一种实现焊缝厚度方向热均衡的焊具及搅拌摩擦焊的方法

一种实现焊缝厚度方向热均衡的焊具及搅拌摩擦焊的方法
1.技术领域：本发明属于搅拌摩擦焊领域，尤其是涉及一种实现焊缝厚度方向热均衡的焊具及搅拌摩擦焊的方法。
2.

背景技术：
搅拌摩擦焊作为一种新型固相连接技术，其工作原理是将高速旋转的搅拌头压入被焊材料，产生大量的摩擦热和塑性变形热使工件材料局部塑化，被塑化的材料在轴肩锻压下冷却形成致密的接头。在搅拌摩擦焊过程中，轴肩与工件的摩擦产热为主要热输入，搅拌针产热仅占10%-20%。焊缝上层材料受轴肩和搅拌针的双重作用，产热量高，且散热慢，而底部材料仅受搅拌针端部作用，往往搅拌针端部直径偏小导致产热更少，且焊缝根部直接与底部垫板接触，散热更快。同时，随着板厚的增加，搅拌针端面对下方材料的作用力有限，导致端部挤压区被塑化的材料流动不充分。搅拌摩擦焊缝厚度方向上温度场和热塑性材料流场的分布导致焊缝沿厚度方向存在温度梯度，即焊缝上层温度过高，造成材料严重热损伤，而下层温度过低，厚度方向组织差异较大，且焊缝根部被塑化的材料流动能力更差，容易形成根部弱连接等缺陷，导致焊缝承载能力不一致，严重降低接头背弯性能及接头强度。
3.通过增加焊缝底部热输入可有效改善焊缝厚度方向组织均质性，抑制根部弱连接缺陷的产生。发明专利（cn107486621a）采用焊缝背面施加辅助热源来提高板底部的热输入，增强底部被塑化的材料的流动性，但增加了设备的复杂性；发明专利（cn106181022a）在搅拌针端部添加可单独旋转的旋转头，通过增加旋转速度来增加板底部的摩擦产热，但是旋转头与搅拌针之间的装配间隙会堆积被塑化的材料从而阻止旋转，逐渐削弱焊缝底部的热输入；发明专利（cn106271030a）采用分级式搅拌头增加板底部摩擦产热，提高材料软化程度，由于各级搅拌针尺寸逐渐减小，进一步增大焊缝厚度上的温度梯度及组织不均匀性；发明专利（cn103624398a）通过在厚板边缘侧加工出多级台阶，采用多道次高速焊接实现高强铝合金厚板低热输入搅拌摩擦焊接，提高接头综合性能，但是该方法增加了焊接工艺的复杂程度，降低了焊接效率。
4.因此，若能开发一种新型搅拌摩擦焊焊具及焊接方法，设计一体式搅拌针，提高搅拌针产热作用，能够同时减小焊缝顶部热输入且增大焊缝根部热输入，实现焊缝厚度方向热均衡，改善焊缝厚度方向组织均质性，降低焊缝顶部严重热损伤同时消除焊缝根部弱连接，实现接头均匀承载，将极大地提升接头背弯性能及接头强度，并拓宽搅拌摩擦焊工艺应用范围与场所。
5.

技术实现要素：
本发明为克服现有焊缝厚度方向组织不均匀，焊缝顶部热损伤严重且根部易产生弱连接缺陷，提供了一种实现焊缝厚度方向热均衡的焊具及搅拌摩擦焊的方法，将焊具的夹持体、搅拌体设计成分体结构，并将搅拌针设计成复合几何结构，复合几何结构采用根部的含肩式结构、中部的锥形结构与端部的螺旋桨结构相结合的方式。通过含肩式结构减小焊缝顶部的摩擦面积降低摩擦产热，螺旋桨结构增加焊缝根部摩擦面积提高摩擦产热，通过桨叶提升被塑化的材料流动，利用搅拌针底面凹形设计聚拢焊缝根部被塑化的材料并增
强锻压作用，解决焊缝根部弱连接缺陷，降低焊缝沿厚度方向的温度梯度，促进焊缝厚度方向组织均质性，实现均匀承载，提升接头背弯性能及接头强度。
6.本发明采用的技术方案在于：一种实现焊缝厚度方向热均衡的焊具，焊具夹持体和安装在焊具夹持体内搅拌体，所述搅拌体包括搅拌针座和搅拌针，所述搅拌针从焊具夹持体内伸出，所述搅拌针采用复合几何结构，其由根部的含肩式结构、中部的锥形结构和端部的外扩结构构成，且含肩式结构直径大于锥形结构的根部直径，外扩结构的直径大于锥形结构的端部直径，所述外扩结构的下端面设有用来对塑化材料形成聚拢和锻压作用的内凹形端面，通过设置外扩结构来增加焊接时焊缝根部的摩擦面积。
