CN103128437A - 一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 - Google Patents

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刘会杰
赵运强
侯军才
李金全
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Abstract

一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，它涉及一种搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。本发明为了解决常规搅拌摩擦焊接头容易产生根部缺陷，接头可靠性难以保证，增加焊后加工成本的问题。本发明包括搅拌头组件和支撑底座，搅拌头组件设置在支撑底座的上方，搅拌头组件包括上轴肩、搅拌针和下轴肩，上轴肩、搅拌针和下轴肩由上至下依次首尾连接制成一体，支撑底座的中部开有凹槽，下轴肩的下端与支撑底座中部的凹槽相对应，上轴肩的直径大于下轴肩的直径大于搅拌针的直径，上轴肩的直径大于凹槽的宽度大于下轴肩的直径。本发明用于焊接领域。

Description

一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及一种搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，具体涉及一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，在焊接铝、镁等低熔点材料时，具有焊接质量高、生产成本低和无环境污染等诸多特点，因而得到快速发展和应用。但在常规的搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针长度一般小于被焊工件长度，在焊缝根部容易产生“未焊透(也称弱结合)”缺陷，从而降低接头的承载能力，尤其是疲劳性能。由于未焊透缺陷产生在焊缝的根部，因而常被称为根部缺陷。这种缺陷尺寸较小，很难被常规的X射线及超声波等无损检测方法所检出，存在较大的危害性。为了确保焊接接头的可靠性，需要在搅拌摩擦焊接之后，采用机械加工的方法去除一定厚度的焊缝根部材料，这不仅造成了浪费，增加了焊接成本，也降低了焊接生产效率。
发明内容
本发明为解决常规搅拌摩擦焊接头容易产生根部缺陷，接头可靠性难以保证，增加焊后加工成本的问题，进而提出一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括搅拌头组件和支撑底座，搅拌头组件设置在支撑底座的上方，搅拌头组件包括上轴肩、搅拌针和下轴肩，上轴肩、搅拌针和下轴肩由上至下依次首尾连接制成一体，支撑底座的中部开有凹槽，下轴肩的下端与支撑底座中部的凹槽相对应，上轴肩的直径大于下轴肩的直径大于搅拌针的直径，上轴肩的直径大于凹槽的宽度大于下轴肩的直径。
本发明所述焊接方法的具体步骤如下：
步骤一、用夹具将第一被焊工件和第二被焊工件并排固定在支撑底座的上表面上，使第一被焊工件的一侧与第二被焊工件的一侧接触，第一被焊工件与第二被焊工件的接触面位于凹槽中心线的上方；
步骤二、将搅拌头组件移至第一被焊工件与第二被焊工件互相接触的焊接起始位置，使搅拌头组件从第一被焊工件与第二被焊工件接触面的上方扎入第一被焊工件与第二被焊工件的接触面之间，直至上轴肩下表面压入第一被焊工件和第二被焊工件的接触面之间的深度达到设定值h1为止；
步骤三、使搅拌头组件沿第一被焊工件与第二被焊工件的接触面的长度方向前行，直至焊接完成。
本发明的有益效果是：本发明的搅拌针整体穿透被焊工件，可有效避免根部缺陷的产生；本发明的下轴肩对焊缝根部起到支撑作用，防止焊缝金属下塌，保证焊缝背部成形良好；本发明的支撑底座凹槽侧壁与下轴肩外轮廓之间的间隙较小，可对工件背部提供最大程度的支撑，降低下轴肩所受载荷，增大工件散热，避免焊缝内部产生缺陷，本发明结构简单，制作成本低，操作简便，便于维护和长期使用。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图，图2是搅拌头组件扎入第一被焊工件与第二被焊工件焊接面之间的横截面示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置搅拌头组件1和支撑底座2，搅拌头组件1设置在支撑底座2的上方，搅拌头组件1包括上轴肩1-1、搅拌针1-2和下轴肩1-3，上轴肩1-1、搅拌针1-2和下轴肩1-3由上至下依次首尾连接制成一体，支撑底座2的中部开有凹槽2-1，下轴肩1-3的下端与支撑底座2中部的凹槽2-1相对应，上轴肩1-1的直径D0大于下轴肩1-3的直径D2大于搅拌针1-2的直径D1，上轴肩1-1直径D0大于凹槽2-1宽度L大于下轴肩1-3直径D2。
具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置的上轴肩1-1的直径D0是搅拌针1-2直径D1的3倍～5倍，下轴肩1-3的直径D2是搅拌针1-2直径D1的1.5倍～2.5倍，凹槽2-1的宽度L比下轴肩1-3的直径D2大1～5毫米。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。
本实施方式的技术效果是：在保证焊缝根部不产生缺陷的同时，可对工件背部提供最大程度的支撑，降低下轴肩所受载荷，增大工件散热，从而避免焊缝内部产生缺陷。
具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置的上轴肩1-1的直径D0是搅拌针1-2直径D1的4倍，下轴肩1-3的直径D2是搅拌针1-2直径D1的2倍，凹槽2-1的宽度L比所述下轴肩1-3的直径D2大2毫米。其它组成及连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种利用具体实施方式一所述装置进行搅拌摩擦焊接方法的具体步骤如下：
步骤一、用夹具将第一被焊工件3和第二被焊工件4并排固定在支撑底座2的上表面上，使第一被焊工件3的一侧与第二被焊工件4的一侧接触，第一被焊工件3与第二被焊工件4的接触面位于凹槽2-1中心线的上方；
步骤二、将搅拌头组件1移至第一被焊工件3与第二被焊工件4互相接触的焊接起始位置，使搅拌头组件1从第一被焊工件3与第二被焊工件4接触面的上方扎入第一被焊工件3与第二被焊工件4的接触面之间，直至上轴肩1-1下表面压入第一被焊工件3和第二被焊工件4的接触面之间的深度达到设定值h1为止；
步骤三、使搅拌头组件1沿第一被焊工件3与第二被焊工件4的接触面的长度方向前行，直至焊接完成。
具体实施方式五：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法的步骤二中搅拌头组件1的旋转速度为500～2000转/分，搅拌头组件1扎入第一被焊工件3与第二被焊工件4的接触面之间的扎入速度为0.5～2毫米/分，搅拌头组件1的前行速度为50～1000毫米/分。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
本实施方式的技术效果是：可使搅拌头组件在扎入被焊工件过程中所受载荷较小，保证搅拌头组件在焊接过程中可靠运行，在获得良好焊缝成形的同时，避免焊缝根部和内部产生缺陷。
具体实施方式六：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法的步骤二中搅拌头组件1的旋转速度为1000转/分，搅拌头组件1扎入第一被焊工件3与第二被焊工件4的接触面之间的扎入速度为1毫米/分，搅拌头组件1的前行速度为200毫米/分。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法的步骤二中搅拌针1-2的长度h3、第一被焊工件3的厚度h2、上轴肩1-1压入第一被焊工件3和第二被焊工件4的接触面之间的深度h1满足以下关系：h2＝h1+h3，其中h1为0～0.5mm，第一被焊工件3的厚度与第二被焊工件4的厚度相同。其它组成及连接关系与具体实施方式四相同。
本实施方式的技术效果是：可以保证焊缝上、下表面焊缝成形良好，焊缝根部和内部不产生缺陷。

