铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种搅拌摩擦焊接用器具，尤其涉及一种适合于２５ｍｍ及以上的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头。铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，包括夹持部、轴肩和搅拌针，所述的轴肩与搅拌针连接处形成的轴肩端面向内倾斜角度ａ＝１０°～２０°，搅拌针呈圆锥形，表面设有锥螺纹。本实用新型专利技术的有益效果在于：１、能对２５ｍｍ及以上的铝合金板进行焊接，且焊缝组织中无气孔。２、焊接变形小，焊缝成形美观。３、操作环境友好。４、接头耐冲击、耐疲劳。５、焊接残余应力低。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种搅拌摩擦焊接用器具，尤其涉及一种适合于25mm及以上的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头。
技术介绍
搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所(TWI)于1991年专利技术，它是一种绿色的固相连接技术，与传统的熔焊相比，具有焊接变形小，无污染，且焊缝不会出现裂纹、咬边等熔焊常见的缺陷，特别适合铝合金的焊接。由于该技术的优越性，搅拌摩擦焊已经成功的应用于航天、航空、船舶等行业。虽然搅拌摩擦焊接技术取得了飞跃的发展，但被焊产品的厚度一般不超过25mm；虽然采用熔化极氩弧焊接(MIG)可以焊接25mm以上的铝合金，但焊缝组织中会出现气孔，焊缝也很难达到相关的检测标准；此外，熔化极氩弧焊的热输入量大，焊接变形较难控制。因此，对于厚度超过25mm铝合金采用搅拌摩擦焊是一种较佳的焊接方式。而在搅拌摩擦焊接中，搅拌头的设计是非常关键的，其大小与形状决定了加热、塑性流动和塑化材料被顶锻的模式，同时还决定了焊缝的尺寸、焊接速度和工具的强度；搅拌头材料决定了摩擦生热率、搅拌针的强度和焊接温度，而焊接温度则最终决定了何种材料能够进行搅拌摩擦焊接。搅拌头材料、搅拌头轴肩和搅拌针的型体是搅拌头优劣的3个主要决定性因素，关系到连接接头的性能与生产成本和效率。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种适合于25mm以上铝合金焊接，且焊缝组织中无气孔、焊接试件变形小的摩擦焊接用搅拌头。本技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案是：一种铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，包括夹持部、轴肩和搅拌针，所述的轴肩与搅拌针连接处形成的轴肩端面向内倾斜角度a＝10°～20°，搅拌针呈圆锥形，表面设有锥螺纹。按上述方案，所述的轴肩前端直径为Φ36mm～Φ38mm，所述的搅拌针根部的直径为Φ16mm～Φ18mm，按上述方案，所述的搅拌针的半锥角b＝8°～10°，锥螺纹为右旋螺纹，锥螺纹的规格为M16×2或M18×2。按上述方案，所述的搅拌针的前端端头设置为球面。按上述方案，所述的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头材料为H13热作模具钢。按上述方案，所述的轴肩呈锥形。按上述方案，所述的轴肩的边缘倒圆R为0.5～1毫米。按上述方案，所述的轴肩与搅拌针根部采用圆角过渡。按上述方案，所述的搅拌针长度尺寸为24.5±0.1mm。按上述方案，所述的夹持部包括装配部和拆卸部；装配部为在一侧铣一平台圆柱形；拆卸部为对称两侧铣扁的凸起圆台。-->搅拌头材料选择H13热作模具钢(4Cr5MoSiV1)。H13热作模具钢具有中等的含铬量和形成碳化物的合金元素，如钨、钼和钒，具有良好的抗高温软化性能。由于含碳量比较低而且总合金含量也比较低，通常在HRC40～HRC55工作硬度下具有良好的韧性，钒可以提高在高温下的抗侵蚀性，硅元素可以改进在高温800℃以下的抗氧化性能，该材料淬火后硬度可以达到HRC48～51，所以非常适合用作搅拌头的材料。搅拌头固定部件包括装配部件和拆卸部件。装配部件设计为在搅拌头左侧的圆柱形上铣一平台；拆卸部件为装配部件右侧的凸起圆台，圆台对称两侧铣扁，以便于搅拌头的装配与拆卸。轴肩边缘倒圆有助于抑制焊缝表面过深的弧形纹；轴肩内型面倾斜便于包络焊缝周围的塑性金属向焊缝中心聚集。搅拌针根部与轴肩过渡为R3，可以避免搅拌针根部的应力集中而发生折断；搅拌针表面螺纹有利于搅拌针旋转时促进焊缝塑性金属在厚度方向上的流动，从而形成良好的焊缝；搅拌针的长度一般比板厚短0.5±0.1mm。本技术的有益效果在于：1、能对25mm及以上的铝合金板进行焊接，且焊缝组织中无气孔。2、焊接变形小，焊缝成形美观。3、操作环境友好。4、接头耐冲击、耐疲劳。5、焊接残余应力低。附图说明图1本技术铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头结构的主视图；图2本技术铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头结构的左视图；图3本技术铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头结构中搅拌针部位的结构图；图4采用规格1铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接的焊缝宏观金相图；图5采用规格1铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接的焊缝中热机影响区的金相图；图6采用规格2铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接的焊缝宏观金相图；图7采用规格2铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接的焊缝中热机影响区的金相图；图8采用熔化极氩弧焊接的试板厚度为25mm的焊缝宏观形貌图。