一種焊后材料表面無減薄的新型攪拌摩擦焊焊具的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種焊后材料表面近無差異的新型攪拌摩擦焊焊具：其軸肩通過專用轉接套與主機相連，可實現攪拌針與軸肩的動摩擦配合，攪拌針與軸肩采用分體式設計制造；攪拌針隨主軸高速旋轉，軸肩固定于主機頭不旋轉部位；攪拌針與軸肩通過軸承組實現可靠地相對運動。該焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊攪拌工具，通過軸承的選擇和結構設計，保證攪拌針與軸肩實現可靠的動摩擦配合；特殊設計的基于軸肩靜止的分體式攪拌針，并在端部加工斜面結構的小軸肩，小軸肩端面加工螺旋線，為焊縫金屬施加頂鍛力的同時收攏材料；特殊材料選擇和結構設計的軸肩，降低攪拌工具前進阻力，消除飛邊，確保焊縫表面成型良好。
【專利說明】一種焊后材料表面無減薄的新型攪拌摩擦焊焊具
[0001]
技術領域
[0002]本發明屬于攪拌摩擦焊接技術領域，具體地說，是涉及一種通過攪拌針與軸肩的分體式結構，研制出攪拌針高速旋轉而軸肩不旋轉的特殊焊具，從而實現被焊材料被局限在特定區域內的同時避免旋轉軸肩對材料表面的影響，形成材料表面無減薄的高質量焊縫。
[0003]
【背景技術】
[0004]攪拌摩擦焊是一項新型的固相連接技術，傳統的攪拌摩擦焊利用高速旋轉的攪拌工具與工件之間的摩擦使周圍材料塑化，塑化材料在攪拌針與軸肩作用的區域內循環流動，而后在軸肩的模鍛作用下冷卻形成高質量焊縫。傳統攪拌摩擦焊攪拌針施焊時有3°左右的前進傾角，與攪拌針同步高速旋轉的軸肩在對被焊金屬材料施加模鍛作用的同時，無可避免地造成被焊金屬表面的減薄。攪拌摩擦焊對被焊材料表面的破壞，限制了傳統攪拌摩擦焊技術的應用。
[0005]目前，TW1、WichitaState University 和 The University of Sheffield等科研單位開展了靜止軸肩攪拌摩擦焊的研究，目的主要是為了防止飛邊等缺陷，研究內容未服務于產品生產。對于對焊縫表面減薄量要求嚴格的鋁合金焊接接頭的焊接，目前尚缺乏可靠的攪拌摩擦焊規范的焊具確保焊后焊縫無減薄。
[0006]
【發明內容】
[0007]本發明的焊具設計為:基于軸肩靜止的攪拌摩擦焊焊具由轉接套、刀柄、分體式攪拌工具、靜止軸肩、軸承以及錫青銅墊片組成。裝配時，轉接套固定在主機頭不旋轉的部位，軸肩通過螺釘和定位鍵與轉接套裝配，焊接過程中不旋轉。刀柄則安裝在主機頭上，對稱夾緊分體式攪拌工具，采用鍵承受周向扭矩。焊具設計采用2對軸承，每一對采取背對背排列的角接觸球軸承，有較大的抗彎剛支承度，適合于懸臂軸的支承，能承受雙向軸向載荷，通過預緊可限制軸或外殼的軸向位移。攪拌工具與軸承內壁、軸承外軸套與靜止軸肩內壁均為過盈配合，避免滑動摩擦。為了防止材料進入被焊金屬材料進入軸承間隙，確保軸承工況良好，在端部一組角接觸球軸承與軸肩之間放置錫青銅墊片。
[0008]本發明的一種焊后材料表面無減薄的新型攪拌摩擦焊焊具，包括轉接套、刀柄、攪拌針、軸肩、軸承以及銅墊片;所述刀柄則安裝在主機頭上，對稱夾緊分體式攪拌針，采用鍵承受周向扭矩;所述軸肩通過專用轉接套與主機相連，可實現攪拌針與軸肩的動摩擦配合；攪拌針與軸肩采用分體式設計制造;攪拌針隨主軸高速旋轉，軸肩固定于主機頭不旋轉部位;攪拌針與軸肩通過軸承實現可靠地相對運動，銅墊片設置在靠近攪拌針作用端部的一組軸承底部。
[0009]所述的攪拌工具為分體式結構，設計重點在于攪拌針結構設計以及攪拌工具與靜止軸肩配合的部位。攪拌頭端部設計為斜面帶有小軸肩設計，斜面傾斜角度5°?20°，小軸肩端面設計為螺旋線結構，達到旋轉過程中收攏材料的目的。攪拌工具與靜止軸肩配合的部位為圓錐面，在圓錐面加工螺紋，使塑化材料在焊縫表面受到來自螺紋的下旋壓力。
[0010]所述的靜止軸肩軸肩端部設計為斜面，傾斜角度為2°，保證被焊金屬區域受到來自軸肩的擠壓作用的同時降低前進阻力，端面加工出特殊結構，接觸被焊金屬的軸肩前段加工出類似扇形的厚度為0.3mm的凹槽，降低前進阻力，軸肩端面后半段實現對被焊金屬的模鍛作用。
[0011]以下將結合附圖對本發明的具體結構作進一步的說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
[0012]
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明的焊后材料表面近無減薄的攪拌工具裝配圖；
圖2為本發明實施例的特殊設計的攪拌針結構圖。
[0014]
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細的說明。
