[发明专利]一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头

说明书

本发明公开了一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，包括依次连接的搅拌针、轴肩和夹持部，所述搅拌针为侧面带螺纹及3个截平面均布的锥台结构且根部螺纹结束位置包含在搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘内，所述搅拌针端部平面均布3个圆弧螺旋凹槽或圆弧直凹槽。本发明增大了搅拌针端部与焊缝金属的摩擦面积，增强了根部焊缝材料搅拌能力，提高根部焊缝金属温度，促进根部焊缝材料的塑化和流动，提高焊透深度以及对焊接厚度波动的适应性，能有效防止焊缝根部弱连接及未焊透缺陷。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，涉及一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊利用特殊设计的搅拌头旋转着插入待焊工件，在摩擦热、塑性变形产热和轴向机械压力作用下，被焊材料发生局部塑化和流动，经过再结晶而形成致密的连接接头，是一种优质、高效、绿色的固相连接技术。该技术已经在航空航天、轨道交通、船舶、电力电子及新能源汽车等行业得到广泛应用。

在常规的搅拌摩擦焊接中，为了保证工件焊透而要求搅拌针长度尽可能接近工件焊接厚度，但为了防止与背面工装垫板干涉又要求搅拌针长度尽可能小于工件焊接厚度。所以，基于焊透及防止与垫板干涉的统筹考虑，目前普遍采用搅拌针长度比被焊工件厚度小0.1-0.3mm的设计，也即仅能稳定焊透比搅拌针长大0.3mm的工件厚度；实际生产中，焊前根据本次焊接的工件理论厚度选定对应搅拌针长度的搅拌头，焊接过程不再更换，但受焊接工装变形、焊接变形、尤其是加工精度误差导致的工件焊接厚度波动等工程因素影响(对于诸如火箭燃料贮箱、轨道列车车体以及船舶等大型焊接结构，一条焊缝长达数米至十几米甚至更长，受加工精度影响，整条焊缝不同部位以及不同批次同一零部件焊缝的焊接厚度存在不同程度的波动，一般0.1-0.5mm，实际生产中这类情况不可避免)，尺寸波动使得工件厚度超过搅拌头可焊最大厚度，容易在背面焊缝产生弱连接以及根部未焊透等缺陷。该类缺陷尺寸一般较小，很难甚至无法被X射线及超声等现有无损检测方法检出，对接头性能产生较大隐患，严重降低接头承载能力以及疲劳性能，且焊接厚度越大，根部焊缝越易产生弱连接以及未焊透等缺陷，接头性能隐患显著增加。

当前，为了防止弱连接及根部未焊透等缺陷，实际生产中通过焊接过程加大轴肩下压量以及多道次焊接等措施加以控制，但工艺调控阈度较小，不能从根本上解决弱连接及根部未焊透等缺陷；或者焊后采用机械打磨及机加工方法去除一定厚度的焊缝根部材料，这增加了生产成本，也降低了生产效率。

此外，同一产品上往往存在大量焊接厚度相差仅1mm以内的焊接结构，为了解决搅拌头对焊接厚度的适应性问题，以防止弱连接及根部未焊透等缺陷，当前实际生产中，对搅拌针长每间隔0.2mm制备对应一个搅拌头，导致搅拌头数量庞大、成本高、管理繁琐。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头。

为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

一种提高焊透深度的搅拌摩擦焊接搅拌头，包括依次连接的搅拌针、轴肩和夹持部，所述搅拌针为侧面带螺纹及3个截平面的锥台结构且根部螺纹结束位置M包含在搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘内，所述搅拌针端部设有螺旋凹槽或圆弧直凹槽。

作为优选方式，所述搅拌针根部螺纹结束位置M包含在搅拌针侧面任意一个截平面沿搅拌头旋转方向前进侧边缘1mm以内。

作为优选方式，所述搅拌针端部直径d根据被焊接件厚度δ、搅拌针锥度γ及搅拌针长度L按照式(1)计算

d＝(0.8×δ+2.2)-2×L×tg(γ/2) (1)。

进一步优选，所述3个截平面结构在搅拌针的侧面间隔120°均布。

进一步优选，所述搅拌针的圆锥面设有螺纹。

进一步优选，所述搅拌针锥度γ为10°～15°。