7.优选地，所述外扩结构采用螺旋桨结构，螺旋桨结构包含至少两片桨叶。
8.优选地，所述焊具夹持体的轴心处由上至下依次贯通设有调节螺纹通孔和夹持通孔，所述搅拌针座设置在夹持通孔内，在调节螺纹通孔内设有用来调节搅拌针凸出量的调节螺栓，所述调节螺栓与搅拌针座抵接，且搅拌体通过穿设焊具夹持体的紧固螺栓固定搅拌针座在夹持通孔内的位置。
9.优选地，在锥形结构的锥面上设有右旋的螺纹，且锥面周向间隔加工多个铣平面。
10.优选地，所述焊具夹持体包括由上至下同轴一体成型的夹持柄和轴肩，所述轴肩下端呈倒锥形结构，倒锥形结构的下端面为外边缘高于中心外边缘的内凹轴肩面。
11.优选地，所述含肩式结构直径比锥形结构的根部直径大2-10mm，螺旋桨结构的直径比锥形结构的端部直径大0.5-10mm。
12.优选地，所述含肩式结构的长度为0.05-2mm，桨叶的厚度占搅拌针总长度的1/20-1/2，桨叶数目设置为2-10个，桨叶角度设置为0-40
°
。
13.一种采用上述焊具的焊接方法，具体的焊接步骤为：步骤1：依据待焊接板材的厚度和材质，设计相应尺寸的轴肩和搅拌针结构；步骤2：组装焊具，根据板材厚度通过旋转调节螺栓调节搅拌针的凸出量，通过紧固螺栓将搅拌体进行固定，清洗待焊板材并固定在刚性支撑平台上；步骤3：安装焊具，启动搅拌摩擦焊设备，调整焊具位置，使其处于焊缝中心的正上方，设置焊接参数，使轴肩及搅拌针的含肩式结构均压入板材表面，以提供摩擦产热并锻压焊缝表面材料，螺旋浆结构的下端面与待焊板材底面之间保持距离，以防止搅拌针接触底部垫板发生磨损及断裂；焊接过程中，含肩式结构为焊缝顶部提供摩擦产热，轴肩的内凹轴肩面聚拢和锻压外溢的塑化材料，螺旋桨结构增大焊缝根部摩擦面积，并增强被塑化的材料流动性能，螺旋桨结构下端面的内凹形端面对其底部被塑化的材料进行聚拢和锻压，实现降低焊缝厚度方向的温度梯度，改善组织均质性，降低焊缝顶部严重热损伤同时消除根部弱连接缺陷；步骤4：焊接完成后取下焊接试件，完成焊接过程。
14.优选地，所述步骤3中，实现焊缝厚度方向热均衡，通过以下步骤实现：所述含肩式结构直径小于轴肩底端的外径，同时，减小轴肩微压入板材的深度，来减弱轴肩的摩擦产热作用，以减小焊缝顶部的热输入，内凹轴肩面聚拢和锻压焊缝表面塑化材料，保证焊缝表面成形，螺旋桨结构在焊缝根部进行摩擦时，由于螺旋桨结构的直径大于锥形结构的端部直径，从而提高焊缝根部热输入特性，促进材料的软化，同时，旋转的桨叶增强了被塑化的材
料的流动特性。
15.优选地，所述步骤3中，所述锥形结构上的螺纹和铣平面在旋转过程中增强被塑化的材料向下流动的状态，并减小焊接阻力。
16.相对于现有技术，本发明具有以下优势：一、本发明将搅拌针设计成复合几何结构，利用搅拌针根部的含肩式结构减小了焊缝顶部热输入，端部的螺旋桨结构增加搅拌针的端部尺寸直径，有效地提高了焊缝根部的热输入，减小焊缝厚度方向的温度梯度，改善焊缝厚度方向组织均质性，降低焊缝顶部严重热损伤，实现接头均匀承载，显著提高了接头背弯性能及整体强度。
17.二、本发明利用搅拌针端部的螺旋桨结构设计，还能增强焊缝根部被塑化的材料的流动能力；通过搅拌针下端面的内凹形端面设计，增强对被塑化的材料的聚拢和锻压作用，在搅拌针长度小于板厚的较大范围内仍能够解决焊缝根部弱连接，提高搅拌摩擦焊接质量。
18.三、本发明在锥形结构上设计的铣平面和螺旋桨桨叶结构，增强了被塑化的材料的流动能力，减小焊接过程中搅拌针阻力，在提高焊接速度情况下，焊缝根部材料依然具有较强的变形能力，保证焊缝根部成形，显著提高了生产效率。
19.四、本发明设计的焊具简便易操作，通过夹持柄尾部内置调节螺栓能够调整搅拌针的凸出量，焊具可适用一定板厚范围构件的焊接，节约焊具设计成本。同时，对于任意板厚的搅拌摩擦焊接，本发明焊具均可在较宽的工艺窗口下实现焊缝厚度方向热均衡，改善厚度方向的组织均质性，解决焊缝根部弱连接缺陷，实现接头均匀承载。
