一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具

摘要

本发明提出了一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，属于搅拌摩擦焊接技术领域。所述搅拌摩擦焊焊具包括夹持柄、搅拌体、定位螺钉和两个紧固螺钉；所述夹持柄包括上夹持体和下夹持体；在所述上夹持体的轴心位置上设有轴心通孔，在所述下夹持体径向方向上的内部设有两个对称的夹持螺纹孔；所述搅拌体固定安装于轴心通孔内，所述沿所述搅拌体周向设置对称的两个搅拌体周向平面用于紧固夹持；所述搅拌体的上下两端均设有轴肩和搅拌针。所述搅拌摩擦焊焊具具有实现特殊型材结构下单次大深宽比高质量焊接的能力，同时显著降低热输入、促进被焊材料流动，提高接头力学性能。

权利要求

1.一种实现单次大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述搅拌摩擦焊焊具包括夹持柄(1)、搅拌体(2)、定位螺钉(3)和两个紧固螺钉(4)；

所述夹持柄(1)包括上夹持体(1-1)和下夹持体(1-2)；所述上夹持体(1-1)和下夹持体(1-2)均为空心圆柱体结构并制为一体，其中，所述上夹持体(1-1)的直径小于下夹持体(1-

2)的直径；上夹持体(1-1)外表面上设有焊具安装面(1-1-1)和轴心开螺纹孔(1-1-2)；下夹持体(1-2)的外表面上设置有至少一个散热环槽(1-2-1)，并且，在所述下夹持体(1-2)的轴心位置上设有轴心通孔(1-2-2)，在所述下夹持体(1-2)径向方向上的内部设有两个对称的夹持螺纹孔(1-2-3)；

所述搅拌体(2)固定安装于轴心通孔(1-2-2)内，沿所述搅拌体(2)周向设置对称的两个搅拌体周向平面(2-1)；所述搅拌体(2)的上下两端均设有轴肩(2-2)和搅拌针(2-3)；其中，上夹持体(1-1)螺纹孔直径大于下夹持体通孔直径；

所述定位螺钉(3)安装于轴心开螺纹孔(1-1-2)中，所述定位螺钉(3)的下端与搅拌体(2)的上端紧密接触；

所述两个紧固螺钉(4)分别设置于夹持螺纹孔(1-2-3)中，所述紧固螺钉(4)的底端与搅拌体周向平面(2-1)相接触以紧固装夹；

所述轴肩(2-2)采用内凹型结构，所述搅拌针(2-3)采用锥形结构，所述搅拌针(2-3)的下表面(2-3-1)为平面；

实现单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具设计，所述搅拌针(2-3)的长度与所述轴肩(2-2)的直径比值关系定义为：

L≥0.08d2

其中，L为搅拌针(2-3)的长度，d为轴肩(2-2)的直径；

所述轴肩(2-2)上设有0.5-3.0mm深多层同心圆槽，或1.0-3.0mm深阿基米德螺线槽；所述搅拌针上设有螺距为0.75-3.0mm的梯形右旋螺纹，或0.2-3mm深周向均布铣平面结构。

2.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，搅拌摩擦焊焊具进行对接或搭接时，焊接速度10-1000mm/min，焊具转速为200rpm-6000rpm，主轴倾角为0°-3°，下压量为0-

0.2mm。

3.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述夹持柄(1)采用低碳钢或铸铁制成。

4.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊焊具，其特征在于，搅拌体(2)采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，或镍基合金、WC-Co合金或多晶立方氮化硼材质制成。

说明书

一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具

技术领域

[0001] 本发明涉及一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，属于搅拌摩擦焊接技术领域。

背景技术

[0002] 搅拌摩擦焊Friction Stir Welding是1991年在英国焊接研究所TWI发明的一种新型固相焊接方法，克服了传统熔焊过程中易产生的裂纹和气孔等焊接缺陷问题，使难于
熔焊的部分材料实现了可靠的优质焊接，其工作基本原理是用一个具有轴肩或带有搅拌针
的焊具进行高速旋转，工具与工件之间产生大量的摩擦热和塑性变形热，使工件材料局部
塑化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在焊具的作用下用前部移向后部，并在焊
具的挤压作用下形成致密的固相焊缝。

[0003] 然而，传统意义上适用于铝合金搅拌摩擦焊的搅拌针长与轴肩直径比例大约为0.33，该传统尺寸比例显然难以实现窄可焊空间下的单次大深宽比焊接成形。如果采用双
面焊二次成形，由于两次焊接带来较高热输入，焊缝热影响区宽度显著增加，进一步弱化接
头性能，难以实现该结构的高强度可靠焊接。针对上述问题，本发明设计一种能实现单次大
深宽比低阻抗焊接以降低时间、经济成本，提高接头力学性能的搅拌摩擦焊焊具是非常有
必要的。通过该焊具的独特设计，实现大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊接。

