[发明专利]倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具及方法

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，具体涉及一种用于中空无支撑结构并且在搅拌摩擦焊时倾角可以调节的焊具。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种先进的固相连接技术，自1991年由英国焊接研究所(The Welding Institute，TWI)发明以来，由于其具有焊接变形小、残余应力小，接头质量好、焊缝为细晶锻造组织结构，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时具有焊接操作简单、便于自动化焊接、焊接效率高等特点，搅拌摩擦焊已经在航天、航空、造船、列车、汽车、电力等多个工业制造领域得到广泛应用。在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高以及轻量化发展要求，对列车车体结构和焊接接头强度及其安全性的要求也越来越高。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。目前，铝合金列车壁板、顶板以及底板大都采用中空型材结构，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。当前，对于中空型材结构的搅拌摩擦焊主要采用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制导引孔，以便插入搅拌针；焊后，需预置导出孔，以便抽出搅拌针，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；另外，在焊接过程中双轴肩搅拌摩擦焊针对不同的型材，倾斜角一般只能为0度，如果有倾斜角，背面的轴肩在焊接过程中具有切削作用，而不是应有的对焊缝的锻压作用；同时，存在焊接热输入大及搅拌针承载过大而影响接头的性能甚至造成搅拌针断裂。

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，搅拌摩擦焊过程中出现的热输入量过大导致接头性能降低以及无刚性垫板支撑条件下焊缝难以成形的问题，提供一种倾角可调且轴肩呈上凹下凸式搅拌摩擦焊的焊具及方法。

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，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凹形轴肩面，所述辅助搅拌针的上端面为外边缘低于中心的凸形轴肩面。

本发明的方法是通过以下步骤实现的：

步骤一、确定辅助搅拌针的尺寸：根据被焊件的厚度确定凹形轴肩面的凹形上轴肩直径、辅助搅拌针的轴肩直径和凹形轴肩面至辅助搅拌针的上端面之间的间距，凹形上轴肩直径为被焊件厚度的1.7倍～2.6倍，辅助搅拌针的轴肩直径为凹形上轴肩直径的0.2倍～0.4倍；

步骤二、确定凸形轴肩面与焊具中心轴线之间的下夹角：凸形轴肩面与焊具中心轴线之间的下夹角为45°～75°；

步骤三、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，搅拌体的使用长度比被焊件的厚度小0.1mm～0.3mm；

步骤四、确定凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的上夹角：凹形轴肩面与焊具中心轴线之间的上夹角为78°～82°；

步骤五、焊具倾斜角的调整：调整焊具的倾斜角即该焊具的焊具中心轴线与被焊件的法线的夹角，调整该夹角为1°～3°；

步骤六、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，以1毫米/分钟～10毫米/分钟的压入速度压入被焊件中，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焊接。