[0016]參照圖1，本發明中焊具的裝配包括轉接套、刀柄、攪拌工具、軸肩、軸承以及銅墊片六部分。首先裝配角接觸球軸承與攪拌工具，軸承安裝采用背對背排列形式，與軸肩進行試裝配，可調整軸承間隙，配合裝配，調整至附圖2中攪拌針端面斜面的中心線與軸肩端面齊平;將刀柄安裝在設備主機頭，主軸旋轉，測量刀柄安裝的同軸度，在同軸度小于0.04mm的前提下主軸停轉，裝配分體式攪拌工具;主軸旋轉，測量攪拌針同軸度，反復調整至同軸度小于0.07mm，擰緊各緊固螺釘，主機停轉。安裝轉接套及軸肩，測量并調整軸肩端面與轉接套裝配面平行度至小于0.05mm，擰緊各緊固螺釘。裝配過程保證圖2中加工螺紋的圓錐面與軸肩圓錐面配合間隙為0.05?0.15mm。
[0017]移動主機頭至起焊位置，焊接傾角為O°C，焊接起初時攪拌工具高速旋轉下壓至端部斜面中心位置，微調下壓入量至靜止軸肩端部下端面緊貼待焊金屬表面。在焊接初始位置停留約2min，執行程序，焊具沿預定軌跡施焊。
[0018]本發明可以獲得焊后材料表面無減薄的高質量焊縫。所述軸承采用圓錐滾子軸承以及角接觸球軸承。所述靠近攪拌針作用的端部的一組軸承采用角接觸球軸承，保證相對運動的同時，確保攪拌工具的同軸度;靠近攪拌針作用端部的一組角接觸球軸承底部增加3mm厚度銅墊片。所述攪拌針材料選擇熱作模具鋼(HOTVAR)，熱處理后硬度為HRC52?55。所述攪拌針頭端部設計為斜面帶有小軸肩設計，小軸肩直徑為攪拌針端部直徑的1.5?3倍;小軸肩斜面傾斜角度為5°?20 °。所述攪拌針頭端部與靜止軸肩配合的圓錐面上加工螺紋，攪拌針小軸肩端面設計為螺旋線結構，達到旋轉過程中收攏材料的目的。所述軸肩加工材料選擇氮化鋼(38CrMoAl)或高錳鋼，熱處理后的硬度為HRC47?50。所述軸肩端部設計為斜面，傾斜角度為2。，保證被焊金屬區域受到來自軸肩的擠壓作用的同時降低前進阻力。所述軸肩端面加工出特殊結構，接觸被焊金屬的軸肩前段加工出類似扇形的厚度為0.3mm的凹槽，降低前進阻力，軸肩端面后半段實現對被焊金屬的模鍛作用。
【主權項】
1.一種焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于:包括轉接套、刀柄、攪拌針、軸肩、軸承以及銅墊片； 所述刀柄則安裝在主機頭上，對稱夾緊分體式攪拌針，采用鍵承受周向扭矩;所述軸肩通過專用轉接套與主機相連，可實現攪拌針與軸肩的動摩擦配合;攪拌針與軸肩采用分體式設計制造;攪拌針隨主軸高速旋轉，軸肩固定于主機頭不旋轉部位;攪拌針與軸肩通過軸承實現可靠地相對運動，銅墊片設置在靠近攪拌針作用端部的一組軸承底部。2.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述軸承采用圓錐滾子軸承以及角接觸球軸承。3.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述靠近攪拌針作用的端部的一組軸承采用角接觸球軸承，保證相對運動的同時，確保攪拌工具的同軸度;靠近攪拌針作用端部的一組角接觸球軸承底部增加3_厚度銅墊片。4.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述攪拌針材料選擇熱作模具鋼，熱處理后硬度為HRC52?55。5.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述攪拌針頭端部設計為斜面帶有小軸肩設計，小軸肩直徑為攪拌針端部直徑的1.5?3倍;小軸肩斜面傾斜角度為5°?20 °。6.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述攪拌針頭端部與靜止軸肩配合的圓錐面上加工螺紋，攪拌針小軸肩端面設計為螺旋線結構，達到旋轉過程中收攏材料的目的。7.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述軸肩加工材料選擇氮化鋼或高錳鋼，熱處理后的硬度為HRC47?50。8.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述軸肩端部設計為斜面，傾斜角度為2 °，保證被焊金屬區域受到來自軸肩的擠壓作用的同時降低前進阻力。9.如權利要求1所述的焊后材料表面無減薄的攪拌摩擦焊焊具，其特征在于，所述軸肩端面加工出特殊結構，接觸被焊金屬的軸肩前段加工出類似扇形的厚度為0.3_的凹槽，降低前進阻力，軸肩端面后半段實現對被焊金屬的模鍛作用。
【文檔編號】B23K20/12GK106077946SQ201610524886
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】沈浩然, 賈洪德, 夏佩云
【申請人】上海航天設備制造總廠