專利名稱：能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種材料連接技術，尤其是一種摩擦焊接技術，具體地說是一種能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭。
背景技術：
眾所周知，攪拌摩擦焊(FSW)是一種新型固相連接技術，適用于低熔點合金焊接。是1991年由英國焊接研究所(The Welding Institute, TWI)發明的(US 5460317),該技術的原理是利用高速旋轉的攪拌頭插入焊縫中，利用攪拌頭的強烈摩擦和攪拌作用，使焊縫連接區處于熱塑性狀態并使其趨于熔化、混合，在一定的作用力下被連接在一起，攪拌頭向前行進，而在攪拌頭的后方則形成焊縫，從而完成固相連接。攪拌頭是攪拌摩擦焊接技術的核心部分，實現攪拌摩擦焊的關鍵技術。攪拌頭用以提供攪拌摩擦焊接過程中所需的熱量，是焊縫區域熱塑性材料實現定向轉移的載體，同時也是熱塑性材料與周圍材料實現擴散連接的工具。國外相關研究機構在攪拌頭的形狀設計、材料選取及加工工藝等方面都進行了大量的研究。國際專利(W0 93110935)中，攪拌頭軸肩端面為平面，其軸線與工件表面垂直；中國專利(CN 1144499A)中，對攪拌頭軸肩的端面形狀改為內凹形、軸線相對于工件法線方向偏離了一定角度(主軸傾角)。為了更好地促進焊縫區材料的塑形流動，還有許多專利對軸肩進行了多種形式的改進。在攪拌摩擦焊接的生產實踐中，會碰到這樣的板材需要進行焊接
O需要焊接的板材厚度不均勻；
2)需要焊接的兩塊板材厚度不相同。對于傳統的攪拌摩擦焊接攪拌頭，在碰到厚度不均勻的板材時，如果不均的變化較小時，可以通過不斷的調整焊接時的壓入量，甚至更換攪拌頭進行焊接，但是這樣焊接會使焊縫的力學性能降低。如果厚度相差較大，或者厚度變化比較劇烈時，則沒有辦法進行焊接。對于碰到需要焊接的兩塊板材厚度不同的情況是，傳統的辦法是把厚度厚的板材焊縫處進行減薄處理，使兩塊板材厚度相同，然后進行焊接。這樣不僅增加的焊接的繁瑣程度，更是降低了板材的力學性能。美國專利(US 7404510B2.US 7416102B1)涉及了無軸肩攪拌摩擦焊接攪拌頭。該攪拌頭能夠焊接厚度不均的板材，也能焊接兩塊板厚不均勻的板材。但是該專利涉及的攪拌頭焊后板材將存在前進側減薄量很大，后退側飛邊很大的情況，容易出現缺陷，嚴重影響了焊接質量，大大的降低了焊縫的力學性能，而且焊縫也不美觀，使該專利難以在生產實踐中運用。
發明內容
本發明的目的是針對現有的攪拌摩擦焊用攪拌頭不能適應不同厚度板材及同一板材厚度不一致情況下的摩擦焊接的問題，發明一種既能適用于不同厚度板材焊接，又能適應于同一板材前后厚度不一致的能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭，它能有效減小攪拌摩擦焊接焊縫前進側減薄量、后退側飛邊，改善焊縫質量。本發明的技術方案是
一種能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭，它由夾持柄1、支撐圓柱體2、前部圓柱體3和攪拌針4組成，前部圓柱體3的一端是與其為一體的攪拌針4，另一端為支撐圓柱體2，支撐圓柱體2與夾持柄I相連接，攪拌頭夾持柄1、支撐圓柱體2、前部圓柱體3和攪拌針4為同軸結構；夾持柄I上銑有夾持平面5 ;夾持柄I與支撐圓柱體2連接處有圓弧過渡；前部圓柱體3和支撐圓柱體2之間有一個過渡機構6，其特征是所述的攪拌針4為空間曲線回轉結構，攪拌針4與前部圓柱體3相連的根部直徑大于攪拌針4的頂底直徑，攪拌針4的頂底設有圓弧形針頂7，在攪拌針4根部與前部圓柱體3連接區域邊緣處，設有一個環形凸起結構9。所述形成攪拌針4回轉結構的空間曲線為圓弧線、橢圓弧線、葉形線、蝴蝶曲線、漸開線、雙弧外擺線、星形線、葉線、三葉線、阿基米德螺旋線、對數螺旋線或一峰三駐點曲線的全部或者部分曲線段。在攪拌針4表面上至少設有三條螺旋凹槽8，螺旋凹槽8均始于攪拌針針頂7，且均勻分布在攪拌針上。攪拌針4上的螺旋凹槽8開口應垂直于攪拌針表面，深度不小于O. 5mm。在攪拌針4根部與前部圓柱體3邊緣連接處設置的環形凸起結構9的高度不小于O. 5mmο本發明的有益效果
