轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法

摘要

轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法，它涉及一种搅拌摩擦焊的焊具及方法，以解决现有双轴肩自持式搅拌摩擦焊需要预制导引孔和导出孔，难以形成封闭焊缝及热输入量过大导致接头性能降低的问题。焊具：上圆柱体、下圆柱体、主搅拌针、辅助搅拌针由上至下依次设置且制成一体，下圆柱体的下端面为上凹形轴肩面，辅助搅拌针的上端面为下凹形轴肩面。方法：一、确定搅拌体的使用长度；二、确定上凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的夹角；三、确定上凹形轴肩面的直径；四、确定下凹形轴肩面的直径；五、确定下凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的锐角；六、压入辅助搅拌针；七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。本发明用于中空无支撑结构的焊接。

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌摩擦焊的焊具及方法，具体涉及一种用于无倾角中空无支撑结构 搅拌摩擦焊并且上下轴肩凹形相对的焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法。

背景技术

搅拌摩擦焊技术(Friction Stir Welding，称FSW)是由英国焊接研究所(The Welding  Institute，简称TWI)于1991年发明的一项新的固相连接方法，即可以通过不融化母材和焊材 而进行联结。搅拌摩擦焊克服了以往熔焊的诸如气孔、裂纹、变形等缺点，连接工艺简单， 接头质量好，有较好的工艺适应性。目前，该技术已应用到包括轻轨、地铁、快速列车和 高速列车等轨道交通行业在内的众多领域，搅拌摩擦焊技术正逐渐成为轨道车辆车体制造 的主导焊接工艺技术。由于对列车高速度、轻量化、车体结构和焊接接头高安全性的要求， 现代高速列车的车体已经形成以铝合金中空型材结构和搅拌摩擦焊接相结合的设计和制造 主线。高速列车的车壁板、顶板以及底板等多采用中空型材结构，中空型材结构的焊接是 将搅拌摩擦焊技术应用于列车制造的重要方面。现在对于中空型材结构的搅拌摩擦焊主要 包括双轴肩自持式搅拌摩擦焊，双轴肩自持式搅拌摩擦焊在无支撑中空型材结构的焊接过 程中，焊接前需要在启焊处预置导引孔，以便插入搅拌针；焊后，需预置导出孔，抽出搅 拌针；预制导引孔和导出孔，难以形成封闭的结构完整的焊缝，还导致焊接过程操作复杂 化；同时由于下轴肩面积大会导致焊接热输入量大及搅拌针承载过大载荷而影响接头的性 能甚至造成搅拌针断裂的问题。

发明内容

本发明的目的是为解决现有双轴肩自持式搅拌摩擦焊需要预制导引孔和导出孔，搅拌 摩擦焊过程中无刚性垫板支撑，难以形成封闭完整的焊缝以及热输入量过大导致接头性能 降低的问题，提供一种轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法。

本发明的焊具包括夹持体和搅拌体，夹持体包括上圆柱体和下圆柱体，所述搅拌体包 括主搅拌针和辅助搅拌针，上圆柱体、下圆柱体、主搅拌针、辅助搅拌针由上至下依次设 置且制成一体，所述上圆柱体的直径小于下圆柱体的直径，上圆柱体的外表面上设有夹持 面，下圆柱体的外表面上设有至少两个环形隔热槽，主搅拌针为锥形体，主搅拌针的上端 直径大于下端直径，主搅拌针的外表面设有螺纹，辅助搅拌针为锥形体，辅助搅拌针的下 端为尖点，辅助搅拌针的锥形外表面沿圆周均布设有4～8个沟槽，所述下圆柱体的下端 面为外边缘高于中心的上凹形轴肩面，所述辅助搅拌针的上端面为外边缘高于中心的下凹 形轴肩面，上凹形轴肩面的直径大于下凹形轴肩面的直径。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定搅拌体的使用长度：根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度，搅拌体 的使用长度小于被焊件的厚度的0.05mm～0.35mm；

步骤二、确定上凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的夹角：上凹形轴肩面与焊具中心轴 线之间的上夹角为75°～81°；

步骤三、确定上凹形轴肩面的直径：根据被焊件的厚度确定上凹形轴肩面的直径，上 凹形轴肩面的直径为被焊件厚度的1.6倍～2.5倍；

步骤四、确定下凹形轴肩面的直径：根据上凹形轴肩面的直径确定下凹形轴肩面的直 径，下凹形轴肩面的直径为上凹形轴肩面的直径的0.15倍～0.35倍；

步骤五、确定下凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的锐角：下凹形轴肩面与焊具中心轴 线之间的下夹角为75°～80°；

步骤六、压入辅助搅拌针：焊具与被焊件的焊接面垂直设置，将焊具移至待焊处，将 辅助搅拌针接触待焊工件；

步骤七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊：焊具以100转/分钟～1500转/分钟的转 速、1毫米/分钟～10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面的压入深度为0.1 毫米～0.3毫米，以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直至完成 中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。

