[发明专利]轴肩呈上凹下凹式焊具及无支撑无倾角搅拌摩擦焊方法

权利要求书

1.一种轴肩呈上凹下凹式焊具，所述焊具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)，其特征在于：所述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)，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)，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)，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)。

2.根据权利要求1所述轴肩呈上凹下凹式焊具，其特征在于：所述下凹形轴肩面(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°。

3.根据权利要求1或2所述轴肩呈上凹下凹式焊具，其特征在于：所述上凹形轴肩面(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°。

4.根据权利要求3所述轴肩呈上凹下凹式焊具，其特征在于：所述焊具的材质为高速钢。

5.一种利用权利要求1所述焊具实现无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：所述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(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。

6.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：步骤一中搅拌体的使用长度(L)小于被焊件的厚度的0.2mm。

7.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：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°。

8.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：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。

9.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：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0.2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。

10.根据权利要求5所述无支撑无倾角搅拌摩擦焊的方法，其特征在于：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。