一种多级轴肩复合搅拌摩擦焊具及复合板材通道成形方法技术

本发明专利技术提供了多级轴肩复合搅拌摩擦焊具及复合板材通道成形方法。夹持部下端连接一级轴肩，一级轴肩下端连接搅拌针组件，搅拌针组件的中间凸起部下部表面作为二级轴肩，中间凸起部的外轮廓呈球面结构，中间凸起部上半段外壁和上搅拌针外壁均设置有右旋螺纹，中间凸起部下半段外壁为光壁结构。成形方法步骤包括：控制多级轴肩复合搅拌摩擦焊具旋转并下压，直到下搅拌针下端扎入到板材一内部指定深度，使下搅拌针的中心高于板材一与板材二的结合面，下搅拌针下端低于板材一与板材二的结合面，一级轴肩贴靠在板材一上表面。本发明专利技术能够顺利在复合板材上加工出近似圆形的通道，可实现不同厚度板材、不同位置通道的复合搅拌摩擦通道成形及焊接连接。形及焊接连接。形及焊接连接。

【技术实现步骤摘要】
一种多级轴肩复合搅拌摩擦焊具及复合板材通道成形方法


[0001]本专利技术属于搅拌摩擦加工
，具体涉及一种多级轴肩复合搅拌摩擦焊具及复合板材通道成形方法。

技术介绍

[0002]搅拌摩擦通道/孔道成形技术(简称FSC)是基于搅拌摩擦焊(简称FSW)发展衍生出的一种在板材内部加工连续封闭通道的技术。在搅拌摩擦通道/孔道成形过程中，当工艺参数选择不当时容易在板材内部产生孔洞缺陷，当孔洞缺陷沿着焊缝方向连续分布时便在板材内部形成通道缺陷。该技术在结构内部减重、内部布线孔道及内部液冷流道的快速成形等方面有广泛应用前景。
[0003]但是，目前的FSC只适用于在单一板材(如铝板)中加工通道，实际应用时，还需通过在纯铝冷却板涂导热硅脂加螺纹紧固等方式与待冷却铜组件贴合，而这将会增加纯铝水冷板与待冷却铜组件之间的接触热阻，不利于热量传导。如若通过将铝、铜合金焊接之后再在进行FSC加工处理，则存在工艺流程复杂，成本较高等问题。因此，针对由相似或不同材料制成的多板材复合结构，如由铝铜异材组成的筋板结构等复杂水冷板，常规FSC技术将不再适用。
[0004]现有技术中，文献CN213646302 U公开了一种同时实现搭接与搅拌摩擦隧道成形的焊具，该焊具包括搅拌针、静止轴肩、等直接螺纹和排料口，通过螺纹的配合驱动材料转移。然而，该方案存在材料流动能力较弱，通道形状不规则的问题，且无法实现在复合板材贴合界面处的通道成形。CN111230188A公开了一种用于搅拌摩擦制造的搅拌头，该搅拌头包括上安装体和下搅拌体，上安装体和下搅拌体为一体成型结构，上安装体为圆柱体，圆柱面上设有夹持安装面，下搅拌体包括轴肩和搅拌针，轴肩的上、下端面分别与上安装体的下端面和搅拌针的上端面连接。然而，采用该方案制备的水冷通道依然存在形状不规则的问题。
[0005]更关键的是，采用现有的搅拌摩擦焊具和加工方法都只能在板材上加工出矩形或者非规则扁孔通道，而这些矩形或者非规则扁孔通道并不利于介质流通。理想状态下，应当在板材上加工出圆形、椭圆形或者近似圆形通道。然而，当前并没有能够在板材上加工出圆形、椭圆形或者近似圆形通道的技术，更无法在复合板材上制备出既能够加强通道/孔道换热能力又确保流体顺利流动的通道/孔道。

