搅拌摩擦焊搅拌头组件及搅拌摩擦焊方法技术

本发明专利技术提供了搅拌摩擦焊搅拌头组件以及能够在焊缝区域保留轧制镁合金薄板织构状态的搅拌摩擦焊方法，包括可旋转的外轴肩、内轴肩；内轴肩的第一工作面设置有第一螺旋槽，外轴肩的第二工作面设置有第二螺旋槽，第一工作面相对于第二工作面向下凸出，在工作状态下，由第二工作面、内轴肩外侧壁和工件表面共同围合成临时储存热塑性金属的空间。搅拌摩擦焊方法步骤包括：焊接过程中，确保内轴肩的第一工作面位于镁合金薄板内部，外轴肩的第二工作面外缘与镁合金薄板表面贴合，并控制所述搅拌头组件按照预设速度旋转、前移，同时对焊缝进行冷却。本发明专利技术能够尽可能避免热塑性金属织构状态发生改变，所得焊缝无任何减薄区域。所得焊缝无任何减薄区域。所得焊缝无任何减薄区域。

【技术实现步骤摘要】
搅拌摩擦焊搅拌头组件及搅拌摩擦焊方法


[0001]本专利技术属于镁合金材料的搅拌摩擦焊
，具体涉及一种搅拌摩擦焊搅拌头组件，以及能够在焊缝区域保留轧制镁合金薄板织构状态的搅拌摩擦焊方法。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦焊(Friction stir welding，简称FSW)是由英国焊接研究所TWI于1991年开发的一种固相连接方法，该技术相较于传统熔化焊可有效避免合金元素烧损、蒸发、气孔以及热裂纹等缺陷，在镁合金的焊接中具有明显的优势。但是，传统搅拌摩擦焊工具中由于搅拌针的存在，会使焊缝区域晶粒组织发生明显细化的同时导致整个焊缝织构状态也发生明显改变，特别是存在晶粒基面环绕搅拌针侧表面分布的问题，这种改变后的织构状态使得拉伸过程中接头（焊缝）各区变形不协调、产生应变集中，进而使得镁合金FSW接头力学性能降低。因此，开发一种能够尽可能在焊缝区域保留轧制镁合金薄板织构状态的搅拌摩擦焊方法，对促进镁合金薄板搅拌摩擦焊结构的工程应用具有重要意义。
[0003]采用传统搅拌摩擦焊对镁合金薄板进行焊接时，还需将搅拌摩擦焊工具的轴肩设定合适的扎入深度以保证对焊缝金属的顶锻作用，但这同时会造成焊缝减薄。而对镁合金薄板（厚度不超过2.5mm的镁合金薄板）焊接时，焊接部位厚度减小（减薄）会使得接头的承载能力受到严重损害，这也会对薄板镁合金搅拌摩擦焊结构在工程中的应用产生极大限制。
[0004]在现有技术中：文献CN114951956A提供的消除搅拌摩擦焊表面减薄量的方法，其采用搅拌摩擦焊和激光熔覆相结合的方式，控制激光熔覆装置在搅拌头后方同步移动，在对板材进行搅拌摩擦焊后将与板材成分相同的粉末通过激光熔覆的方法再次覆盖到搅拌摩擦焊缝上，从而消除搅拌摩擦焊缝的表层减薄，但是该方法工艺复杂、成本较高，且激光二次加热会损害焊缝力学性能，尤其针对镁合金会产生烧损、气孔等缺陷；文献CN109967855B提供的抑制焊缝减薄并增厚焊缝的搅拌摩擦焊方法，其采用常规搅拌摩擦焊与消耗式搅拌摩擦焊相结合的方法，在对待焊材料进行常规搅拌摩擦焊后，在利用消耗式搅拌头对焊缝进行二次搅拌摩擦堆焊，从而达到抑制焊缝减薄的效果，但该方法同样工艺流程复杂、无法实现一次无减薄焊接成形，且堆焊层与原焊缝的结合界面往往会成为薄弱区在拉伸过程中发生断裂，在应用于镁合金焊接时，由于搅拌针的存在依然会破坏板材原有织构状态，同样会对焊缝力学性能产生损害；文献CN110773861B提供的无减薄搅拌摩擦焊具及焊接方法，其利用一种专用的搅拌摩擦焊具实现无减薄焊缝的效果，虽然简化了工艺流程，节约了工艺成本，但将其应用于镁合金焊接时，仍不能解决镁合金搅拌摩擦焊接时搅拌针对织构状态的改变行为，依然会导致焊接接头力学性能较差。

