[发明专利]一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具

说明书

技术领域

本发明属于金属材料搅拌摩擦焊接领域，具体是针对搭接接头而设计的一种新型搅拌摩擦焊工具。

背景技术

搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接研究所（TWI）于1991年发明的一种新型固相连接技术，这项技术特别适合铝镁合金等有色金属的连接。搅拌摩擦焊的基本原理是由旋转着的一个非消耗搅拌工具（由轴肩和搅拌针组成的阶梯轴）插入工件的结合面，通过轴肩与工件之间的摩擦生热和搅拌针与工件材料发生的塑性变形功产热，将待焊工件升温至塑化状态，工件接合面会在搅拌工具的搅拌摩擦作用下发生破碎；然后搅拌工具沿工件结合线向前移动，塑化材料冷却，即形成固相连接的焊缝。

经过20多年的发展，FSW在航空航天、轨道车辆、造船、汽车等领域获得了较广泛应用。航空航天和轨道车辆领域的某些结构件会经常涉及到搭接接头，如飞机的机身是由7×××系铝合金的横梁搭在2×××铝合金的蒙皮上，轨道车辆的车身由中空的6×××系铝合金挤压型材搭接拼焊而成。传统的熔焊技术在焊接铝合金时，会因为铝合金自身特殊的理化性质而产生气孔、裂纹、夹杂等缺陷，导致接头强度系数很低。FSW在焊接铝合金上有独特的优势，不会产生熔焊那样的缺陷，具有较高的接头强度系数。FSW在铝合金对接接头方面已有较成功的应用，在搭接接头方面，FSW仍存在一定的技术难题。首先，在焊搭接接头时，搅拌工具垂于工件接合面，相比对接接头的接合面平行于搅拌工具，搭接接头的接合面更难被破碎；其次，为形成搭接焊缝，搅拌针要穿透上板工件插入到下板一定深度，搅拌针插入下板后会挤压下板材料，使搭接界面发生弯曲，向中间焊缝区域延伸，从而形成裂纹状未结合的界面迁移缺陷，此缺陷在搭接接头中被称为“钩状缺陷”。在FSW过程中，搅拌工具会引起搅拌区材料发生垂直方向流动，从而带动搅拌针外围材料也发生垂直迁移，加上搅拌针外围材料受到的搅拌作用有限，导致钩状缺陷是FSW搭接接头中的一种固有缺陷。钩状缺陷会减小接头的有效承载厚度，提供裂纹源并且引起应力集中，因而严重降低搭接接头的接头静强度和疲劳强度。所以优化FSW搭接工艺必须减轻钩状缺陷，包括减小其尺寸、改变其形状。目前，减轻钩状缺陷的方法主要有两种：一种是优化试验参数，比如减小转速或增加焊速可减小钩状缺陷尺寸；一种是设计特殊的搅拌工具，来改变搅拌区塑性材料流动路径，从而改善搭接界面迁移形态，减轻钩状缺陷。FSW常用的搅拌工具的搅拌针为普通的圆柱螺纹状或圆锥螺纹状，轴肩为内凹形。使用这些普通工具焊搭接接头时，焊缝中会产生较严重的钩状缺陷，导致接头强度很低（强度系数多为30%以下），仅靠优化试验工艺参数无法减轻钩状缺陷。

发明内容

针对上述现有技术，为减轻“钩状”缺陷，提高搅拌摩擦焊（FSW）搭接接头强度，本发明提供一种用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具，本发明中设计的特殊形状的搅拌针可以有效的改善搅拌区材料流动路径。

为了解决上述技术问题，本发明用于搭接接头的搅拌摩擦焊工具予以实现的技术方案是：该工具由轴肩和搅拌针两部分组成，所述搅拌针的形状呈截头圆锥体，所述截头圆锥体的小底与所述轴肩相连，所述截头圆锥体的大底端面上设有一圆形凹孔，所述截头圆锥体的外表面上沿着其轴向设有三个在周向上均布的圆弧形凹槽；所述搅拌针的长度为h，h=d+△d，其中，d为待焊工件的上板的厚度，△d为搅拌针插入到待焊接工件的下板的深度，△d＜0.5d；所述截头圆锥体的大底直径为D₁，所述截头圆锥体的小底直径为D₂，D₂=d+1，所述截头圆锥体的锥角为2α，α=7°～9°，D₁=2h*tanα+D₂；所述圆形凹孔在所述截头圆锥体的大底端面上的直径为D₃，D₃=0.75D1，所述圆形凹孔的深度为h1=0.25h；所述截头圆锥体外表面上的三个圆弧形凹槽分别与所述圆形凹槽的直径为D3的轮廓线相切，所述轴肩的端面内凹倾斜面，所述斜面倾角为5°～7°，所述轴肩的直径为D，D=3d。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：