20.附图说明：图1为本发明的结构示意图；图2为焊具剖面示意图；图3为焊具中搅拌针的结构示意图，其中3a为桨叶为角度0
°
的结构示意图、3b为桨叶为角度5
°
的结构示意图、3c为桨叶为角度15
°
的结构示意图、3d为四片桨叶的结构示意图；图4为本发明实施例1获得的铝合金焊缝及焊核区组织金相图；图5为对比例1获得的铝合金焊缝及焊核区组织金相图；其中：1焊具夹持体、1-1夹持柄、1-1-1焊具夹持面、1-1-2调节螺纹通孔、1-2轴肩、1-2-1夹持通孔、1-2-2内凹轴肩面、1-2-3紧固螺纹通孔、2搅拌体、2-1搅拌针座、2-1-1搅拌针夹持面、2-2搅拌针、2-2-1含肩式结构、2-2-2锥形结构、2-2-3螺旋桨结构、3调节螺栓、4紧固螺栓。
21.具体实施方式：如图1至图3所示，本发明为一种实现焊缝厚度方向热均衡的焊具，包括焊具夹持体1、搅拌体2、调节螺栓3和紧固螺栓4。
22.所述焊具夹持体1包括由上至下同轴一体成型的夹持柄1-1和轴肩1-2，所述夹持柄1-1的外表面上设有焊具夹持面1-1-1，夹持柄1-1的轴心处开设有调节螺纹通孔1-1-2，调节螺栓3置于调节螺纹通孔1-1-2内。所述轴肩1-2下端呈倒锥形结构，倒锥形结构的下端面为外边缘高于中心外边缘的内凹轴肩面1-2-2，内凹轴肩面1-2-2的内凹角为1-30
°
之间，且内凹轴肩面1-2-2的外边缘直径为待焊板材厚度的1-5倍。在轴肩1-2的轴心处开设有夹
持通孔1-2-1，且调节螺纹通孔1-1-2与夹持通孔1-2-1连通，所述搅拌体2置于夹持通孔1-2-1内。在夹持通孔1-2-1的侧壁对称开设有两个垂直轴肩中轴线的紧固螺纹通孔1-2-3。
23.所述搅拌体2设置在夹持通孔1-2-1中，搅拌体2包括同轴一体成型的搅拌针座2-1和搅拌针2-2，搅拌针座2-1的上端面与调节螺栓3下端面相抵，且搅拌针座2-1的外表面设有两个相对的搅拌针夹持面2-1-1，且两个搅拌针夹持面2-1-1与两个紧固螺纹通孔1-2-3相对，两个紧固螺栓4分别穿过两个紧固螺纹通孔1-2-3后，与搅拌针夹持面2-1-1抵接，从而实现固定搅拌体2的作用。所述搅拌针2-2从夹持通孔1-2-1内伸出，外露在内凹轴肩面1-2-2的下端面以外，旋转调节螺栓3，通过其旋进或旋出来调节搅拌针2-2的凸出量（即搅拌针2-2的伸出长度），以适于不同待焊板材的厚度，搅拌针2-2长度比待焊板材厚度小0.05mm-3mm为宜。
24.所述搅拌针2-2为复合几何结构，其由根部的含肩式结构2-2-1、中部的锥形结构2-2-2和端部的螺旋桨结构2-2-3构成。所述锥形结构2-2-2的锥面与搅拌体2的轴线夹角为1-30
°
，在锥形结构2-2-2的锥面上设有右旋的螺纹，螺距为0.2-5mm，锥面周向间隔加工多个铣平面，铣平面深度0.5-2mm，所述螺旋桨结构2-2-3设置在锥形结构2-2-2的底端，螺旋桨结构2-2-3的下端面为内凹形端面，且内凹形端面的内凹角为1-30
°
。
25.如图3所示，所述含肩式结构2-2-1直径比锥形结构2-2-2的根部直径大2-10mm，螺旋桨结构2-2-3的直径比锥形结构2-2-2的端部直径大0.5-10mm，含肩式结构2-2-1的长度为0.05-2mm，桨叶厚度占搅拌针2-2总长度的1/20-1/2。由于桨叶总面积的增加是提高焊缝根部热输入的关键因素，桨叶的总面积随端部直径、桨叶厚度及桨叶数量的增加而增大，因此本实施例中，优选地，桨叶数目设置为2-10个，随桨叶总面积的增多，会产生更多的摩擦热，从而提高焊缝根部的热输入；桨叶角度设置为0-40
°