技术实现思路

[0005]针对
技术介绍
中存在的一个或多个技术问题，本专利技术目的在于提供一种搅拌摩擦焊搅拌头组件，以及能够尽可能在焊缝区域保留轧制镁合金薄板织构状态的搅拌摩擦焊方
法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用如下所述技术方案。
[0007]一种搅拌摩擦焊搅拌头组件，包括可旋转的外轴肩，外轴肩上轴向设置有通孔，在通孔内配合有内轴肩，在工作状态下的外轴肩与内轴肩无相对运动；在内轴肩的第一工作面（摩擦面）设置有径向布置的第一螺旋槽，第一螺旋槽外端延伸至内轴肩侧壁；在外轴肩的第二工作面设置有径向布置的第二螺旋槽，第二螺旋槽外端位于第二工作面外轮廓内侧，第二螺旋槽内端延伸至通孔侧壁；第一工作面相对于第二工作面向下凸出。
[0008]进一步地方案，所述的第一工作面与第二工作面的高差可调节。
[0009]本专利技术中，所述的外轴肩的第二工作面向内凹，第二工作面外缘用于贴合工件表面，在工作状态下，由第二工作面、内轴肩外侧壁和工件表面共同围合成临时储存热塑性金属的空间。；焊接过程中，随着搅拌头组件的旋转前移，该空间内临时储存的热塑性金属会重新填充在内轴肩的工作面下方，并使焊缝表面与焊接板材（镁合金薄板）表面齐平。作为更优选方案，第二工作面的内凹区与水平面的夹角为10
‑
15
°
。
[0010]作为优选方案，所述的内轴肩与外轴肩的配合方式为螺纹配合，并采用锁紧盖将内轴肩与外轴肩锁固在一起。
[0011]作为优选方案，所述的锁紧盖下端中部设置有矩形凹部，在矩形凹部外围设置有至少两个多边形凸部，矩形凹部用于配合内轴肩顶部的方形部，多边形凸部用于配合外轴肩顶部的凹槽。
[0012]一种采用前述搅拌头组件的在焊缝区域保留轧制镁合金薄板织构状态的搅拌摩擦焊方法，步骤包括：步骤1，镁合金薄板表面去氧化膜，并清洁；步骤2，固定待焊接的镁合金薄板，安装所述搅拌头组件；步骤3，在搅拌摩擦焊工具后侧放置冷却装置；步骤4，启动搅拌摩擦焊工具并进行焊接，焊接过程中，确保内轴肩的第一工作面位于镁合金薄板内部，外轴肩的第二工作面外缘与镁合金薄板表面贴合，并控制所述搅拌头组件按照预设速度旋转、前移，同时对焊缝进行冷却；步骤5，焊接结束后，关闭搅拌摩擦焊工具和冷却装置，将镁合金薄板放置于空气中冷却至室温。
[0013]作为优选方案，所述的镁合金薄板厚度为1
‑
2.5mm；
[0014]作为优选方案，步骤4中，所述搅拌头组件的旋转速度为600
‑
1200rpm，前进速度为50
‑
200mm/min；冷却温度为
‑
50℃
‑
0℃。
[0015]作为优选方案，所述的第一螺旋槽、第二螺旋槽的槽深均为0.1
‑
0.5mm、槽宽均为0.2
‑
0.8mm。
[0016]作为优选方案，步骤4中，所述的第一工作面与第二工作面的高差始终控制为0.1
‑
0.3mm之间的任意值。
[0017]有益效果：1、焊接过程中，内轴肩压入镁合金薄板表层，配合其工作面的第一螺旋槽结构尽可能使热塑性材料充分流动，外轴肩的第二工作面的外缘与镁合金薄板表面刚好贴合，受到内轴肩顶锻挤压作用而外溢的热塑性金属临时储存在内凹区下方，并在外轴肩的顶锻挤
压作用下二次成形，从而消除了焊缝材料的外溢流失，形成与母材等厚的搅拌摩擦焊缝；2、本专利技术采用了无搅拌针的搅拌头组件，焊接时热塑性金属不再受侧向挤压作用，完全不存在晶粒基面环绕搅拌针侧表面分布的情况，焊接过程中热塑性金属主要受轴肩的顶锻及剪切作用驱动产生变形并形成冶金结合，焊接过程中镁合金薄板受力状态类似于薄板的轧制过程，最大主应力方向近似垂直于镁合金薄板表面（与薄板轧制过程中趋近一致），尽可能避免热塑性金属织构状态发生改变，特别是能够避免第一工作面所处位置下方的区域以及第二工作面所处位置下方的镁合金薄板织构状态发生改变，能够尽可能在焊缝区域保留轧制镁合金薄板原有织构状态，从而提升接头的力学性能；3、本专利技术中，内轴肩和外轴肩通过螺纹配合，并在锁紧盖的约束下实现同步旋转，可通过控制内轴肩沿螺纹方向的旋入深度来调节内轴肩相对外本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦焊搅拌头组件，其特征在于：包括可旋转的外轴肩(2)，外轴肩(2)上轴向设置有通孔，在通孔内配合有内轴肩(3)，在工作状态下的外轴肩(2)与内轴肩(3)无相对运动；在内轴肩(3)的第一工作面设置有径向布置的第一螺旋槽(31)，第一螺旋槽(31)外端延伸至内轴肩(3)侧壁；在外轴肩(2)的第二工作面设置有径向布置的第二螺旋槽(24)，第二螺旋槽(24)外端位于第二工作面外轮廓内侧，第二螺旋槽(24)内端延伸至通孔侧壁；第一工作面相对于第二工作面向下凸出。2.根据权利要求1所述的搅拌头组件，其特征在于：所述的第一工作面与第二工作面的高差可调节。3.根据权利要求2所述的搅拌头组件，其特征在于：所述的外轴肩(2)的第二工作面向内凹，第二工作面外缘用于贴合工件表面，由第二工作面、内轴肩(3)外侧壁和工件表面共同围合成临时储存热塑性金属的空间。4.根据权利要求3所述的搅拌头组件，其特征在于：所述的内轴肩(3)与外轴肩(2)的配合方式为螺纹配合，并采用锁紧盖(4)将内轴肩(3)与外轴肩(2)锁固在一起；第二工作面的内凹区(6)与水平面的夹角为10
‑
15
°
。5.根据权利要求4所述的搅拌头组件，其特征在于：所述的锁紧盖(4)下端中部设置有矩形凹部(42)，在矩形凹部(42)外围设置有至少两个多边形凸部(41)，矩形凹部(42)用于配合内轴肩(3)顶部的方形部(33)，多边形凸部(41)用于配合外轴肩(2)顶部的凹槽(22)。6.一种采用权利要求1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周利，李高辉，高士康，孙广达，宋晓国，赵耀邦，
申请(专利权)人：上海航天精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：