適用于高速攪拌摩擦焊接的大軸肩攪拌頭及焊接方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種大軸肩攪拌頭及焊接方法，具體涉及一種適用于高速攪拌摩擦焊 接的大軸肩攪拌頭及焊接方法。
【背景技術】
[0002] 英國焊接研究所于1991年發明了一種新型的固相連接技術一攪拌摩擦焊，它有 效避免了傳統熔焊方法熔池凝固過程中所產生的裂紋和氣孔等焊接缺陷，容易獲得無缺陷 的高質量接頭，因此得到了迅速發展和廣泛應用，尤其適合于焊接鋁合金等低熔點輕金屬 材料。
[0003] 攪拌摩擦焊接過程中軸肩與工件摩擦產熱占到總產熱的80-90%，但攪拌頭尺寸 設計尚無一套成熟理論，大多根據經驗設計，受限于此，目前國內外對3mm及以上的鋁合金 中厚板材進行焊接時所采用攪拌頭的軸肩直徑一般為板厚的2-3倍，采用該類常規軸肩攪 拌頭的焊接速度最高不超過l〇〇〇mm/min。當進行高速〇 1500mm/min)攪拌摩擦摩擦焊接 時，常規軸肩攪拌頭產熱不足的問題便凸顯出來，會造成塑化金屬含量不足，在焊縫內部形 成孔洞缺陷，甚至是產生嚴重的表面溝槽。
[0004] 綜上，目前進行中厚板焊接時所采用的常規軸肩攪拌頭難以實現高速攪拌摩擦焊 接，嚴重影響了焊接效率乃至產品的生產周期，制約了攪拌摩擦焊技術的推廣應用。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的是為了解決目前常規軸肩難以實現中厚板高速攪拌摩擦焊接的問 題，進而提出一種適用于高速攪拌摩擦焊接的大軸肩（直徑為板厚的5倍以上）攪拌頭及 焊接方法。
[0006] 本發明提供的一種適用于高速攪拌摩擦焊接的大軸肩攪拌頭包括夾持區、軸肩和 攪拌針，夾持區中心、軸肩圓心和攪拌針中心同軸設置；軸肩為直徑D1大于被焊工件厚度5 倍以上的大軸肩，軸肩平面上加工有不同于常規等槽深阿基米德螺旋槽的變槽深阿基米德 螺旋槽，變槽深阿基米德螺旋槽的曲線方程為P=a+bθ，p為極徑，Θ為極角，表示阿基 米德螺旋線轉過的總度數，a為Θ= 〇時的極徑，b為阿基米德螺旋線系數，表示每旋轉1 度時極徑的變化量，變槽深阿基米德螺旋槽由內向外順時針加工（如圖1軸肩1-2的仰視 圖所示），變槽深阿基米德螺旋槽的起始處深度為〇. 4-0. 6_，變槽深阿基米德螺旋槽的結 尾處深度為〇. 8-1. 2mm，槽深連續遞增；攪拌針為錐形攪拌針，攪拌針的根部直徑D2大于攪 拌針的端部直徑D3,攪拌針側面加工有不同于常規單螺紋的兩套錐螺紋，第一套錐螺紋的 導程為2-4mm，第二套錐螺紋的導程為10-15mm，第一套錐螺紋和第二套錐螺紋的旋轉方向 均為右旋。
[0007] 本發明提供的一種高速攪拌摩擦焊接方法包括以下步驟：
[0008] 步驟一、大軸肩攪拌頭各尺寸的確定：
[0009] 根據第一被焊工件和第二被焊工件的厚度確定軸肩直徑、攪拌針根部直徑、攪拌 針端部直徑和攪拌針長度；其中軸肩直徑為第一被焊工件和第二被焊工件厚度的5-10倍， 攪拌針根部直徑為第一被焊工件和第二被焊工件厚度的2-4倍，攪拌針端部直徑為第一被 焊工件和第二被焊工件厚度的1-3倍，攪拌針長度為第一被焊工件和第二被焊工件厚度的 0· 8-1. 0 倍；
[0010] 步驟二、被焊工件的裝卡：