本發明的攪拌頭，通過改進無軸肩攪拌摩擦焊接攪拌頭攪拌針表面形狀和結構，解決了無軸肩攪拌焊接板材存在的前進側減薄量很大，后退側飛邊很大，容易出現缺陷的問題。該攪拌頭能運用到焊接厚度不均勻板材，厚度不一致的兩塊板材的生產實踐中，提高了生產效率，而且易于實現生產的自動化。本發明可以焊接厚度變化的板材，且不需要更換攪拌頭，解決了厚度變化的板材的焊接問題；這種攪拌頭還可以用于焊接不同厚度的兩塊板材，解決了不同厚度板材間的焊接問題；使用這種攪拌頭進行焊接時，對于不超過攪拌針厚度的不同厚度的材料，可以不更換攪拌頭，使焊接過程易于實現自動化。將采用本發明設計的無軸肩攪拌頭與普通的無軸肩攪拌頭進行試驗，實際測量證明，本發明的無軸肩攪拌頭的前進側和后退側的高度差減低50%以上。
圖1為本發明的結構示意圖。圖2是本發明的攪拌針的放大結構示意圖。圖3為本發明應用于兩塊厚度不一樣的板材時的不意圖。圖4為圖3的局部放大示意圖。圖5為本發明應用于厚度不均勻板材的示意圖，圖中連接的板材為未焊接部分高，已焊接部分低。圖6為圖5的局部放大示意圖。
圖7中連接的板材為已焊接部分低，未焊接部分高。圖8為圖7的局部放大示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如圖1、2所示。一種能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭，它由夾持柄1、支撐圓柱體2、前部圓柱體3、攪拌針4組成。前部圓柱體3的一端是與其為一體的攪拌針4，另一端為支撐圓柱體2，支撐圓柱體2與夾持柄I相連接，攪拌頭夾持柄1、支撐圓柱體2、前部圓柱體3和攪拌針4為同軸結構。夾持柄I上銑有夾持平面5 ;夾持柄I與支撐圓柱體2連接處有圓弧過渡；從前部圓柱體3和支撐圓柱體2之間有一個過渡機構6 ;前部圓柱體3直接與攪拌針4底部直徑相同，沒有軸肩結構；如圖1所示，攪拌針底部為圓弧形針頂7 ;攪拌針上分布有螺旋凹槽結構8 ;在攪拌針根部與前部圓柱體連接區域緣處，開有一個環形凸起結構9。如圖2所示。本發明的攪拌針4表面為空間曲面結構，空間曲面是由圓弧線或其他曲線旋轉而生成的，這些曲線包括圓弧線、橢圓弧線、葉形線、蝴蝶曲線、漸開線、雙弧外擺線、星形線、葉線、三葉線、阿基米德螺旋線、對數螺旋線、一峰三駐點曲線等曲線的全部或者部分曲線段。在攪拌針4表面上有三條或者大于三條的螺旋凹槽結構8,螺旋凹槽結構8均始于攪拌針針頂7，均勻分布在攪拌針8上。攪拌針4上的螺旋凹槽8開口應垂直于攪拌針表面，深度需大于O. 5mm。在攪拌針4根部與前部圓柱體3連接區域邊緣處，開有一個環形凸起結構，深度大于O. 5mm。圖3、4是本發明對兩塊厚度不一樣的板材進行對接焊接時的使用狀態示意圖，圖中的序10和序11所示分別表示分別表示兩塊不同厚度的待連接的板材，其中序10所示板材比序11所示板材厚,序10板材的厚度為6mm，序11板材的厚度為5mm。圖5、6為厚度不均勻的特殊板材焊接過程示意圖，圖中的序號12表示在焊縫的位置板材厚度不均勻，有的區域較厚，有的區域較薄。圖5中連接的板材為未焊接部分高，已焊接部分低。圖7、8也為厚度不均勻的特殊板材焊接過程示意圖，圖7中連接的板材為已焊接部分低，未焊接部分高。本發明的焊接工作的實施過程為
