一种偏心搅拌摩擦焊装置

1.本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，特别涉及一种偏心搅拌摩擦焊装置。


背景技术：

2.搅拌摩擦焊是一种新型的固态连接技术，其实质是通过高速旋转搅拌头与被焊工件搅拌、摩擦产热使金属达到塑性状态，发生充分流动而形成致密焊缝。焊接时母材金属不熔化，可避免传统熔焊过程中形成的焊接裂纹、气孔等缺陷，接头质量高，已被广泛应用于铝及其合金等轻金属材料焊接。
3.搅拌摩擦焊作为一种固态连接方法，其利用了高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使工件达到塑性状态，在搅拌针的挤压作用下，塑性金属逐渐填充空腔，最终形成一条无缺陷的焊缝。然而，在进行厚板焊接过程中，由于焊缝上部金属因受到轴肩和搅拌针的共同作用，焊缝金属温度够高，金属流动较充分；而焊缝底部金属仅受到搅拌针端部作用，驱动力较小，焊缝金属温度较低，金属流动不充分，导致容易在接头内部形成未焊合、孔洞等缺陷。目前解决的方法主要是通过焊前辅助加热的方法，对焊板材底部进行焊前加热，以提高焊缝底部金属温度，减小搅拌针端部挤压区周边金属的变形抗力，提高搅拌针端部挤压区内塑化金属的流动能力，但这一方法对辅助加热装置和使用成本提出了更高的要求，不利于推广使用。
4.现有的搅拌摩擦焊在工作过程中，焊缝底部金属仅受到搅拌针端部作用，驱动力较小，焊缝金属温度较低，金属流动不充分，导致容易在接头内部形成未焊合、孔洞等缺陷，最终造成焊接效果差，且现有的处理方式是通过对焊板材底部进行焊前加热，以提高焊缝底部金属温度，减小搅拌针端部挤压区周边金属的变形抗力，提高搅拌针端部挤压区内塑化金属的流动能力，但这一方法对辅助加热装置和使用成本高，不利于推广，为此，我们提出一种偏心搅拌摩擦焊装置。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种偏心搅拌摩擦焊装置，可以有效解决背景技术中，现有的搅拌摩擦焊在工作过程中，焊缝底部金属仅受到搅拌针端部作用，驱动力较小，焊缝金属温度较低，金属流动不充分，导致容易在接头内部形成未焊合、孔洞等缺陷，最终造成焊接效果差，且现有的处理方式是通过对焊板材底部进行焊前加热，以提高焊缝底部金属温度，减小搅拌针端部挤压区周边金属的变形抗力，提高搅拌针端部挤压区内塑化金属的流动能力，但这一方法对辅助加热装置和使用成本高，不利于推广。
6.为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种偏心搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头装置，所述搅拌头装置固定设置在稳定装置上，待焊板放置在放置台上，所述放置台上设有夹持组件，所述夹持组件主要用于固定夹持待焊板，所述搅拌头装置包括轴肩以及设置在轴肩底部的搅拌针，所述搅拌针中轴线与轴肩中轴线相互重合，所述搅拌针端部设有端部块，所述端部块整体呈等边三角块结构，所述端部块中轴线与所述搅拌针中轴线相互平
行，且所述端部块中轴线与搅拌针中轴线不同心；所述搅拌针整体呈倒置圆台桩结构，所述搅拌针侧壁设有左螺纹。
7.其中，所述端部块采用焊接的方式固定在搅拌针端部，且所述端部块中轴线与搅拌针中轴线距离的大小根据实际需要进行调控。
8.其中，所述夹持组件包括螺纹管、螺杆、推动块、压块，两个所述螺纹管相对设置在所述放置台上部，且所述螺纹管与待焊板等高，所述螺纹管内部开设有螺纹，所述螺纹管与螺杆螺纹连接，所述螺杆与待焊板相互垂直，所述螺杆端部与所述推动块之间通过轴承连接，所述推动块另一端侧壁与待焊板侧壁相互贴合，所述放置台上部开设有螺纹通孔，所述螺纹通孔位于待焊板两侧，所述压块上开设有圆形通孔，所述圆形通孔内活动连接有螺丝，所述螺丝下端与螺纹通孔螺纹连接。