[0011] 將第一被焊工件與第二被焊工件用卡具固定在工作臺上，使第一被焊工件和第二 被焊工件對接設置且位于同一水平面上；
[0012] 步驟三、攪拌頭的定位：
[0013] 調整攪拌頭的端部中心與第一被焊工件和第二被焊工件的對接面重合，且攪拌頭 的端部中心距第一被焊工件和第二被焊工件的端面為軸肩半徑的1-3倍。
[0014] 步驟四、下扎參數的確定：
[0015] 攪拌頭扎入第一被焊工件和第二被焊工件的對接面，直至到達目標深度；其中攪 拌頭的旋轉速度范圍為100_3000r/min，攪拌頭的下扎速度范圍為5-40mm/min，軸肩扎入 被焊工件的深度范圍為〇. 1-1. ;
[0016] 步驟五、行進參數的確定：
[0017] 攪拌頭沿第一被焊工件和第二被焊工件的對接面水平方向移動，直至完成 焊接工作；其中攪拌頭的旋轉速度范圍為100-3000r/min，攪拌頭的行進速度范圍為 1500-4000mm/min。
[0018] 本發明與現有技術相比具有以下效果：
[0019] 1、本發明突破了傳統攪拌頭設計時軸肩尺寸約為板厚3倍以內的經驗限制，設計 了軸肩尺寸大于板厚5倍以上的大軸肩攪拌頭，與常規軸肩攪拌頭相比在相同焊接參數下 熱輸入提高2倍以上，使其能夠為焊接速度1500mm/min以上的高速攪拌摩擦焊接提供足夠 的熱輸入以保證足夠的塑化金屬含量；軸肩平面加工有阿基米德螺旋槽，考慮到塑性材料 在沿螺旋槽流動過程中流動能力逐漸減弱的趨勢，本發明設計了從外至內槽深連續變淺的 變槽深阿基米德螺旋槽，與等槽深的阿基米德螺旋槽相比能夠明顯提高塑性材料的流動均 勻性，有利于形成均勻、致密的美觀焊縫；攪拌針側面加工有兩套導程不同的錐螺紋，與傳 統單螺紋相比，能夠大幅促進塑性材料在厚度方向的流動能力，可以有效降低焊縫底部形 成缺陷的可能性。
[0020] 2、采用本發明所提出的焊接速度大于1500mm/min的高速攪拌摩擦焊接方法，能 夠顯著提高焊接效率乃至產品的生產周期，所得接頭的焊縫成形良好，無未焊合和孔洞等 焊接缺陷產生，且具有較高的力學性能。
[0021] 總之，與現有常規軸肩攪拌頭相比，本發明所設計的大軸肩攪拌頭實現了中厚板 的高速攪拌摩擦焊接，獲得了無缺陷的高質量接頭，具有良好的理論研究價值和商業應用 價值。
【附圖說明】
[0022] 圖1是本發明所設計攪拌頭剖面圖，其中1為攪拌頭，1-1為攪拌頭的夾持區，1-2 為攪拌頭的軸肩，1-3為攪拌頭的攪拌針。
[0023] 圖2是軸肩仰視圖。
[0024] 圖3是攪拌針正視圖。
[0025] 圖4是本發明中進行攪拌摩擦焊接的整體過程示意圖，其中2-1為第一被焊工件， 2-2為第二被焊工件。
[0026] 圖5是本發明攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭與第一被焊工件和第二被焊工件的相 對位置橫截面示意圖。
[0027] 圖6是本發明攪拌摩擦焊接后所得接頭的橫截面宏觀形貌。
