用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头的制作方法

本发明主要涉及搅拌摩擦焊技术，尤其涉及一种用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头。

背景技术：

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头与工件材料间相互作用产热，把搅拌头周边的工件材料加热到塑化状态而形成焊缝，该热量主要包括轴肩和搅拌针与母材间的摩擦产热及工件材料被搅拌、挤压而产生的塑性变形热。在搅拌摩擦焊接过程中，工件温度场的分布不均匀，呈现搅拌头轴肩处温度最高并向搅拌针端面依次递减的规律。

搅拌头是搅拌摩擦焊接技术的核心。它与被焊接工件相互作用，实现被焊材料连接。

搅拌头尺寸设计尚无一套成熟理论，大多根据经验设计，搅拌头主要由搅拌针、轴肩和夹持区等部分组成，搅拌针位于搅拌头的顶部，形状各异。搅拌针通过旋转摩擦产生部分热能，搅拌针的主要作用类似于泵的作用，它能使处于高塑化状态的金属在保持上下运动的同时，沿着搅拌针从前向后流动，通过搅拌头轴肩锻压、冷却形成接头。搅拌针的大小决定了焊缝焊核区组织的尺寸和焊接速度；搅拌针的形状一方面决定了焊接过程中的加热方式和塑性材料被顶锻的模式，另一方面直接影响着焊缝区软化材料的流动形式，对接头成型产生重要作用。搅拌针形状和尺寸及相关焊接工艺参数共同决定了焊接过程中的产热和材料流动，最终决定了搅拌摩擦焊接接头的质量。

一般来说，搅拌针采用了圆柱状或圆锥状设计。由于工件材料不同、结构不同、工件材料厚度不同，搅拌针采用一般结构设计，在很多工况下不能充分搅拌、搬迁塑化的金属，会造成焊缝内部孔洞缺陷，甚至是产生严重的表面沟槽。

普通搅拌头在焊接过程中，因为针尖底部较小，且端面为平面，产生的搅拌力较小，不利于底部材料的流动填充，易在底部产生沟槽线，不利于形成良好的焊缝，对焊缝质量有一定的不良影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、可减小底部软化金属迁移阻力、能防沟槽并形成良好焊缝的用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头，包括依次连接的夹持部、轴肩部和搅拌针，所述搅拌针在其针尖的底部设有用于增加底部软化金属流动并减小底部软化金属迁移阻力的凸台。

作为上述技术方案的进一步改进：

定义搅拌针的轴线为旋转中心线，定义凸台的底部外廓线为旋转母线，所述凸台由旋转母线绕旋转中心线旋转一周形成。

定义凸台与焊件接触点的垂线为焊接线，在焊接时、所述焊接线与旋转中心线呈夹角a，1°≤a≤5°。

定义针尖底部的直径为l1，定义凸台的直径为l2，l1/10≤l2≤l1。

定义凸台的高度为h，l1/70≤h≤l1/7。

所述凸台的底部外廓线为光滑过渡的外凸圆弧线。

所述凸台的底部外廓线由周侧的斜线和中间外凸的圆弧线连接构成。

所述凸台的底部外廓线由周侧外凸的圆弧线和中间的水平直线连接构成。

所述凸台的底部外廓线由周侧的竖向直线和中间外凸的圆弧线连接构成。

所述凸台的底部外廓线为周侧内凹的圆弧线和中间外凸的圆弧线连接构成。

定义中间外凸的圆弧线的直径为l3，定义针尖底部的直径为l1，l1/10≤l3≤l1/2。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头，包括依次连接的夹持部、轴肩部和搅拌针，搅拌针在其针尖的底部设有用于增加底部软化金属流动并减小底部软化金属迁移阻力的凸台。焊接时，利用夹持部进行装夹，搅拌针通过旋转摩擦产生热能，利用轴肩部形成锻压。较传统结构而言，该搅拌头在针尖的底部成型有凸台，在焊接过程中，该凸台增加了底部软化金属的流动，减小了底部软化金属的迁移阻力，优化了搅拌头在接触待焊接件插入时的稳定性和插入的阻力，从而有利于底部材料的流动填充，不易在底部产生沟槽，有利于形成良好的焊缝，其结构简单可靠。