发明内容

[0004] 本发明的目的是解决现有搅拌摩擦焊过程中特殊型材结构下单次大深宽比高质量焊接需求，同时降低热输入以提高接头力学性能，提出一种能实现大深宽比低阻抗焊接
的搅拌摩擦焊焊具，所采取的技术方案如下。

[0005] 一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，所述搅拌摩擦焊焊具包括夹持柄1、搅拌体2、定位螺钉3和两个紧固螺钉4；

[0006] 所述夹持柄1包括上夹持体1-1和下夹持体1-2；所述上夹持体1-1和下夹持体1-2均为空心圆柱体结构并制为一体，其中，所述安装体1-1的直径小于下夹持体1-2的直径；上
安装体1-1外表面上设有焊具安装面1-1-1和轴心开螺纹孔1-1-2；下夹持体1-2的外表面上
设置有至少一个散热环槽1-2-1，并且，在所述下夹持体1-2的轴心位置上设有轴心通孔1-
2-2，在所述下夹持体1-2径向方向上的内部设有两个对称的夹持螺纹孔1-2-3；

[0007] 所述搅拌体2固定安装于轴心通孔1-2-2内，所述沿所述搅拌体2周向设置对称的两个搅拌体周向平面2-1用于紧固夹持；所述搅拌体2的上下两端均设有轴肩2-2和搅拌针
2-3；其中，上安装体螺纹孔直径1-1-2大于下夹持体通孔直径1-2-2，用于放置紧固螺钉4以
夹持安装于下夹持体通孔1-2-2中的搅拌体2；

[0008] 所述定位螺钉3安装于轴心开螺纹孔1-1-2中，所述定位螺钉3的下端与搅拌体2的上端紧密接触，以实现搅拌体2与夹持柄1的精确相对定位；

[0009] 所述两个紧固螺钉4分别设置于夹持螺纹孔1-2-3中，所述紧固螺钉4的底端与搅拌体周向平面2-1相接触以紧固装夹。

[0010] 进一步地，所述轴肩2-2采用内凹型结构，所述搅拌针2-3采用锥形结构，所述搅拌针2-3的下表面2-3-1为平面。

[0011] 进一步地，大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具设计，所述搅拌针2-3的长度与所述轴肩2-2的直径比值远大于传统搅拌摩擦焊焊具结构，二者关系定义为：

[0012] L≥0.08d2

[0013] 其中，L为搅拌针2-3的长度，d为轴肩2-2的直径。

[0014] 进一步地，所述轴肩2-2上可选地设有0.5-3.0mm深多层同心圆槽，或1.0-3.0mm深阿基米德螺线槽；所述搅拌针上可选地设有螺距为0.75-3.0mm的梯形右旋螺纹，或0.2-3mm
深周向均布铣平面结构。

[0015] 进一步地，单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具进行对接或搭接时，焊接速度10-1000mm/min，焊具转速为200rpm-6000rpm，主轴倾角为0°-3°，下压量为0-0.2mm。

[0016] 进一步地，所述夹持柄1采用低碳钢或铸铁制成，上述材料的钢结构可以重复使用。

[0017] 进一步地，搅拌体2采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，或镍基合金、WC-Co合金或多晶立方氮化硼等材质，上述材质结构可以重复使用。所述搅拌摩擦焊
焊具可焊金属为铝，铝合金，镁，镁合金，铜或铜合金。

[0018] 本发明有益效果：

[0019] 一、本发明提出的一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具可用于特殊型材结构需求下的单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊接，降低时间、经济成本，提高生产效率；

[0020] 二、本发明提出的一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，其轴肩、搅拌针直径远小于常规尺寸，搅拌摩擦焊过程中产热量下降，热影响区尺寸降低，显著提高接头
力学性能；

[0021] 三、本发明提出的一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，其轴肩可选地上设同心圆槽或阿基米德螺线槽结构，搅拌针周向可选地上设有螺纹或均布铣平面，显
著促进被焊材料流动，有利于焊缝成形；

[0022] 四、本发明提出的一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，其搅拌体与夹持柄相互独立可更换，同一焊具可同时适用于多种搅拌摩擦焊设备，可有效避免重复加
工。

附图说明

[0023] 图1是本发明所述的单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具结构图；

[0024] 图2是本发明所述的单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具的搅拌体一端的放大示意图；