[0028] 圖7是本發明攪拌摩擦焊接后所得接頭的力學性能柱狀圖（左側縱坐標為抗拉強 度/MPa，右側縱坐標為斷后伸長率/%，第一組柱狀圖為母材的抗拉強度/MPa和斷后伸長 率/ %;第二組柱狀圖為FSW接頭的抗拉強度/MPa和斷后伸長率/ %;每組的兩個柱狀順序 依次表示：抗拉強度/MPa和斷后伸長率/ %)。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0029] 一：結合圖1至圖5說明本實施方式，本實施方式所述的一種適用于 高速攪拌摩擦焊接的大軸肩攪拌頭，大軸肩攪拌頭包括夾持區1-1、軸肩1-2和攪拌針1-3， 夾持區1-1中心、軸肩1-2圓心和攪拌針1-3中心同軸設置；軸肩1-2為直徑D1大于被焊 工件厚度5倍以上的大軸肩，軸肩1-2平面上加工有不同于常規等槽深阿基米德螺旋槽的 變槽深阿基米德螺旋槽，變槽深阿基米德螺旋槽的曲線方程為P =a+b0，p為極徑，Θ 為極角，表示阿基米德螺旋線轉過的總度數，a為Θ= 〇時的極徑，b為阿基米德螺旋線系 數，表示每旋轉1度時極徑的變化量，變槽深阿基米德螺旋槽由內向外順時針加工（如圖1 軸肩1-2的仰視圖所示），變槽深阿基米德螺旋槽的起始處深度為0. 4-0. 6_，變槽深阿基 米德螺旋槽的結尾處深度為〇. 8-1. 2mm，槽深連續遞增；攪拌針1-3為錐形攪拌針，攪拌針 1-3的根部直徑D2大于攪拌針的端部直徑D3,攪拌針1-3側面加工有不同于常規單螺紋的 兩套錐螺紋，第一套錐螺紋的導程為2-4mm，第二套錐螺紋的導程為10-15mm，第一套錐螺 紋和第二套錐螺紋的旋轉方向均為右旋。
[0030] 【具體實施方式】二：結合圖1說明本實施方式，本實施方式中軸肩1-2平面上所加工 阿基米德螺旋槽的曲線方程為
螺旋槽起始處深度為〇. 5_，螺旋槽結尾處深 度為1. 0mm;攪拌針1-3側面第一套錐螺紋導程為2mm，第二套錐螺紋導程為12mm。其它組 成和連接關系與【具體實施方式】一相同。
[0031] 本實施方式的技術效果是：大軸肩攪拌頭能夠保證在高速攪拌摩擦焊接過程中產 生足夠的熱輸入形成足夠的塑性金屬；攪拌頭逆時針旋轉時阿基米德螺旋槽的存在會將塑 性金屬自螺旋槽結尾處沿螺旋槽向螺旋槽起始處引導，而隨著流動距離的增加塑化金屬的 流動能力會不斷下降，螺旋槽的槽深逐漸變淺迎合了塑性金屬流動逐漸變弱的趨勢，使得 螺旋槽內各個位置塑性金屬的流動更為均勻，有利于形成均勻、致密的美觀焊縫；螺紋的存 在使得攪拌針側面從平面變為曲面，表面積的增加意味著摩擦產熱面積的增加即熱輸入的 提高，可以提高攪拌針作用區塑性金屬的流動能力，而兩套導程不同的螺旋槽則使得熱輸 入提高和塑性金屬流動能力增強的效果更佳顯著，將螺旋槽設置為右旋是因為在焊接過程 中螺旋槽的曲面對塑性金屬施加一個垂直于曲面向下的分力，增強了塑性金屬在厚度方向 尤其是向下運動的趨勢，可以有效降低焊縫底部形成缺陷的可能性。
【具體實施方式】 [0032] 三：結合圖4至圖5說明本實施方式，本實施方式所述的一種高速攪 拌摩擦焊接方法，其特征在于它包括以下步驟：
[0033] 步驟一、大軸肩攪拌頭各尺寸的確定：
[0034] 根據第一被焊工件2-1和第二被焊工件2-2的厚度h確定軸肩1-2的直徑D1、攪 拌針1-3的根部直徑D2、攪拌針1-3的端部直徑D3和攪拌針1-3的長度L;其中軸肩1-2 的直徑D1為第一被焊工件2-1和第二被焊工件2-2厚度h的5-10倍，攪拌針1-3的根部 直徑D2為第一被焊工件2-1和第二被焊工件2-2厚度h的2-4倍，