本发明具有以下优点：一、本发明将搅拌摩擦焊焊具设计为具有主搅拌针和辅助搅拌 针的一体式双轴肩的自持式搅拌摩擦焊具，且主搅拌针的上轴肩面为上凹形轴肩面，辅助 搅拌针的上轴肩面为下凹形轴肩面，在搅拌摩擦焊接过程中，辅助搅拌针直接压入被焊件， 不需要预制导引孔和导出孔，能够形成封闭的结构完整的焊缝，简化了操作过程，上下凹 形的轴肩面可以防止焊接过程中塑性金属向外流动，实现焊缝上下表面的良好成形，从而 提高了中空无支撑结构件搅拌摩擦焊的适应能力。二、下凹形轴肩面的直径远小于上凹形 轴肩面的直径，解决了双轴肩自持式搅拌摩擦焊的热输入量过大的问题。三、辅助搅拌针 的设置解决了无支撑中空结构型材在焊接过程中的无支撑和背部难以成形的问题。四、辅 助搅拌针的沟槽使得搅拌体在旋转过程中更容易压入无支撑中空结构型材中，防止了被焊 工件产生变形。

附图说明

图1是本发明无倾角且轴肩呈上凹下凹式搅拌摩擦焊的焊具的整体结构主剖视图；图 2是主搅拌针3和辅助搅拌针4的位置关系示意图；图3是图1的I局部放大图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式包括夹持体和搅拌体， 夹持体包括上圆柱体1和下圆柱体2，搅拌体包括主搅拌针3和辅助搅拌针4，上圆柱体 1、下圆柱体2、主搅拌针3、辅助搅拌针4由上至下依次设置且制成一体，所述上圆柱体 1的直径小于下圆柱体2的直径，上圆柱体1的外表面上设有夹持面1-1，下圆柱体2的 外表面上设有至少两个环形隔热槽2-1，主搅拌针3为锥形体，主搅拌针3的上端直径大 于下端直径，主搅拌针3的外表面设有螺纹3-1，辅助搅拌针4为锥形体，辅助搅拌针4 的下端为尖点，辅助搅拌针4的锥形外表面沿圆周均布设有4～8个沟槽4-1，沟槽4-1 用以保证辅助搅拌针4能够插入待焊工件中，所述下圆柱体2的下端面为外边缘高于中心 的上凹形轴肩面2-2，上凹形轴肩面2-2用以满足中空无支撑结构无倾斜角搅拌摩擦焊焊 缝成形的需要，上凹形轴肩面2-2有效防止了塑性金属材料的流出，所述辅助搅拌针4的 上端面为外边缘高于中心的下凹形轴肩面4-2，下凹形轴肩面4-2作为辅助搅拌针4的下 凹结构，以防止焊缝下部塑性金属材料的流出，上凹形轴肩面2-2的直径D1大于下凹形 轴肩面4-2的直径D2。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式的下凹形轴肩面4-2与焊具 中心轴线N-N之间的夹角为下夹角α，下夹角α为75°～80°。其它组成及连接关系 与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的上凹形轴肩面2-2与焊具 中心轴线N-N之间的夹角为上夹角β，上夹角β为75°～81°。其它组成及连接关系 与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式的焊具的材质为高速钢。高速钢可以重复使用。其它组 成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1～图3具体说明本实施方式的实现步骤：

步骤一、确定搅拌体的使用长度L：根据被焊件的厚度确定搅拌体的使用长度L，搅 拌体的使用长度L小于被焊件的厚度的0.05mm～0.35mm；

步骤二、确定上凹形轴肩面2-2与焊具中心轴线N-N之间的夹角β：上凹形轴肩面 2-2与焊具中心轴线N-N之间的上夹角β为75°～81°；

步骤三、确定上凹形轴肩面2-2的直径D1：根据被焊件的厚度确定上凹形轴肩面2-2 的直径D1，上凹形轴肩面2-2的直径D1为被焊件厚度的1.6倍～2.5倍；

步骤四、确定下凹形轴肩面4-2的直径D2：根据上凹形轴肩面2-2的直径确定下凹 形轴肩面4-2的直径，下凹形轴肩面4-2的直径D2为上凹形轴肩面2-2的直径D1的0.15 倍～0.35倍；

步骤五、确定下凹形轴肩面4-2与焊具中心轴线N-N之间的锐角α：下凹形轴肩面 4-2与焊具中心轴线N-N之间的下夹角α为75°～80°；

步骤六、压入辅助搅拌针4：焊具与被焊件的焊接面垂直设置，将焊具移至待焊处， 将辅助搅拌针4接触待焊工件；

步骤七、进行中空无支撑结构的搅拌摩擦焊：焊具以100转/分钟～1500转/分钟的转 速、1毫米/分钟～10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面2-2的压入深度 为0.1毫米～0.3毫米，以20毫米/分钟～1000毫米/分钟的焊接速度沿焊接方向行走直 至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的步骤一中搅拌体的 使用长度L小于被焊件的厚度的0.2mm。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤二中上凹形轴肩面 2-2与焊具中心轴线N-N之间的上夹角β为80°；步骤五中下凹形轴肩面4-2与焊具中心 轴线N-N之间的下夹角α为78°。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的步骤三中上凹形轴肩面 2-2的直径D1为被焊件厚度的2倍；步骤四中下凹形轴肩面4-2的直径D2为上凹形轴肩 面2-2的直径D1的0.25倍。其它步骤与具体实施方式五相同。

具体实施方式九：本实施方式为步骤七中焊具以500转/分钟的转速、2毫米/分钟的 压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面2-2的压入深度为02毫米，以100毫米/分钟的焊 接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。其它步骤与具体实施方式 五相同。

具体实施方式十：本实施方式为步骤七中焊具以800转/分钟的转速、3毫米/分钟的 压入速度压入被焊件中，上凹形轴肩面2-2的压入深度为0.25毫米，以300毫米/分钟的 焊接速度沿焊接方向行走直至完成中空无支撑结构的搅拌摩擦焊。其它步骤与具体实施方 式五相同。