一種新型靜軸肩攪拌摩擦焊接工具的制作方法

本發明屬于焊接技術領域，具體是涉及一種新型靜軸肩攪拌摩擦焊接工具。

背景技術：

攪拌摩擦焊(fsw)是一種新型固相連接技術，是1991年由英國焊接研究所(theweldinginstitute,twi)發明的(us5460317)，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，在攪拌頭攪拌和擠壓作用下被連接在一起，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。

攪拌頭作為攪拌摩擦焊接技術的核心部分，通過摩擦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。作為一種固相連接技術，由于攪拌頭的旋轉、擠壓作用導致焊接過程中塑性金屬材料溢出焊縫區外，形成特有的“飛邊”現象，導致焊縫略低于母材，從而影響接頭性能和焊接表面質量。目前，去除飛邊的常用工藝為焊后機械打磨，但費時費力，降低了生產效率，且極易損傷被焊工件表面質量。

攪拌頭是實現攪拌摩擦焊的關鍵技術，國內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。目前，消除飛邊的方式主要有兩種。其一，改變攪拌頭軸肩的端面平面，如端面為平面（參見國際專利申請w093110935)、內凹形或螺旋線等結構（參見中國專利申請cn1144499a）中；其二，在攪拌頭上另加工一裝置或結構，如添加切削頭（參見中國專利申請cn101176945）或軸肩外緣加工成切削槽（參見中國專利申請cn201310046184）。但是，這兩種方式都不能很好地消除飛邊，方式一可減少飛邊量，但不能徹底消除飛邊，方式二因飛邊溫度較高而粘著在攪拌頭上造成焊縫表面質量較差。

技術實現要素：

本發明的目的在于針對現有攪拌摩擦焊接過程中存在的焊縫減薄和飛邊的問題，提供一種結構可靠、操作容易、使用效果好，能夠方便實現焊縫無減薄和無飛邊的新型靜軸肩攪拌摩擦焊接工具。

本發明的技術方案是這樣實現的：

本發明所述的新型靜軸肩攪拌摩擦焊接工具，其特點是：包括攪拌頭、雙列圓錐滾子軸承和靜軸肩套，所述雙列圓錐滾子軸承的內圈套接在攪拌頭上并與攪拌頭過盈配合連接，其外圈置于靜軸肩套內并與靜軸肩套過盈配合連接，所述攪拌頭的下端設有攪拌針，所述攪拌針的上端設有軸肩，所述攪拌針穿過靜軸肩套的中心通孔并使軸肩凸出于靜軸肩套的下端面一定距離，所述攪拌頭通過其上的夾持柄與焊接設備的動力裝置相連接并在焊接設備的動力裝置的帶動下旋轉及移動，焊接時所述攪拌針扎入被焊工件，直至靜軸肩套的下端面與被焊工件緊密接觸。

在焊接過程中，為了便于排出溢出的材料，所述攪拌頭與靜軸肩套之間設置有導流結構。而且，所述導流結構包括設置在攪拌頭上且位于軸肩上端的導流體、設置在靜軸肩套的中心通孔內用于與導流體配合使用的導流槽及設置在靜軸肩套上且與導流槽相連通的導流孔。其中，所述導流體為同心環槽、螺紋槽或螺旋線槽。

為了進一步提高焊接效果，所述軸肩凸出于靜軸肩套的下端面的距離為0.1～0.8mm。

為了確保使用可靠，所述軸肩的外徑與靜軸肩套的中心通孔的內徑之間預留有0.05～0.5mm的間隙。

為了保證靜軸肩套的下端面與工件表面緊密貼合，所述靜軸肩套的下端面加工成具有倒角的平滑過渡面。

為了確保靜軸肩套的下端面與待焊接頭的形狀相適應，以提高兩者的貼合度，所述靜軸肩套的下端面設置為平面結構、不等厚結構、階梯型結構或不規則結構。

為了進一步提高本發明的使用壽命，所述靜軸肩套上設置有散熱維護孔槽。

為了使雙列圓錐滾子軸承的連接及使用可靠，所述攪拌頭上設置有連接柱和定位臺階，所述雙列圓錐滾子軸承套接在該連接柱上并通過定位臺階實現定位。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

