[發明專利]增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法

無效

• 申請號: 201410765362.X
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN104475966A
• 公開（公告）日: 2015-04-01
• 發明（設計）人: 劉會杰;胡琰瑩;趙運強;劉向前;王志國;竇超
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 岳泉清

技術領域

本發明涉及一種攪拌頭及其制造方法，具體涉及一種增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法，屬于焊接技術領域。

背景技術

從攪拌摩擦焊技術發明以來，不同的材料在焊縫成形方面表現出不同的特點，除焊接參數影響攪拌摩擦焊焊縫質量以外，攪拌頭的形狀對于攪拌摩擦焊焊縫的成形起著非常重要的作用。

攪拌頭是攪拌摩擦焊所采用的一種非消耗的可轉動的焊接工具。在焊接過程中，攪拌頭具有與其周圍材料摩擦產熱、破碎工件表面氧化層、轉移塑性材料等作用。因而，攪拌頭是攪拌摩擦焊技術的核心，其結構設計決定了整個焊接過程的各個工藝參數和焊縫質量。對于攪拌摩擦焊來說，攪拌針旋轉時所轉移材料的體積和攪拌針自身體積的比值是十分重要的參數，這個比值對于提高塑性材料的流動非常重要，其值越大越好。目前，以圓柱狀和圓錐狀帶螺紋攪拌針應用最為廣泛，然而，對于一些流動行為較差的材料，在攪拌摩擦焊時，攪拌針可轉移的材料的體積較小且其周圍的材料在塑性流動過程中不能很好地結合在一起，容易在焊縫中出現溝槽、孔洞的問題。

發明內容

本發明的目的是為了解決目前在攪拌摩擦焊時，攪拌針可轉移的材料的體積較小且其周圍的材料在塑性流動過程中不能很好地結合在一起，容易在焊縫中出現溝槽、孔洞的問題。進而提供一種增強焊縫材料流動的攪拌摩擦焊接用攪拌頭及其制造方法。

本發明的裝置技術方案是：它包括攪拌頭軸肩和攪拌針，攪拌針固定連接在攪拌頭軸肩的下端面上，攪拌針的直徑小于攪拌頭軸肩的直徑，攪拌針的側面加工出右旋螺紋和一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°。

本發明的方法技術方案是：通過以下步驟實現的：

步驟一、攪拌頭尺寸的確定：

根據被焊工件的厚度確定上軸肩的直徑和攪拌針直徑：上軸肩直徑φ1為被焊工件厚度t的2.75～3倍，攪拌針直徑φ2為被焊工件厚度t的1～1.25倍；

步驟二、確定攪拌針的使用長度：

攪拌針的使用長度T比工件厚度t小0.1～0.2mm；

步驟三、在軸肩位置開設方程為ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽：

其中θ表示阿基米德螺旋線轉過的總度數，ρ表示極徑，b為攪拌針直徑φ₂的1/2～1倍，表示θ等于零時的極徑，a為1/(4π)～5/(π)，表示每旋轉一度時極徑的增加量，螺旋槽由內徑向外徑以順時針方向向外擴展；

步驟四、在攪拌針側面加工出螺紋和平面：

首先，在攪拌針側面加工出右旋螺紋，然后，在攪拌針側面加工出一個與軸線方向平行的平面，所述平面被截掉的圓弧段對應的圓心角為120°；

步驟五、固定第一被焊工件和第二被焊工件：

將第一被焊工件和第二被焊工件對接設置且二者位于同一水平面上，即將第一被焊工件和第二被焊工件組對，用夾具固定在工作臺上；所述第一被焊工件和第二被焊工件為同厚度的板材；

步驟六、攪拌頭定位：

將攪拌頭移至工件外側進行定位，使攪拌頭軸肩的端面與第一被焊工件和第二被焊工件的上端面重合，或扎入第一被焊工件和第二被焊工件深度H為0.01～0.5mm，攪拌針的軸心線位于第一被焊工件和第二被焊工件的對接面處；

步驟七、對第一被焊工件和第二被焊工件進行攪拌摩擦焊接：

軸肩與攪拌針的轉速為200轉/分鐘～3000轉/分鐘，攪拌頭整體以20毫米/分鐘～5000毫米/分鐘的速度沿第一被焊工件和第二被焊工件的對接面長度方向行走，直至焊接完成。

本發明與現有技術相比具有以下效果：

一、本發明的軸肩開設有阿基米德螺旋線，能夠使軸肩具備儲藏塑性材料的能力，并能促進焊縫材料在軸肩作用區由軸肩外緣向焊縫中心的流動，既有利于焊縫的成形，又可以有效避免焊縫的減薄。

二、本發明的攪拌針上帶有右旋的螺紋會促進焊縫塑化材料在垂直方向的流動。當攪拌針逆時針旋轉時，攪拌針表面的螺紋將驅動其周圍材料向下運動，流動的塑化材料在底部受到剛性底板的阻礙作用，朝周邊擠壓原處于焊縫底部的材料，使其向更遠的位置遷移。