[发明专利]一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头

说明书

本发明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。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

本发明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。

发明内容

为了提升焊接速度与焊缝力学性能，提高焊接质量，本发明提供一种用于搅拌摩擦焊接的搅拌头，具体技术方案如下。