具体实施方式下面结合附图进一步说明本技术的实施例。参见图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7，铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，由H13热作模具钢材料制成，包括有装配部1和拆卸部2、轴肩3和搅拌针4。装配部件1为在一侧铣一平台圆柱形；拆卸部件2为对称两侧铣扁的凸起圆台。搅拌针呈圆锥形，表面设有锥螺纹，锥螺纹为右旋螺纹，所述的搅拌针的前端端头设置为球面。轴肩呈锥形，轴肩与搅拌针根部采用圆角过渡。选用25mm厚的5A06-H112铝合金作为被焊试板，选用两种规格的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头对试板进行搅拌摩擦焊。规格1铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头的轴肩3直径为Φ36mm，轴肩3边缘倒圆R0.5，轴肩3与搅拌针4连接处形成的轴肩3内型面向内倾斜a＝15°，搅拌针4根部直径为Φ16mm，半锥角b＝8°，搅拌针4表面刻有M16×2右旋螺纹，搅拌针4长度尺寸为24.4mm；规格2铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头的轴肩3直径为Φ38mm，-->轴肩3边缘倒圆R为1mm，轴肩3内型面倾斜a＝18°，搅拌针4根部直径为Φ18mm，半锥角b＝10°，搅拌针4表面刻有M18×2右旋螺纹，搅拌针4长度尺寸为24.6mm。(1)采用规格1铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接的试验结果：先将规格1铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头固定在搅拌摩擦焊设备的主轴上，并带紧，然后将搅拌摩擦焊设备的主轴向焊接方向倾斜2.5°，选用旋转速度为280rpm，焊接速度为60mm/min的焊接参数进行焊接。焊缝经X射线检测，未发现超标缺陷，满足熔焊QJ2698-95I级焊缝标准。焊缝的抗拉强度为355MPa，屈服强度为180MPa，延伸率为17％，根据航空航天用铝合金厚板规范(GJB2662-96)防锈铝5A06-H112供货规定，其拉伸强度≥305MPa，抗拉强度≥147MPa，延伸率≥11，由上述检测结果分析可知，搅拌摩擦焊缝隙的机械性能相对于母材而言强度较高。焊缝经金相检测发现：焊核晶粒细小，焊核与母材的过渡区(热机影响区)晶粒被拉长，但晶粒相对母材细小。(2)采用规格2铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接的试验结果：先将规格2铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头固定在搅拌摩擦焊设备的主轴上，并带紧，然后将搅拌摩擦焊设备的主轴向焊接方向倾斜2.5°，选用旋转速度为280rpm，焊接速度为60mm/min的焊接参数进行焊接。焊缝经X射线检测，未发现超标缺陷，满足熔焊QJ2698-95I级焊缝标准。焊缝的抗拉强度为360MPa，屈服强度为185MPa，延伸率为19％。焊缝经金相检测发现：焊核晶粒细小，焊核与母材的过渡区(热机影响区)晶粒被拉长，但晶粒相对母材细小。通过比较图4、图5、图6、图7与图8，明显的看出铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头焊接出的试件比熔化极氩弧焊接的试件好，焊缝组织中无气孔。-->本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，包括夹持部、轴肩和搅拌针，其特征在于：所述的轴肩与搅拌针连接处形成的轴肩端面向内倾斜角度ａ＝１０°～２０°，搅拌针呈圆锥形，表面设有锥螺纹。

【技术特征摘要】
1.一种铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，包括夹持部、轴肩和搅拌针，其特征在于：所述的轴肩与搅拌针连接处形成的轴肩端面向内倾斜角度a＝10°～20°，搅拌针呈圆锥形，表面设有锥螺纹。2.根据权利要求1所述的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：所述的轴肩前端直径为Φ36mm～Φ38mm，所述的搅拌针根部的直径为Φ16mm～Φ18mm，3.根据权利要求1或2所述的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：所述的搅拌针的半锥角b＝8°～10°，锥螺纹为右旋螺纹，锥螺纹的规格为M16×2或M18×2。4.根据权利要求3所述的铝合金搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：所述的搅拌针的前端端头设置为球面。5.根据权利要求4所述的铝合金搅拌摩擦焊接...

【专利技术属性】
技术研发人员：李宝华，唐众民，鄢江武，乔凤林，
申请(专利权)人：国营红阳机械厂，
类型：实用新型
国别省市：42[中国|湖北]