[發(fā)明專利]一種增大焊縫根部金屬流動的攪拌針

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201110415416.6
• 申請日: 2011-12-09
• 公開（公告）號: CN102513691A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王衛(wèi)兵;李光;欒國紅;董春林;孫占國
• 申請（專利權(quán)）人: 中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空制造工程研究所
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 中國航空專利中心 11008
• 代理人: 李建英

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于焊接技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種增大攪拌針端面處塑性金屬流動的避免根部未焊透缺陷的攪拌針。

背景技術(shù)

在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭(主要結(jié)構(gòu)包括軸肩和攪拌針)與工件材料間的相互作用產(chǎn)熱，把攪拌頭周圍的工件材料加熱到塑化狀態(tài)而形成接頭，該熱量主要包括軸肩和攪拌針與母材間的摩擦產(chǎn)熱及工件材料被攪拌、擠壓而產(chǎn)生的塑性變形熱。在攪拌摩擦焊接過程中，工件溫度場的分布不均勻，呈現(xiàn)攪拌頭軸肩處溫度最高并向攪拌針端面依次遞減的規(guī)律。主要原因?yàn)閿嚢桀^軸肩的產(chǎn)熱量較多，攪拌針產(chǎn)熱量較小，而攪拌針端面處產(chǎn)熱量最小。同時(shí)，攪拌摩擦焊的一個(gè)工藝特點(diǎn)是焊接過程中攪拌針端部與背部墊板間留有一定的間隙，即攪拌針的長度小于母材的厚度(兩者的差值往往為0.1～0.3mm)，目的是避免在攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭的攪拌針扎到墊板，如圖1中A區(qū)域所示。這一特點(diǎn)導(dǎo)致焊縫對接界面的根部容易得不到充分的攪拌，容易擴(kuò)散不充分，未形成金屬鍵連接，進(jìn)而出現(xiàn)根部未焊透缺陷，如圖2所示。

攪拌頭的攪拌針端面通常為光滑的圓弧頂，攪拌針端面的直徑相對于軸肩直徑較小，攪拌摩擦焊接過程中攪拌針端面的線速度較低，產(chǎn)生的摩擦熱量少，光滑的攪拌針端面不利于驅(qū)動與其接觸的塑化工件材料流動，故攪拌針下方工件處容易出現(xiàn)根部未焊透缺陷。該缺陷影響接頭的拉伸性能、彎曲性能及疲勞性能，未焊透缺陷本質(zhì)就是弱連接，在承受交變載荷時(shí)該缺陷是重要的裂紋源。為了消除根部未焊透缺陷，中國科學(xué)院金屬研究所在攪拌摩擦焊接頭的背部進(jìn)行二次攪拌摩擦焊補(bǔ)焊(專利號CN?101209511A)，并得到顯著效果，但是，該技術(shù)需要進(jìn)行二次補(bǔ)焊，影響生產(chǎn)效率和成本，同時(shí)很多結(jié)構(gòu)件因本身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，沒有空間進(jìn)行二次補(bǔ)焊。波音公司為了消除根部未焊透，在墊板上加工出一條槽結(jié)構(gòu)，焊后機(jī)械加工去除焊縫背面凸出的材料，專利號為US?6,460,752B1。該技術(shù)，在焊接過程中材料會在焊接熱和力的作用下填滿墊板上所加工的槽，從而導(dǎo)致焊縫表面減薄量會加大，同時(shí)焊縫背面的機(jī)械加工同樣增加成本，降低生產(chǎn)效率。北京賽福斯特技術(shù)有限公司申請的200910238020.1號專利，在焊接薄板時(shí)，可保證焊縫根部連接可靠，該技術(shù)在焊接厚度較小的零件時(shí)優(yōu)勢巨大，但是面對厚度超過6mm的零件，該技術(shù)難以保證焊縫根部的可靠連接。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種高效率、低成本、高可靠性的、實(shí)施過程簡單的一種增大焊縫根部金屬流動的攪拌針。本發(fā)明的解決方案是，通過對攪拌針端面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，增大該處的產(chǎn)熱量，提高塑性金屬的流動性，進(jìn)而避免根部未焊透缺陷出現(xiàn)，并提高攪拌摩擦焊接頭的性能。攪拌針的端面的直徑為被焊零件板厚的0.2～2倍，攪拌針的端面開有深度為0.1～1mm的槽，槽的形狀為如下之一：

(一)螺旋形，螺旋形槽為1～6條，螺旋形槽的螺旋方向與攪拌針的旋轉(zhuǎn)方向相反，螺旋形槽的橫截面為半圓形或矩形或倒三角形；

(二)放射形，放射形槽以攪拌針端面上的一點(diǎn)為中心向攪拌針端面邊緣放射，放射形槽的放射軌跡為直線或圓弧線，放射形槽的橫截面為半圓形或矩形或倒三角形。

本發(fā)明具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果，本發(fā)明僅在攪拌針端面增加一定的槽結(jié)構(gòu)，便可避免根部未焊透缺陷，同時(shí)提高攪拌摩擦焊接頭的性能，實(shí)施過程簡單可靠，效率高、成本低，無需焊后補(bǔ)焊和機(jī)械加工。本發(fā)明在攪拌針端面加工一定形狀的槽結(jié)構(gòu)，增加了攪拌針端面與塑性金屬的接觸面積，而增大了摩擦產(chǎn)熱量。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針端面的槽結(jié)構(gòu)會驅(qū)動焊縫根部金屬流動，而提高焊縫根部塑性金屬的流動性，促進(jìn)焊接界面的消失，避免根部未焊透缺陷。塑性金屬流動的同時(shí)，因高應(yīng)變率大變形會產(chǎn)生大量的塑性變形產(chǎn)熱，而提高焊縫根部的溫度，使攪拌摩擦焊接過程中焊縫上下部溫度趨于均勻，減小焊縫的溫度梯度，進(jìn)而減小攪拌摩擦焊焊接接頭內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提高接頭的可靠性和穩(wěn)定性。本發(fā)明的攪拌針極大提高了焊縫根部金屬的流動性，因而攪拌針端部與背部墊板間的縫隙可增大(如圖1中A區(qū)域)，試驗(yàn)結(jié)果表明在間隙尺寸為0.5mm的條件下，未發(fā)現(xiàn)根部未焊透缺陷，得到了可靠的攪拌摩擦焊焊縫。攪拌針端部與背部墊板間間隙的增大，避免在攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭的攪拌針扎到墊板，提高了攪拌摩擦焊的工藝包容性，同時(shí)降低了對攪拌摩擦焊接設(shè)備精度的要求。

附圖說明

圖1現(xiàn)有技術(shù)攪拌摩擦焊接示意圖；

圖2現(xiàn)有技術(shù)攪拌摩擦焊焊縫根部未焊透缺陷示意圖；

圖3本發(fā)明攪拌針端面不同槽形的示意圖；

圖4本發(fā)明攪拌針端面槽的不同橫截面示意圖；