[發明專利]一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌頭

在審

• 申請號: 202110545834.0
• 申請日: 2021-05-19
• 公開（公告）號: CN113305415A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 孟騰逸;吳堅定;侍光磊;胡豐;吳志明
• 申請（專利權）人: 中車株洲電力機車有限公司
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 長沙正奇專利事務所有限責任公司 43113
• 代理人: 唐列沖

本發明公開了一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌頭，包括夾持部(1)和攪拌針(2)，其特征在于，所述攪拌針(2)包括凸出于所述夾持部(1)之外的錐形尖端部(2.1)，所述錐形尖端部(2.1)的外表面包括沿著周向間隔設置的錐面(2.2)和斜平面(2.3)，所述錐面(2.2)上設置有圍繞所述錐形尖端部(2.1)的軸線的螺紋；所述夾持部(1)朝向錐形尖端部(2.1)的端面為凹錐面(1.3)。本發明攪拌頭焊接17mm鋁合金厚板枕梁時，焊接速度能夠達到500mm/min，相較于現有常規攪拌頭150?300mm/min左右的焊接速度，提升一倍有余；同時，焊縫力學性能顯著提升。

技術領域

本發明涉及一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌頭，尤其適用于軌道交通攪拌摩擦焊產品，如車體枕梁、車鉤板等焊接接頭厚度超過12mm的部件焊接。

背景技術

在軌道交通行業，攪拌摩擦焊(以下簡稱FSW)在焊接接頭缺陷率、制造成本、變形控制、工人技能水平及環境溫濕度要求等方面均存在較大優勢。所以目前在高速鋁合金列車的制造中采用FSW技術，已成為主流趨勢。

隨著技術的不斷發展，摩擦焊工藝已廣泛應用于列車側墻板、空調板、長地板等薄板部件的焊接。對于車鉤板、枕梁等厚板車體部件的焊接，摩擦焊技術的應用并不普及，這些厚板部件往往是車體的重要受力部件，對結構安全性有著更高的要求。與薄板FSW不同的是，相較于傳統熔化焊接，厚板FSW雖然在疲勞性能、抗沖擊性能、焊后變形控制等方面仍存在較大優勢，但焊縫力學性能以及焊接效率還是出現了顯著下降。焊縫力學性能及焊接速度成為制約厚板FSW推廣應用的最主要問題。

攪拌頭是攪拌摩擦焊接設備最重要組成部分之一，是攪拌摩擦焊接技術的核心。它與被焊工件相互作用，實現焊接材料的連接，是決定焊接質量及焊接速度的最核心部件。

目前，攪拌摩擦焊工藝采用攪拌頭通常采用工具鋼整體加工而成，其包括攪拌針段和夾持段，攪拌針段位于攪拌頭的頂部。這種攪拌針的長度固定，但隨著攪拌摩擦焊焊縫的焊接，攪拌針部位會存在著一定程度的磨損，繼續使用將造成母材攪拌不充分，導致焊接缺陷。一般在攪拌頭焊接量達到1000m長時就將報廢，報廢的攪拌頭只能回爐，造成了大量的資源浪費。

厚板攪拌摩擦焊技術相較于薄板焊接更為復雜，通過相關的試驗驗證，鋁合金厚板FSW接頭抗沖擊性能、疲勞強度、焊接效率、焊后變形等均優于傳統MIG焊接，但厚板FSW靜強度力學性沒有像薄板FSW接頭一樣高出MIG接頭強度10％左右，而是與MIG焊接接頭相當或略低。這成為鋁合金厚板摩擦焊全面推廣應用的最大難點；

此外，相較于傳統MIG焊接，攪拌摩擦焊對工裝夾持的依賴性大，焊前工裝調整時間長，當焊接速度不存在較大優勢，現有傳統厚板摩擦焊焊接速度為100mm/min-300mm/min左右，生產效率是制約厚板摩擦焊發展的重要項點。

再者，適用于厚板FSW的攪拌頭壽命大多僅有500-1000m，使用成本不低。

現有的攪拌針一般為錐形，并且在錐面上設置有螺紋，這樣可以加大攪拌時金屬的流動；另外，還有在螺紋錐面上設置溝槽的設計，螺紋和溝槽可以極大促進金屬的流動，對于薄板FSW焊速而言，優勢明顯，具有焊接快，發熱小，更快的金屬流動對提升焊接速度和力學性能都有較好影響。對于厚板FSW而言，同時受攪拌作用的材料更多，焊速較慢，發熱量大，若材料流動過快則容易造成焊縫區域受熱過多，力學性能顯著下降。

本發明旨在通過攪拌頭的優化設計及配套的焊接工藝開發，增加攪拌頭使用壽命，加快厚板攪拌摩擦焊的焊接速度，提升焊縫接頭力學性能，解決制約厚板摩擦焊技術推廣應用的最主要問題。

發明內容

為了提升焊接速度與焊縫力學性能，提高焊接質量，本發明提供一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌頭，具體技術方案如下。