技术实现思路

[0006]至少为了解决
技术介绍
中提到的技术问题，本专利技术目的在于提供一种多级轴肩复合搅拌摩擦焊具及复合板材通道成形方法。
[0007]本专利技术采用了如下技术方案。
[0008]一种多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，包括夹持部，夹持部下端连接有一级轴肩，一级轴肩下端连接有搅拌针组件，搅拌针组件包括一体成型的上搅拌针、中间凸起部和下搅拌
针，中间凸起部下部表面作为二级轴肩，中间凸起部的外轮廓呈球面结构；中间凸起部上半段外壁和上搅拌针外壁均设置有右旋螺纹，中间凸起部下半段外壁为光壁结构。
[0009]本专利技术中，采用中间凸起部的下半段外壁作为二级轴肩。采用这样的结构，能够借助于中间凸起部的下半段外壁对通道内壁进行整形，并充分挤压搅拌摩擦焊缝组织使其更为密实。
[0010]为了降低加工过程中上搅拌针所受的阻力，上搅拌针呈三铣平面的圆柱形结构。
[0011]为了方便通道所在区域的材料外移，一级轴肩下端面为内凹结构，内凹结构的内凹角为5～15
°
，一级轴肩下端面设有涡状槽，槽深0.1～0.5mm，槽宽0.4～1.0mm。
[0012]下搅拌针外侧壁设置有螺旋槽，且下搅拌针底壁径向布置有多个凹槽。采用这样地结构，一方面可以增强两个板材接触界面之间的材料混合，另一方面可以更大程度地把板材表面的氧化膜破碎、均匀分布(部分材料的氧化膜是打磨不完的，比如镁合金，打磨后在空气中会立刻再次生成氧化膜)，有利于增强两块板材之间的结合强度
[0013]为了进一步使得加工出的通道更为规整，上搅拌针与中间凸起部的过渡部位呈圆弧过渡结构。
[0014]进一步地，中间凸起部与下搅拌针的分界部位设置有环形凸沿。采用这样地结构，配合中间凸起部上半段外壁的右旋螺纹，能够使得加工的通道内壁上半部分形成连续、规整布置的棱，使得通道具有更好的换热强化性能。
[0015]一种采用前述多级轴肩复合搅拌摩擦焊具的复合板材通道成形方法之一，步骤包括：步骤1，对板材一和板材二表面进行清理，板材二上表面沿着通道长度方向设置有条形槽；步骤2，将板材二放置在板材一上并借助于夹具对板材进行定位；将多级轴肩复合搅拌摩擦焊具装配在搅拌摩擦焊机上；步骤3，启动搅拌摩擦焊机，控制多级轴肩复合搅拌摩擦焊具旋转并下压，直到下搅拌针下端扎入到板材一内部的指定深度，使下搅拌针的中心高于板材一与板材二的结合面，下搅拌针下端低于板材一与板材二的结合面，一级轴肩贴靠在板材一上表面；步骤4，控制多级轴肩复合搅拌摩擦焊具按照设定路径和参数前移，此过程中，同步实现搅拌摩擦焊接与通道成形；步骤5，加工完成后撤离多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，然后关闭搅拌摩擦焊设备，并将加工后的复合板材放置于空气中冷却至室温。
[0016]一种采用前述多级轴肩复合搅拌摩擦焊具的复合板材通道成形方法之二，步骤包括：步骤11，对板材一、板材二和板材三表面进行清理，板材三上表面沿着通道长度方向设置有条形槽；步骤12，将板材三放置在板材二上，板材二放置在板材一上，并借助于夹具对板材进行定位；将多级轴肩复合搅拌摩擦焊具装配在搅拌摩擦焊机上；步骤13，启动搅拌摩擦焊机，控制多级轴肩复合搅拌摩擦焊具旋转并下压，直到下搅拌针下端扎入到板材一内部的指定深度，使下搅拌针的中心高于板材一与板材二的结合面，下搅拌针下端低于板材一与板材二的结合面，中间凸起部位于板材二内部，上搅拌针下
端位于板材二内部，一级轴肩贴靠在板材一上表面；步骤14，控制多级轴肩复合搅拌摩擦焊具按照设定路径和参数前移，此过程中，同步实现搅拌摩擦焊接与通道成形；步骤15，加工完成后撤离多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，然后关闭搅拌摩擦焊设备，并将加工后的复合板材放置于空气中冷却至室温。
[0017]采用本专利技术的方案，能够顺利地在复合板材上加工出近似圆形的通道，所制得的通道内壁上半部分形成连续、规整布置的棱，通道内壁下半部分为光壁结构，这种特定的通道相比于常规的矩形通道具有更优异的换热强化性能。
[0018]采用本专利技术特定结构的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，有利于中间凸起部所在区域的材料顺利流动，能够防止材料积聚在通道侧壁部位。
[0019]本专利技术提供的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具主要分为两部分，加工过程中：下搅拌针对多块板材接触界区域进行搅拌摩擦焊接，实现多块板材之间的良好冶金结合，形成焊缝；上搅拌针和中间凸起部共同实现对板材内部材料向上表面凹槽的转移，使得板材内部形成稳定的连续通道，最终实现在多金属板材焊接过程中同步产生内部封闭通道，整个加工工艺流程简单，效率高，加工周期短；
[0020]本专利技术中，二级轴肩直径明显大于其上方的一级搅拌针外径，在加工过程中，二级轴肩水平方向上的塑化材料会在二级轴肩的挤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，包括夹持部（51），夹持部（51）下端连接有一级轴肩（52），一级轴肩（52）下端连接有搅拌针组件，其特征在于：搅拌针组件包括一体成型的上搅拌针（55）、中间凸起部（58）和下搅拌针（56），中间凸起部（58）下部表面作为二级轴肩，中间凸起部（58）的外轮廓呈球面结构；中间凸起部（58）上半段外壁和上搅拌针（55）外壁均设置有右旋螺纹（59），中间凸起部（58）下半段外壁为光壁结构。2.根据权利要求1所述的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，其特征在于：采用中间凸起部（58）的下半段外壁作为二级轴肩。3.根据权利要求2所述的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，其特征在于：上搅拌针（55）呈三铣平面的圆柱形结构。4.根据权利要求1
‑
3任一项所述的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，其特征在于：一级轴肩（52）下端面为内凹结构，内凹结构的内凹角为5~10
°
，一级轴肩（52）下端面设有涡状槽（53），槽深0.1~0.5mm，槽宽0.4~1.0mm。5.根据权利要求4所述的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，其特征在于：下搅拌针（56）外侧壁设置有螺旋槽，且下搅拌针（56）底壁径向布置有多个凹槽（50）。6.根据权利要求5所述的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，其特征在于：上搅拌针（55）与中间凸起部（58）的过渡部位呈圆弧过渡结构。7.根据权利要求6所述的多级轴肩复合搅拌摩擦焊具，其特征在于：中间凸起部（58）与下搅拌针（56）的分界部位设置有环形凸沿。8.一种采用权利要求1
‑
7任一项所述多级轴肩复合搅拌摩擦焊具的复合板材通道成形方法，其特征在于，步骤包括：步骤1，对板材一（1）和板材二（2）表面进行清理，板材二（2）上表面沿着通道长度方向设置有条形槽；步骤2，将板材二（2）放置在板材一（1）上并借助于夹具对...

【专利技术属性】
技术研发人员：周利，高士康，刘新洋，孙广达，李高辉，马领航，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：