊接速度沿第一被焊工件和第二 被焊工件的对接面长度方向运动，其中焊接速度为10～1000mm/min，直至焊接完成为止。

本发明的有益效果是：

本发明的下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊用搅拌头在焊接过程中下轴肩不与搅拌 针一起旋转，单独对被焊工件进行支撑，与现有的自持式搅拌头相比，能有效降低搅拌针 所受的载荷，从而避免搅拌针断裂；同时避免了下轴肩旋转产热，进一步降低焊接热输入， 提高焊接接头的承载能力；本发明可以采用较小直径的搅拌头，从而改善焊缝成形和降低 焊接热输入；

本发明的下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊接方法的上部搅拌头和下部搅拌头以相 同的焊接速度沿第一被焊工件和第二被焊工件的焊缝长度方向运动，保证了焊缝成形，实 现了搅拌焊接方法的应用。

附图说明

图1是下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊接方法的搅拌摩擦焊接过程立体示意图；图 2是搅拌摩擦焊接过程搅拌头与两块待焊板材的主剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～2所示，本实施方式所述的一种下轴肩不旋转的自持式搅 拌摩擦焊用搅拌头，所述搅拌头由上部搅拌头1和下部搅拌头2，所述上部搅拌头1由上 轴肩7和搅拌针6组成，所述搅拌针6的上端面固装在上轴肩7的下端面上，所述上轴肩 7和搅拌针6同轴设置，其特征在于：所述下部搅拌头2由支撑底座3、径向定位轴承4 和下轴肩5组成，所述支撑底座3的上端面的中心处加工有圆形凹槽3-1，所述径向定位 轴承4安装在圆形凹槽3-1内，所述下轴肩5固装在支撑底座3的上端面上，所述下轴肩 5沿纵向加工有中心孔5-1，在焊接过程中，搅拌针6的下部穿过中心孔5-1并通过径向 定位轴承4安装在支撑底座3上，下轴肩直径D2≥上轴肩直径D1。

具体实施方式二：如图2所示，本实施方式上轴肩7的直径D1为被焊工件厚度的3～ 5倍，下轴肩5的直径D2为被焊工件厚度的4～6倍，搅拌针6的直径d为被焊工件厚度 的1～2倍。如此设计，可在保证搅拌针具有足够强度的同时得到良好的焊缝成形。其它 步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图2所示，本实施方式上轴肩7的直径D1为被焊工件厚度的4 倍，下轴肩5的直径D2为被焊工件厚度的5倍，搅拌针6的直径d为被焊工件厚度的1.5 倍。如此设计，可在保证搅拌针具有足够强度的同时得到良好的焊缝成形。其它步骤与具 体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图1～2所示，本实施方式的下轴肩不旋转的自持式搅拌摩擦焊 接方法步骤如下：

步骤一、确定搅拌头尺寸：根据第一被焊工件8和第二被焊工件9的厚度确定上轴肩 7的直径D1、下轴肩5的直径D2以及搅拌针直径d，上轴肩7的直径D1为被焊工件厚度 的3～5倍，下轴肩5的直径D2为被焊工件厚度的4～6倍，并保证下轴肩直径D2≥上轴 肩直径D1，搅拌针6的直径d为被焊工件厚度的1～2倍；

步骤二、固定被焊工件：利用夹具将第一被焊工件8和第二被焊工件9固定在工作台 上，使第一被焊工件8和第二被焊工件9对接且处于同一水平面上；

步骤三、焊前定位搅拌头：调整搅拌针6和支撑底座3使二者同轴，使搅拌头轴线垂 直于被焊工件的上端面并位于焊接起始位置，使上轴肩7紧压在被焊工件的上端面上，使 下轴肩5的上端面与被焊工件的下端面紧密接触；

步骤四、确定搅拌头转速及上轴肩下压深度：控制上部搅拌头1旋转，转速ω为200～ 2000转/分钟，使上轴肩7的下端面压入被焊工件焊接起始位置的上表面上，下压深度h 为0.01～0.5mm；

步骤五、确定焊接速度并对第一被焊工件8和第二被焊工件9进行焊接：当上轴肩7 达到预定的压入深度时，控制上部搅拌头1和下部搅拌头2以相同的焊接速度沿第一被焊 工件8和第二被焊工件9的对接面长度方向运动，其中焊接速度v_x为10～1000mm/min， 直至焊接完成为止。

具体实施方式五：本实施方式步骤四中控制上部搅拌头1的转速ω为600转/分钟。 可以根据第一被焊工件8和第二被焊工件9的具体情况选择搅拌头上部1的转速，同时可 保证最佳的焊缝成形及接头力学性能。其它步骤与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式在步骤四中控制上轴肩7的下端面压入被焊工件的下压 深度h为0.2mm。可以根据第一被焊工件8和第二被焊工件9的具体情况选择下压深度h， 以提高接头质量，同时可保证焊缝成形效果最佳。其它步骤与具体实施方式四或五相同。

具体实施方式七：本实施方式在步骤五中控制焊接速度v_x为200mm/min。 可以根据第一被焊工件8和第二被焊工件9的具体情况选择搅拌头上部1和搅拌头下部2 的水平移动速度，以提高接头质量，同时可保证最佳的接头力学性能。其它步骤与具体实 施方式四或五相同。