9.其中，所述放置台底部开设有安装通孔，所述放置台通过安装通孔配合螺栓安装在铣床上。
10.其中，所述稳定组件包括活动设置在所述放置台内部的稳定架，所述稳定架内安装有焊接模块，所述稳定架上部开设哟安装环，所述安装环内安装有陶瓷环，所述陶瓷环内设有电阻加热块，所述稳定架上设有连杆，所述连杆端部设有滑轨，所述滑轨内部设有滑块，所述滑块上设有驱动电机，所述搅拌头装置与驱动电机输出端连接。
11.其中，所述连杆另一端部设有电动伸缩杆，所述电动伸缩杆下部输出端与所述滑块连接。
12.其中，所述放置台内部开设有滑槽，所述稳定架底部开设有滑条，所述滑条在所述滑槽内横向滑动。
13.与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
14.本发明中，具体是通过改变搅拌针端部形貌，将搅拌针端部设置成三角形块结构，同时设定端部偏心距大小，一方面，端部形貌为三角形块的搅拌针旋转时会产生一个额外的偏心力；另一方面，带偏心距的搅拌针端部将产生另一个偏心力，导致搅拌针端部在旋转时搅拌针端部的作用范围增大的同时，可显著增大搅拌针端部周边焊缝金属塑性流动驱动力，促使搅拌针端部周边塑性金属流动更加充分，有利于厚板底部金属形成可靠的冶金结合，本发明能够有效改善厚板搅拌摩擦焊时由于搅拌针较短、搅拌针端部搅拌作用力较低而导致厚板焊接时底部产热量不足、金属流动较差等问题，从而提高焊接接头质量。
附图说明
15.图1为本发明一种偏心搅拌摩擦焊装置中搅拌头装置的整体结构示意图；
16.图2为本发明一种偏心搅拌摩擦焊装置中搅拌头装置的正视结构示意图；
17.图3为本发明图2中a-a处的剖视结构示意图
18.图4为本发明一种偏心搅拌摩擦焊装置中搅拌头装置的俯视结构示意图
19.图5为本发明一种偏心搅拌摩擦焊装置中搅拌头装置与放置台以及稳定架连接的整体结构示意图；
20.图6为本发明图5中b处的局部放大结构示意图
21.图7为本发明一种偏心搅拌摩擦焊装置中搅拌头装置与放置台以及稳定架连接的正剖结构示意图
22.图8为本发明图7中c处的局部放大结构示意图。
23.图中：1、轴肩；2、搅拌针；3、端部块；4、放置台；5、螺纹管；6、螺杆；7、推动块；8、压块；9、螺丝；10、电动伸缩杆；11、稳定架；12、陶瓷环；13、电阻加热块；14、连杆；15、滑轨；16、滑块；17、驱动电机。
具体实施方式
24.为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
25.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
27.实施例一：
28.请参照图1-8所示，本发明为一种偏心搅拌摩擦焊装置，包括以下步骤：
29.s1：设置搅拌头装置，搅拌头装置包括轴肩1以及设置在轴肩1底部的搅拌针2，搅拌针2中轴线与轴肩1中轴线相互重合，搅拌针2端部设有端部块3，端部块3整体呈等边三角块结构，端部块3中轴线与搅拌针2中轴线相互平行，且端部块3中轴线与搅拌针2中轴线距离为d，本实施例偏心距d为0.1mm，如图4所示，点1为搅拌针2中轴线上的射影点，点2为端部块3中轴线射影点，点1与点2之间的距离为偏心距离d；
30.s2：用砂纸分别将两块一定厚度的2a12铝合金板的表面和对接面氧化膜去除，再用去污剂擦拭清理油污以及杂质；
31.s3：使用夹具将两块一定厚度的2a12铝合金板完全固定，具体的2a12铝合金板的厚度为15mm；
32.s4：采用带左螺纹搅拌针进行焊接，具体焊接工艺参数为旋转速度600r/min，焊接速度60mm/min，轴肩1直径40mm，轴肩1下压量为h，具体的h为0.05mm；
