一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头制造技术

本发明专利技术公开了一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，包括夹持部(1)和搅拌针(2)，其特征在于，所述搅拌针(2)包括凸出于所述夹持部(1)之外的锥形尖端部(2.1)，所述锥形尖端部(2.1)的外表面包括沿着周向间隔设置的锥面(2.2)和斜平面(2.3)，所述锥面(2.2)上设置有围绕所述锥形尖端部(2.1)的轴线的螺纹；所述夹持部(1)朝向锥形尖端部(2.1)的端面为凹锥面(1.3)。本发明专利技术搅拌头焊接17mm铝合金厚板枕梁时，焊接速度能够达到500mm/min，相较于现有常规搅拌头150‑300mm/min左右的焊接速度，提升一倍有余；同时，焊缝力学性能显著提升。

【技术实现步骤摘要】
一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头
本专利技术涉及一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，尤其适用于轨道交通搅拌摩擦焊产品，如车体枕梁、车钩板等焊接接头厚度超过12mm的部件焊接。
技术介绍
在轨道交通行业，搅拌摩擦焊(以下简称FSW)在焊接接头缺陷率、制造成本、变形控制、工人技能水平及环境温湿度要求等方面均存在较大优势。所以目前在高速铝合金列车的制造中采用FSW技术，已成为主流趋势。随着技术的不断发展，摩擦焊工艺已广泛应用于列车侧墙板、空调板、长地板等薄板部件的焊接。对于车钩板、枕梁等厚板车体部件的焊接，摩擦焊技术的应用并不普及，这些厚板部件往往是车体的重要受力部件，对结构安全性有着更高的要求。与薄板FSW不同的是，相较于传统熔化焊接，厚板FSW虽然在疲劳性能、抗冲击性能、焊后变形控制等方面仍存在较大优势，但焊缝力学性能以及焊接效率还是出现了显著下降。焊缝力学性能及焊接速度成为制约厚板FSW推广应用的最主要问题。搅拌头是搅拌摩擦焊接设备最重要组成部分之一，是搅拌摩擦焊接技术的核心。它与被焊工件相互作用，实现焊接材料的连接，是决定焊接质量及焊接速度的最核心部件。目前，搅拌摩擦焊工艺采用搅拌头通常采用工具钢整体加工而成，其包括搅拌针段和夹持段，搅拌针段位于搅拌头的顶部。这种搅拌针的长度固定，但随着搅拌摩擦焊焊缝的焊接，搅拌针部位会存在着一定程度的磨损，继续使用将造成母材搅拌不充分，导致焊接缺陷。一般在搅拌头焊接量达到1000m长时就将报废，报废的搅拌头只能回炉，造成了大量的资源浪费。厚板搅拌摩擦焊技术相较于薄板焊接更为复杂，通过相关的试验验证，铝合金厚板FSW接头抗冲击性能、疲劳强度、焊接效率、焊后变形等均优于传统MIG焊接，但厚板FSW静强度力学性没有像薄板FSW接头一样高出MIG接头强度10％左右，而是与MIG焊接接头相当或略低。这成为铝合金厚板摩擦焊全面推广应用的最大难点；此外，相较于传统MIG焊接，搅拌摩擦焊对工装夹持的依赖性大，焊前工装调整时间长，当焊接速度不存在较大优势，现有传统厚板摩擦焊焊接速度为100mm/min-300mm/min左右，生产效率是制约厚板摩擦焊发展的重要项点。再者，适用于厚板FSW的搅拌头寿命大多仅有500-1000m，使用成本不低。现有的搅拌针一般为锥形，并且在锥面上设置有螺纹，这样可以加大搅拌时金属的流动；另外，还有在螺纹锥面上设置沟槽的设计，螺纹和沟槽可以极大促进金属的流动，对于薄板FSW焊速而言，优势明显，具有焊接快，发热小，更快的金属流动对提升焊接速度和力学性能都有较好影响。对于厚板FSW而言，同时受搅拌作用的材料更多，焊速较慢，发热量大，若材料流动过快则容易造成焊缝区域受热过多，力学性能显著下降。本专利技术旨在通过搅拌头的优化设计及配套的焊接工艺开发，增加搅拌头使用寿命，加快厚板搅拌摩擦焊的焊接速度，提升焊缝接头力学性能，解决制约厚板摩擦焊技术推广应用的最主要问题。
技术实现思路
为了提升焊接速度与焊缝力学性能，提高焊接质量，本专利技术提供一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，具体技术方案如下。一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，包括夹持部和搅拌针，其特征在于，所述搅拌针包括凸出于所述夹持部之外的锥形尖端部，所述锥形尖端部的外表面包括沿着周向间隔设置的锥面和斜平面，所述锥面上设置有围绕所述锥形尖端部的轴线的螺纹；所述夹持部朝向锥形尖端部的端面为凹锥面。采用上述技术方案，通过独特的锥形尖端部设计，将厚板搅拌摩擦焊接时金属流动速度控制在合理的范围内，防止发热量过大，有利于提高焊缝质量；同时，有机地结合夹持部凹型端面的设计，焊接金属可以在凹型端面内进行挤压，使得搅拌头的锻造和巩固作用得到加强，有利于焊缝焊接强度提升。进一步地，所述凹锥面与所述锥形尖端部的轴线夹角为81°-83°。