如圖3、4所示。攪拌針4根部半徑為10mm，針長為10mm，構成攪拌針曲面的曲線位圓弧曲線，圓弧半徑為20mm。攪拌頭上有3條始于攪拌針的圓弧狀頂尖螺旋凹槽結構，凹槽結構的深度為O. 8mm。攪拌摩擦焊接參數為焊接傾角2. 5°，攪拌頭安裝在焊接設備的主軸上。在焊接的過程中，攪拌針4的旋轉運動和前進運動帶動了材料的流動，由于特殊的曲面和凹槽及邊緣凸起的結構設置，當材料流動到后退側，材料將會碰到曲面，曲面將會提供一個向下的力作用到材料上，使材料向下流動，攪拌針上的凹槽和針邊緣的凸起結構，都將限制材料向外流動的趨勢，使材料不會流出焊縫區，所以與普通無軸肩攪拌頭相比，所形成的飛邊很小；當材料流動到前進側，由于后退側限制了材料向外流出，材料將沿著攪拌針上的凹槽和邊緣凸起和攪拌針形成的凹槽結構流動到前進側，前進側有足夠的材料補充攪拌針擠壓流失的材料，所以與普通無軸肩攪拌頭相比，前進側的減薄量將會很小。本發明未涉及部分均與現有技術相同或可采用現有技術加以實現。
權利要求
1.一種能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭，它由夾持柄(I)、支撐圓柱體(2)、前部圓柱體(3)和攪拌針(4)組成，前部圓柱體(3)的一端是與其為一體的攪拌針(4)，另一端為支撐圓柱體(2)，支撐圓柱體(2)與夾持柄(I)相連接，攪拌頭夾持柄(I)、支撐圓柱體(2 )、前部圓柱體(3 )和攪拌針(4)為同軸結構；夾持柄(I)上銑有夾持平面(5 );夾持柄(I)與支撐圓柱體(2)連接處有圓弧過渡；前部圓柱體(3)和支撐圓柱體(2)之間有一個過渡機構(6)，其特征是所述的攪拌針(4)為空間曲線回轉結構，攪拌針(4)與前部圓柱體(3)相連的根部直徑大于攪拌針(4)的頂底直徑，攪拌針(4)的頂底設有圓弧形針頂(7)，在攪拌針(4)根部與前部圓柱體(3)連接區域邊緣處，設有一個環形凸起結構(9)。
2.根據權利要求1所述的能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于:所述形成攪拌針(4)回轉結構的空間曲線為圓弧線、橢圓弧線、葉形線、蝴蝶曲線、漸開線、雙弧外擺線、星形線、葉線、三葉線、阿基米德螺旋線、對數螺旋線或一峰三駐點曲線的全部或者部分曲線段。
3.根據權利要求1所述的能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于:在攪拌針(4)表面上至少設有三條螺旋凹槽(8)，螺旋凹槽(8)均始于攪拌針針頂(7)，且均勻分布在攪拌針上。
4.根據權利要求1或3所述的能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于:攪拌針(4)上的螺旋凹槽(8)開口應垂直于攪拌針表面，深度不小于0.5mm。
5.根據權利要求1所述的能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊的攪拌頭，其特征在于:在攪拌針(4)根部與前部圓柱體(3)邊緣連接處設置的環形凸起結構(9)的高度不小于 0.5mn in
全文摘要
一種能減小飛邊的無軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭，它由夾持柄(1)、支撐圓柱體(2)、前部圓柱體(3)和攪拌針(4)組成，前部圓柱體(3)的一端是攪拌針(4)，另一端為支撐圓柱體(2)，支撐圓柱體(2)與夾持柄(1)相連接；夾持柄(1)上銑有夾持平面(5)；夾持柄(1)與支撐圓柱體(2)連接處有圓弧過渡；前部圓柱體(3)和支撐圓柱體(2)之間有一個過渡機構(6)，其特征是所述的攪拌針(4)為空間曲線回轉結構，攪拌針(4)與前部圓柱體(3)相連的根部直徑大于攪拌針(4)的頂底直徑，攪拌針(4)的頂底設有圓弧形針頂(7)，在攪拌針(4)根部與前部圓柱體(3)連接區域邊緣處，設有一個環形凸起結構(9)。本發明能焊接不同厚度的板材且無需更換攪拌頭，能提高自動化水平。
文檔編號B23K20/12GK103071916SQ20131004626
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月6日 優先權日2013年2月6日
發明者鄧永芳, 左敦穩 申請人:南京航空航天大學