33.具体的搅拌头装置材料为gh4169高温合金，直径为40mm；搅拌针形状为左螺纹圆锥形，根部直径为12mm，端部直径为6mm，长度为14.5mm，搅拌针螺距为1.5mm，焊接设备为x35k型立式铣床改装的搅拌摩擦焊机，焊接时搅拌头作顺时针旋转，工艺参数统一为搅拌头转速600r/min，焊接速度60mm/min，焊后观察标示材料分布状态，分析焊缝塑性金属的流动行为。
34.需要说明的是本发明的待焊板不局限于2a12铝合金板，也适用于其他搅拌焊接材料，例如铝、镁、铜、钛、钢等金属材料。
35.其中，步骤s1中，搅拌针2整体呈倒置圆台桩结构，搅拌针2侧壁设有左螺纹。
36.其中，端部块3采用焊接的方式固定在搅拌针2端部，且端部块3中轴线与搅拌针2中轴线距离d的大小根据实际需要进行调控，通过设定设定端部块3中轴线与搅拌针2中轴线，既通过设定端部块3位于搅拌针2底部的位置，使得搅拌针2旋转过程中产生一定离心力，通过改变搅拌针端部形貌及其偏心距大小来获得额外的偏心力，从而大幅提高搅拌针端部的作用力和搅拌范围，提高焊缝底部的金属温度的同时，促使焊缝底部金属充分流动，可明显改善厚板焊接时因为焊缝底部金属所受作用力较小、塑性金属温度较低而导致接头成形较差的问题。
37.其中，步骤s2中去污剂选用丙酮、溴素清洗剂以及丙烯颜料清洗剂中的一种，通过丙酮、溴素清洗剂以及丙烯颜料清洗剂中的一种去除2a12铝合金板上的油污以及杂质，提高去除效果。
38.其中，搅拌头装置固定设置在稳定装置上，2a12铝合金板放置在放置台4上，放置台4上设有夹持组件，夹持组件主要用于固定夹持待焊接的2a12铝合金板。
39.其中，夹持组件包括螺纹管5、螺杆6、推动块7、压块8，两个螺纹管5相对设置在放置台4上部，且螺纹管5与2a12铝合金板等高，螺纹管5内部开设有螺纹，螺纹管5与螺杆6螺纹连接，螺杆6与2a12铝合金板相互垂直，螺杆6端部与推动块7之间通过轴承连接，推动块7另一端侧壁与2a12铝合金板侧壁相互贴合，转动螺杆6，螺杆6带动推动块7向前移动，使得推动块7从侧部挤压2a12铝合金板，保证焊接效果，放置台4上部开设有螺纹通孔，螺纹通孔位于2a12铝合金板两侧，压块8上开设有圆形通孔，圆形通孔内活动连接有螺丝9，螺丝9下端与螺纹通孔螺纹连接。
40.其中，放置台4底部开设有安装通孔，放置台4通过安装通孔配合螺栓安装在铣床上。
41.其中，稳定组件包括活动设置在放置台4内部的稳定架11，稳定架11内安装有焊接模块，稳定架11上部开设哟安装环，安装环内安装有陶瓷环12，陶瓷环12内设有电阻加热块13，稳定架11上设有连杆14，连杆14端部设有滑轨15，滑轨15内部设有滑块16，滑块16上设有驱动电机17，搅拌头装置与驱动电机17输出端连接，驱动电机17主要用于带动搅拌头装置旋转，滑块16在滑轨15内部上下滑动，实现通过驱动电机17带动搅拌装置下压一定高度h。
42.其中，连杆14另一端部设有电动伸缩杆10，电动伸缩杆10下部输出端与滑块16连接，电动伸缩杆10主要用于带动滑块16上下滑动，实现通过驱动电机17带动搅拌头装置下压。
43.其中，放置台4内部开设有滑槽，稳定架11底部开设有滑条，滑条在滑槽内横向滑动，通过滑条在滑槽内部横向滑动，实现带动稳定架11横向滑动，最终完成两块2a12铝合金板的焊接。
44.实施例二：
45.与实施例一不同之处在于步骤s3中2a12铝合金板的厚度为10mm，步骤s1中偏心距d为0.1mm。
46.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变
化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。