[发明专利]增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种搅拌头及其制造方法，具体涉及一种增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法，属于焊接技术领域。

背景技术

从搅拌摩擦焊技术发明以来，不同的材料在焊缝成形方面表现出不同的特点，除焊接参数影响搅拌摩擦焊焊缝质量以外，搅拌头的形状对于搅拌摩擦焊焊缝的成形起着非常重要的作用。

搅拌头是搅拌摩擦焊所采用的一种非消耗的可转动的焊接工具。在焊接过程中，搅拌头具有与其周围材料摩擦产热、破碎工件表面氧化层、转移塑性材料等作用。因而，搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心，其结构设计决定了整个焊接过程的各个工艺参数和焊缝质量。对于搅拌摩擦焊来说，搅拌针旋转时所转移材料的体积和搅拌针自身体积的比值是十分重要的参数，这个比值对于提高塑性材料的流动非常重要，其值越大越好。目前，以圆柱状和圆锥状带螺纹搅拌针应用最为广泛，然而，对于一些流动行为较差的材料，在搅拌摩擦焊时，搅拌针可转移的材料的体积较小且其周围的材料在塑性流动过程中不能很好地结合在一起，容易在焊缝中出现沟槽、孔洞的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前在搅拌摩擦焊时，搅拌针可转移的材料的体积较小且其周围的材料在塑性流动过程中不能很好地结合在一起，容易在焊缝中出现沟槽、孔洞的问题。进而提供一种增强焊缝材料流动的搅拌摩擦焊接用搅拌头及其制造方法。

本发明的装置技术方案是：它包括搅拌头轴肩和搅拌针，搅拌针固定连接在搅拌头轴肩的下端面上，搅拌针的直径小于搅拌头轴肩的直径，搅拌针的侧面加工出右旋螺纹和一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°。

本发明的方法技术方案是：通过以下步骤实现的：

步骤一、搅拌头尺寸的确定：

根据被焊工件的厚度确定上轴肩的直径和搅拌针直径：上轴肩直径φ1为被焊工件厚度t的2.75～3倍，搅拌针直径φ2为被焊工件厚度t的1～1.25倍；

步骤二、确定搅拌针的使用长度：

搅拌针的使用长度T比工件厚度t小0.1～0.2mm；

步骤三、在轴肩位置开设方程为ρ＝b+aθ的阿基米德螺旋槽：

其中θ表示阿基米德螺旋线转过的总度数，ρ表示极径，b为搅拌针直径φ₂的1/2～1倍，表示θ等于零时的极径，a为1/(4π)～5/(π)，表示每旋转一度时极径的增加量，螺旋槽由内径向外径以顺时针方向向外扩展；

步骤四、在搅拌针侧面加工出螺纹和平面：

首先，在搅拌针侧面加工出右旋螺纹，然后，在搅拌针侧面加工出一个与轴线方向平行的平面，所述平面被截掉的圆弧段对应的圆心角为120°；

步骤五、固定第一被焊工件和第二被焊工件：

将第一被焊工件和第二被焊工件对接设置且二者位于同一水平面上，即将第一被焊工件和第二被焊工件组对，用夹具固定在工作台上；所述第一被焊工件和第二被焊工件为同厚度的板材；

步骤六、搅拌头定位：

将搅拌头移至工件外侧进行定位，使搅拌头轴肩的端面与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为0.01～0.5mm，搅拌针的轴心线位于第一被焊工件和第二被焊工件的对接面处；

步骤七、对第一被焊工件和第二被焊工件进行搅拌摩擦焊接：

轴肩与搅拌针的转速为200转/分钟～3000转/分钟，搅拌头整体以20毫米/分钟～5000毫米/分钟的速度沿第一被焊工件和第二被焊工件的对接面长度方向行走，直至焊接完成。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

一、本发明的轴肩开设有阿基米德螺旋线，能够使轴肩具备储藏塑性材料的能力，并能促进焊缝材料在轴肩作用区由轴肩外缘向焊缝中心的流动，既有利于焊缝的成形，又可以有效避免焊缝的减薄。

二、本发明的搅拌针上带有右旋的螺纹会促进焊缝塑化材料在垂直方向的流动。当搅拌针逆时针旋转时，搅拌针表面的螺纹将驱动其周围材料向下运动，流动的塑化材料在底部受到刚性底板的阻碍作用，朝周边挤压原处于焊缝底部的材料，使其向更远的位置迁移。