进一步地，所述锥形尖端部的二分之一锥角设置为8°-10°。搅拌针锥角角度增加则顶部刚度减小，顶部搅拌效果差，容易形成未融合等缺陷，锥角角度减小则焊接阻力增大，焊接速度和焊接强度都会降低。进一步地，所述锥形尖端部的外表面包括间隔设置的三个锥面和三个斜平面。进一步地，所述搅拌针采用MP159钴基高温合金。MP159钴基高温合金具有超高强度、良好的塑韧性和高的应力腐蚀抗力等综合性能，并且在650℃的高温下仍能保持其高强度的特性该材料具有超高强度、良好的塑韧性和高的应力腐蚀抗力等综合性能。夹持部采用H14工具钢。夹持部由于几乎不参与搅拌焊接过程，采用H14工具钢，可有效降低成本，提升性价比。进一步地，所述夹持部为圆筒结构，其包括中心通孔和侧向螺孔，所述中心通孔沿着所述夹持部轴向延伸，所述侧向螺孔的轴向垂直于所述中心通孔的轴向；所述搅拌针的一部分位于所述中心通孔中，所述侧向螺孔中的第一紧固件顶紧所述搅拌针将所述搅拌针的一部分固定在所述中心通孔中；所述中心通孔远离所述搅拌针的一端为内螺纹孔，所述内螺纹孔中设置有第二紧固件，所述第二紧固件直接或间接顶紧所述搅拌针的端部。通过将夹持部和搅拌针可拆卸设置，有利于调节搅拌针的针长，当搅拌针磨损时，可以将搅拌针抽出部分，紧固后继续使用。搅拌针报废后，更换搅拌针即可，无须更换整个搅拌头。进一步地，所述搅拌针朝向所述第一紧固件的面为平面。这样有利于防止搅拌针相对于所述夹持部发生转动。本专利技术搅拌头焊接17mm铝合金厚板枕梁时，焊接速度能够达到500mm/min，相较于现有常规搅拌头150-300mm/min左右的焊接速度，提升一倍有余。传统厚板摩擦焊能达到的抗拉强度基本为母材最低抗拉强度的70％左右；搅拌头采用本专利技术设计后，厚板摩擦焊焊缝抗拉强度达到220Mpa以上，已达到ISO25239标准要求中，17mm的6005A-T6铝合金母材最低抗拉强度要求(250Mpa)的88％，焊缝力学性能显著提升。此外，搅拌针可拆卸方式极大地降低了生产和维护成本，提高了搅拌头的使用寿命，且结构简单，针长覆盖13.1mm-19.1mm，可适用多种板厚的摩擦焊接，通用性高。附图说明图1是本专利技术的搅拌头的正视图；图2是本专利技术的搅拌头的侧视图；图3是本专利技术的搅拌头的剖视图；图4是搅拌针的示意图；图5是夹持部的剖视图；图6是夹持部的横截面示意图；图7图5中的B区域的放大图；图8是采用本专利技术的搅拌头焊接13mm厚铝合金板的焊缝金相组织图；图9是采用本专利技术的搅拌头焊接17mm厚铝合金板的焊缝金相组织图；图10是三种不同形式的搅拌针的实物图；图11是夹持部端面为平面的搅拌头焊接铝合金后的焊缝实物图；图12是夹持部端面为凹锥面的搅拌头焊接铝合金后的焊缝实物图。图中：夹持部1、中心通孔1.1、内螺纹孔1.11、侧向螺孔1.2、凹锥面1.3、搅拌针2、锥形尖端部2.1、锥面2.2、斜平面2.3、第一紧固件3、第二紧固件4、顶杆5。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，包括夹持部(1)和搅拌针(2)，其特征在于，所述搅拌针(2)包括凸出于所述夹持部(1)之外的锥形尖端部(2.1)，所述锥形尖端部(2.1)的外表面包括沿着周向间隔设置的锥面(2.2)和斜平面(2.3)，所述锥面(2.2)上设置有围绕所述锥形尖端部(2.1)的轴线的螺纹；所述夹持部(1)朝向锥形尖端部(2.1)的端面为凹锥面(1.3)。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，包括夹持部(1)和搅拌针(2)，其特征在于，所述搅拌针(2)包括凸出于所述夹持部(1)之外的锥形尖端部(2.1)，所述锥形尖端部(2.1)的外表面包括沿着周向间隔设置的锥面(2.2)和斜平面(2.3)，所述锥面(2.2)上设置有围绕所述锥形尖端部(2.1)的轴线的螺纹；所述夹持部(1)朝向锥形尖端部(2.1)的端面为凹锥面(1.3)。


2.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述凹锥面(1.3)与所述锥形尖端部(2.1)的轴线夹角为81°-83°。


3.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述锥形尖端部(2.1)的二分之一锥角设置为8°-10°。


4.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，其特征在于，所述锥形尖端部(2.1)的外表面包括间隔设置的三个锥面(2.2)和三个斜平面(2.3)。


5.根据权利要求1所述的一种用于搅拌摩擦焊接的搅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟腾逸，吴坚定，侍光磊，胡丰，吴志明，
申请(专利权)人：中车株洲电力机车有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南;43