[0025] 图3是本发明的焊具实现单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊接原理示意图。

[0026] (1、夹持柄；2、搅拌体；3、定位螺钉；4、紧固螺钉；1-1、上夹持体；1-2、下夹持体；1-1-1、焊具安装面；1-1-2、轴心开螺纹孔；1-2-1、散热环槽；1-2-2、轴心通孔；1-2-3、夹持螺
纹孔；2-2、轴肩；2-3、搅拌针；2-3-1、搅拌针的下表面)

具体实施方式

[0027] 下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

[0028] 实施例1：

[0029] 一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具，如图1至图3所示，所述搅拌摩擦焊焊具包括夹持柄1、搅拌体2、定位螺钉3和两个紧固螺钉4；

[0030] 所述夹持柄1包括上夹持体1-1和下夹持体1-2；所述上夹持体1-1和下夹持体1-2均为空心圆柱体结构并制为一体，其中，所述安装体1-1的直径小于下夹持体1-2的直径；上
安装体1-1外表面上设有焊具安装面1-1-1和轴心开螺纹孔1-1-2；下夹持体1-2的外表面上
设置有至少一个散热环槽1-2-1，并且，在所述下夹持体1-2的轴心位置上设有轴心通孔1-
2-2，在所述下夹持体1-2径向方向上的内部设有两个对称的夹持螺纹孔1-2-3；

[0031] 所述搅拌体2固定安装于轴心通孔1-2-2内，所述沿所述搅拌体2周向设置对称的两个搅拌体周向平面2-1用于紧固夹持；所述搅拌体2的上下两端均设有轴肩2-2和搅拌针
2-3；其中，上安装体螺纹孔直径1-1-2大于下夹持体通孔直径1-2-2，用于放置紧固螺钉4以
夹持安装于下夹持体通孔1-2-2中的搅拌体2；

[0032] 所述定位螺钉3安装于轴心开螺纹孔1-1-2中，所述定位螺钉3的下端与搅拌体2的上端紧密接触，以实现搅拌体2与夹持柄1的精确相对定位；

[0033] 所述两个紧固螺钉4分别设置于夹持螺纹孔1-2-3中，所述紧固螺钉4的底端与搅拌体周向平面2-1相接触以紧固装夹。

[0034] 焊接完成后，可通过松开定位螺钉3和紧固螺钉4，将整体结构拆开，便于更换搅拌体2或将搅拌体2应用于其他搅拌摩擦焊设备。

[0035] 其中，所述轴肩2-2采用内凹型结构，所述搅拌针2-3采用锥形结构，所述搅拌针2-3的下表面2-3-1为平面。

[0036] 大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具设计，所述搅拌针2-3的长度与所述轴肩2-2的直径比值远大于传统搅拌摩擦焊焊具结构，二者关系定义为：

[0037] L≥0.08d2

[0038] 其中，L为搅拌针2-3的长度，d为轴肩2-2的直径。

[0039] 所述轴肩2-2上可选地设有0.5-3.0mm深多层同心圆槽，或1.0-3.0mm深阿基米德螺线槽；所述搅拌针上可选地设有螺距为0.75-3.0mm的梯形右旋螺纹，或0.2-3mm深周向均
布铣平面结构。

[0040] 单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊焊具进行对接或搭接时，焊接速度10-1000mm/min，焊具转速为200rpm-6000rpm，主轴倾角为0°-3°，下压量为0-0.2mm。

[0041] 所述夹持柄1采用低碳钢或铸铁制成，上述材料的钢结构可以重复使用。所述搅拌体2采用W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2或W9Mo3Cr4V牌号的高速钢，或镍基合金、WC-Co合金或多晶立
方氮化硼等材质，上述材质结构可以重复使用。所述搅拌摩擦焊焊具可焊金属为铝，铝合
金，镁，镁合金，铜或铜合金。

[0042] 本发明提出的一种实现大深宽比低阻抗焊接的搅拌摩擦焊焊具可用于特殊型材结构需求下的单次大深宽比低阻抗搅拌摩擦焊接，降低时间、经济成本，提高生产效率；其
轴肩、搅拌针直径远小于常规尺寸，搅拌摩擦焊过程中产热量下降，热影响区尺寸降低，显
著提高接头力学性能；并且，轴肩可选地上设同心圆槽或阿基米德螺线槽结构，搅拌针周向
可选地上设有螺纹或均布铣平面，显著促进被焊材料流动，有利于焊缝成形；同时，其搅拌
体与夹持柄相互独立可更换，同一焊具可同时适用于多种搅拌摩擦焊设备，可有效避免重
复加工。

[0043] 虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护
范围应该以权利要求书所界定的为准。