附图说明

图1是本发明实施例1的立体结构示意图。

图2是本发明实施例1的主视结构示意图。

图3是本发明实施例1的局部放大结构示意图。

图4是本发明实施例1的局部放大结构示意图(使用状态)。

图5是本发明实施例1中凸台的结构示意图。

图6是本发明实施例2中凸台的结构示意图。

图7是本发明实施例3中凸台的结构示意图。

图8是本发明实施例4中凸台的结构示意图。

图9是本发明实施例5中凸台的结构示意图。

图中各标号表示：

1、夹持部；2、轴肩部；3、搅拌针；31、针尖；32、凸台；321、旋转母线；322、焊接线；33、旋转中心线。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例1：

图1至图5示出了本发明用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头的第一种实施例，包括依次连接的夹持部1、轴肩部2和搅拌针3，搅拌针3在其针尖31的底部设有用于增加底部软化金属流动并减小底部软化金属迁移阻力的凸台32。焊接时，利用夹持部1进行装夹，搅拌针3通过旋转摩擦产生热能，利用轴肩部2形成锻压。较传统结构而言，该搅拌头在针尖31的底部成型有凸台32，在焊接过程中，该凸台32增加了底部软化金属的流动，减小了底部软化金属的迁移阻力，优化了搅拌头在接触待焊接件插入时的稳定性和插入的阻力，从而有利于底部材料的填充，不易在底部产生沟槽，有利于形成良好的焊缝，其结构简单可靠。

本实施例中，定义搅拌针3的轴线为旋转中心线33，定义凸台32的底部外廓线为旋转母线321，凸台32由旋转母线321绕旋转中心线33旋转一周形成。凸台32由旋转母线321绕旋转中心线33旋转一周与针尖31形成一体式结构，提高了整体强度。

本实施例中，定义凸台32与焊件接触点的垂线为焊接线322，在焊接时、焊接线322与旋转中心线33呈夹角a，1°≤a≤5°。在焊接时，搅拌针3呈一定倾角，即焊接线322与旋转中心线33呈夹角a，这样设置使得沿焊接方向运动时更为有利于底部材料的流动填充，从而形成良好的焊缝，本实施例中，a设置为4°。

本实施例中，定义针尖31底部的直径为l1，定义凸台32的直径为l2，l1/10≤l2≤l1。该结构中，凸台32的直径l2要小于针尖31底部的直径l1，即使得在凸台32周沿形成空间，减小底部焊接塑化材料的迁移阻力，而l1/10≤l2的设置又能保证凸台32的强度，提高使用寿命。本实施例中，l2＝l1/3。

本实施例中，定义凸台32的高度为h，l1/70≤h≤l1/7。凸台32高度h的设计主要是为了保证凸台32周沿空间的合理，高度h太高，会增大焊接塑化材料的流动性，不利于底部材料的流动填充；高度h太低又会增大焊接塑化材料的迁移阻力，通过l1/70≤h≤l1/7的设置，能兼顾底部材料的流动填充和迁移阻力减小，其结构简单、设计巧妙。本实施例中h＝l1/20。

本实施例中，凸台32的底部外廓线为光滑过渡的外凸圆弧线。其结构简单，易于成型。

实施例2：

如图6所示，本发明用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头的第二种实施例，该搅拌头与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，凸台32的底部外廓线由周侧的斜线和中间外凸的圆弧线连接构成。其结构简单，易于成型。

实施例3：

如图7所示，本发明用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头的第三种实施例，该搅拌头与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，凸台32的底部外廓线由周侧外凸的圆弧线和中间的水平直线连接构成。其结构简单，易于成型。

实施例4：

如图8所示，本发明用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头的第四种实施例，该搅拌头与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，凸台32的底部外廓线由周侧的竖向直线和中间外凸的圆弧线连接构成。其结构简单，易于成型。

实施例5：

如图9所示，本发明用于搅拌摩擦焊的底凸型搅拌头的第五种实施例，该搅拌头与实施例1基本相同，区别仅在于：本实施例中，凸台32的底部外廓线为周侧内凹的圆弧线和中间外凸的圆弧线连接构成。其结构简单，易于成型。

本实施例中，定义中间外凸的圆弧线的直径为l3，定义针尖31底部的直径为l1，l1/10≤l3≤l1/2。该结构中，凸台32的直径l2要小于针尖31底部的直径l1，即使得在凸台32周沿形成空间，减小焊接塑化材料的迁移阻力，而l1/10≤l2的设置又能保证凸台32的强度，提高使用寿命。本实施例中，l2＝l1/3。

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。