一、攪拌摩擦焊接過程中可以有效避免飛邊的產生，獲得高質量、表面光滑的焊縫；

二、通過靜軸肩套可實現對塑化材料的擠壓作用，使多余的飛邊材料擠入焊縫，避免了焊縫因下壓量而產生的減薄，可提高接頭的綜合力學性能；

三、本發明提出的焊接工具為組合結構，可以方便拆卸或者更換易損耗零件（例如：攪拌頭、軸承和靜軸肩套）；

四、采用本發明所提出的焊接工具，焊接過程無飛邊且表面光滑，大大提高了生產效率；

五、焊接過程可實現無傾角焊接，可明顯簡化焊接設備主軸結構。

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。

附圖說明

圖1為本發明的立體結構示意圖。

圖2為本發明的分解結構示意圖。

圖3為本發明所述攪拌頭的結構示意圖。

圖4為本發明所述靜軸肩套的剖開結構示意圖。

圖5為本發明所述靜軸肩套端面平板對接結構示意圖。

圖6為本發明所述靜軸肩套端面不等厚對接結構示意圖。

圖7為本發明所述靜軸肩套端面階梯對接結構示意圖。

具體實施方式

如圖1-圖7所示，本發明所述的新型靜軸肩攪拌摩擦焊接工具，包括攪拌頭1、雙列圓錐滾子軸承2和靜軸肩套3。其中，攪拌頭1由下往上依次包括：攪拌針11、軸肩12、導流體13、連接柱14、定位臺階15和夾持柄16，而且組成攪拌頭1的各部段可以加工成一體，也可以加工成分體式再采用螺紋或其它方式連接在一起。同時，在夾持柄16上設置有便于其安裝到焊接設備的動力裝置上的夾持面17。并且，雙列圓錐滾子軸承2的內圈是套接在攪拌頭1的連接柱14上并與連接柱14過盈配合連接，同時雙列圓錐滾子軸承2是通過定位臺階15實現固定。導流體13可以是流線形結構體，也可以是同心環結構體。具體地，導流體13為同心環槽、螺紋槽或螺旋線槽。

雙列圓錐滾子軸承2的外圈則是置于靜軸肩套3內并與靜軸肩套3過盈配合連接。靜軸肩套3由一大套筒和一小套筒連接而成，大套筒與小套筒可以是一體成型，也可以是分體加工后再通過連接件或連接結構組裝在一起。其中，大套筒套接在雙列圓錐滾子軸承2的外圈上，而攪拌針11是在攪拌頭1的帶動下由大套筒穿入，并沿小套筒上開設的中心通孔31穿出，直至攪拌頭1上的軸肩12凸出于小套筒的下端面32的距離為0.1～0.8mm，該值為壓入量。而且，軸肩12的外徑與中心通孔31的內徑之間預留有0.05～0.5mm的間隙。同時，在小套筒的中心通孔31的孔壁上開設有用于與導流體13配合使用的導流槽33，該導流槽33為環形槽。在小套筒的側壁上則開設有與導流槽33相連通的導流孔34，在本實施方式中，導流孔34等間隔環設有至少三個，而且導流孔34可以為圓孔，也可以為長方形孔。通過導流體13、導流槽33和導流孔34組成導流結構，從而使焊接過程中溢出的材料便于排出，確保焊接效果。為了進一步提高本發明的使用壽命，在靜軸肩套3的大套筒上等間隔地環設有多個散熱維護孔槽35。

為了使靜軸肩套3的下端面32與被焊工件的表面貼合緊密，且適應性強，靜軸肩套3的下端面32加工成具有倒角的平滑過渡面。而且，靜軸肩套3的下端面32的形狀及尺寸可根據被焊工件的待焊處的形狀及尺寸進行相應設置，以實現不規則接頭的焊接。例如：將靜軸肩套3的下端面32設置為平面結構（如圖4所示）、不等厚結構（如圖5所示）、階梯型結構（如圖6所示）或不規則結構。焊接時，焊接工具可垂直于被焊工件的表面，也可以保持一定的焊接傾角，焊接傾角范圍可以為1.5～5o，根據傾角度數相應調整靜軸肩套3的下端面32平滑過渡平面角度，以保證靜軸肩套3的下端面32與被焊工件的表面緊密貼合。

本發明所述的焊接工具，是通過夾持柄16與焊接設備的動力裝置相連接且在焊接設備的動力裝置的帶動下高速旋轉并沿焊接位置移動，即焊接工具的軸心線為轉軸，焊接工具繞其轉軸高速旋轉的同時，沿其被焊位置移動，攪拌針11扎入被焊工件至軸肩12嵌入工件為0.1～0.8mm，即靜軸肩套3的下端面32與被焊工件的表面緊貼，從而對被焊工件的待焊區域施加壓力，這樣就能夠通過摩擦和劇烈塑性變形產熱使待焊區域的材料達到塑化狀態。

通過本發明所述的焊接工具進行焊接，其具體步驟如下：

步驟一，將焊接工具通過其夾持柄16連接在焊接設備的動力裝置上；

步驟二，將被焊工件安裝固定在工裝夾具上，并將攪拌頭1的攪拌針11置于被焊工件的焊縫處；

步驟三，啟動焊接設備轉動，焊接工具在焊接設備的動力裝置的帶動下高速旋轉，攪拌頭1的攪拌針11扎入被焊位置直至軸肩12嵌入工件，根據被焊工件的待焊厚度，軸肩12嵌入深度為0.1～0.8mm，并且扎入直至靜軸肩套3的下端面32與工件的表面緊貼；

步驟四，焊接工具在焊接設備的動力裝置帶動下高速旋轉的同時沿待焊焊縫移動，使攪拌頭1的攪拌針11和軸肩12與被焊工件的待焊處摩擦產生熱量，從而使待焊處的材料達到塑化狀態，且塑化后的材料在攪拌頭1的軸肩12和靜軸肩套3的下端面32的擠壓作用下實現融合，最終實現被焊工件待焊處的固相連接。

本發明是通過實施例來描述的，但并不對本發明構成限制，參照本發明的描述，所公開的實施例的其他變化，如對于本領域的專業人士是容易想到的，這樣的變化應該屬于本發明權利要求限定的范圍之內。