，通过桨叶角度的设置，可对被塑化的材料起到向下的推动力，促进材料向下流动，进而增强被塑化的材料向底部流动的能力；设置在螺旋桨结构2-2-3下端的内凹形端面，在焊接过程中可增强对底部被塑化的材料的聚拢和锻压作用。
26.工作过程：利用上述焊具施焊实现焊缝厚度方向热均衡的搅拌摩擦焊方法，具体包括以下步骤：步骤1：根据待焊接板材的厚度和材质，设计相应尺寸的轴肩1-2和搅拌针2-2结构；步骤2：组装焊具，根据焊接板材的厚度，旋转调节螺栓3来调节搅拌针2-2的凸出量，再用两个紧固螺栓4分别与焊具夹持面1-1-1顶紧将搅拌体2固定，清洗待焊板材，并将其固定在刚性支撑平台上；步骤3：安装焊具，启动搅拌摩擦焊设备，使主轴倾角为0-5
°
，调整焊具位置，使其处于焊缝中心的正上方，设置焊接参数，主轴旋转速度为50-3000rpm，焊接速度为1-3000mm/min，轴肩1-2压入板材表面0-1mm，并使搅拌针2-2下端面距离待焊板材底面0.1-3mm，以防止搅拌针2-2接触底部垫板发生磨损及断裂。在焊接过程中，锥形结构2-2-2以及设置在锥形结构2-2-2上的螺纹和铣平面，用来增强被塑化的材料向下流动，并减小焊接阻力。由于搅拌针2-2的含肩式结构2-2-1直径小于轴肩1-2底端的直径，且减小轴肩1-2压入板材的深度来减弱轴肩1-2的摩擦产热作用，减小焊缝顶部的热输入，内凹轴肩面1-2-2聚
拢和锻压焊缝表面塑化材料，保证焊缝表面成形，螺旋桨结构2-2-3的直径大于锥形结构2-2-2的端部直径，且随桨叶数量的增加，可增大焊缝根部的摩擦面积，利用增大的摩擦面积来提高焊缝根部的热输入，由于焊缝顶部减小了摩擦热且焊缝根部获得了更多的摩擦热和材料塑性变形热，有效降低了焊缝厚度方向的温度梯度，使组织均质性得到改善。根据桨叶角度的设置，在桨叶旋转时，桨叶角可为塑化材料提供一个向下的推力，使被塑化的材料向焊缝根部方向流动，通过搅拌针2-2下端面设置的内凹形端面，增强对其底部被塑化的材料的聚拢和锻压作用，扩大搅拌针2-2的影响区，解决焊缝根部弱连接的缺陷问题，以及接头背弯性能及接头强度弱的现状；步骤4：焊接处理完成后，停止搅拌摩擦焊设备并取下焊接试件，实现焊缝厚度方向热均衡，改善厚度方向组织均质性，降低焊缝顶部严重热损伤且解决根部弱连接使焊接接头均匀承载。
27.实施例1采用上述焊具结构与焊接方法对15.2mm厚铝合金平板进行搅拌摩擦焊对接：焊具轴肩直径为26mm，内凹轴肩面1-2-2为5
°
，搅拌针2-2总长14.5mm，锥形结构2-2-2的锥角10
°
，螺距为2mm，在锥形结构2-2-2的表面上周向加工有3个铣平面，铣平面深度1mm，含肩式结构外径16mm，长度0.3mm，锥形结构2-2-2的端部直径为8.5mm，螺旋桨结构2-2-3的直径为12mm，桨叶数目为3个，桨叶角度为0
°
，桨叶厚度为1.5mm，搅拌针2-2下端面的内凹角为10
°
，焊接时主轴的倾角为2.5
°
，轴肩1-2下压0.2mm，焊具转速为300rpm，焊接速度为100mm/min。如图4所示，通过焊缝的微观组织结果表明，焊缝底部无根部弱连接缺陷，焊核区上中下层晶粒组织均质性较好。
28.对比例1采用常规焊具结构对15.2mm铝合金平板进行搅拌摩擦焊接：搅拌针2-2总长14.5mm，锥角为10
°
，螺距2mm，表面周向设有3个铣平面，铣平面深度1mm，搅拌针2-2的端部直径8mm，焊接时倾角2.5
°
，轴肩1-2下压0.2mm，焊具转速300rpm，焊接速度100mm/min。如图5所示，焊接完成焊缝的微观组织结果表明，焊核区下层晶粒组织尺寸显著减小，厚度方向组织均质性差，焊缝底部存在明显的根部弱连接缺陷，缺陷高度约为0.3mm。
29.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。