Claims (7)

1.一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置，它包括搅拌头组件(1)和支撑底座(2)，搅拌头组件(1)设置在支撑底座(2)的上方，其特征在于：搅拌头组件(1)包括上轴肩(1-1)、搅拌针(1-2)和下轴肩(1-3)，上轴肩(1-1)、搅拌针(1-2)和下轴肩(1-3)由上至下依次首尾连接制成一体，支撑底座(2)的中部开有凹槽(2-1)，下轴肩(1-3)的下端与支撑底座(2)中部的凹槽(2-1)相对应，上轴肩(1-1)的直径(D0)大于下轴肩(1-3)的直径(D2)大于搅拌针(1-2)的直径(D1)，上轴肩(1-1)的直径(D0)大于凹槽(2-1)的宽度(L)大于下轴肩(1-3)的直径(D2)。
2.根据权利要求1所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：上轴肩(1-1)的直径(D0)是搅拌针(1-2)直径(D1)的3倍～5倍，下轴肩(1-3)的直径(D2)是搅拌针(1-2)直径(D1)的1.5倍～2.5倍，凹槽(2-1)的宽度(L)比下轴肩(1-3)的直径(D2)大1～5毫米。
3.根据权利要求2所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：上轴肩(1-1)的直径(D0)是搅拌针(1-2)直径(D1)的4倍，下轴肩(1-3)的直径(D2)是搅拌针(1-2)直径(D1)的2倍，凹槽(2-1)的宽度(L)比所述下轴肩(1-3)的直径D2大2毫米。
4.一种利用权利要求1所述装置进行搅拌摩擦焊接的方法，其特征在于：所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法的具体步骤如下：
步骤一、用夹具将第一被焊工件(3)和第二被焊工件(4)并排固定在支撑底座(2)的上表面上，使第一被焊工件(3)的一侧与第二被焊工件(4)的一侧接触，第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)的接触面位于凹槽(2-1)中心线的上方；
步骤二、将搅拌头组件(1)移至第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)互相接触的焊接起始位置，使搅拌头组件(1)从第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)接触面的上方扎入第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)的接触面之间，直至上轴肩(1-1)下表面压入第一被焊工件(3)和第二被焊工件(4)的接触面之间的深度达到设定值h1为止；
步骤三、使搅拌头组件(1)沿第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)的接触面的长度方向前行，直至焊接完成。
5.根据权利要求4所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤二中搅拌头组件(1)的旋转速度为500～2000转/分，搅拌头组件(1)扎入第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)的接触面之间的扎入速度为0.5～2毫米/分，搅拌头组件(1)的前行速度为50～1000毫米/分。
6.根据权利要求5所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤二中搅拌头组件(1)的旋转速度为1000转/分，搅拌头组件(1)扎入第一被焊工件(3)与第二被焊工件(4)的接触面之间的扎入速度为1毫米/分，搅拌头组件(1)的前行速度为200毫米/分。
7.根据权利要求4所述一种避免形成根部缺陷的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：步骤二中搅拌针(1-2)的长度h3、第一被焊工件(3)的厚度h2、上轴肩(1-1)压入第一被焊工件(3)和第二被焊工件(4)的接触面之间的深度h1满足以下关系：h2＝h1+h3，其中h1为0～0.5mm，第一被焊工件(3)的厚度与第二被焊工件(4)的厚度相同。
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