[发明专利]一种可焊接高熔点材料的搅拌摩擦点焊搅拌头

说明书

本发明公开了一种可焊接高熔点材料的搅拌摩擦点焊搅拌头，它包括：搅拌针、搅拌针本体、搅拌套、压紧环、搅拌头锥形体；搅拌针本体、搅拌套和压紧环，由内向外依次套接，压紧环固定在搅拌头锥形体上；搅拌针本体的前端设搅拌针套，搅拌针锁固在搅拌针套内，搅拌针套的端口与搅拌针工作端面在一个平面上，所述的搅拌针为聚晶立方氮化硼材质；搅拌套前部的外表面设有搅拌螺纹槽；本技术方案降低传统搅拌针的成本，并且耐高温、耐磨损，高强度，尺寸稳定性和蠕变抗力好；在搅拌摩擦焊时，拌螺纹槽搅拌塑化金属熔液，搅拌头撤离焊件表面时，回填效果更好；更适合不同金属材质间的焊接需求。

技术领域

本发明属于摩擦热法焊接技术领域，具体涉及一种可焊接高熔点材料的搅拌摩擦点焊搅拌头。

背景技术

作为一种新型固相连接技术的搅拌摩擦焊(FSW)，自问世以来就受到人们的极大关注，并已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接，引发了航空、航天、铁路、汽车及造船等装备制造领域生产技术的变革，取得了显著的经济效益和社会效益。为进一步发挥搅拌摩擦焊的优点，扩大其应用范围，近年来开始探索钢、钛等高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术,并取得了一定的研究成果。

相对低熔点材料而言，由于钢、钛等高熔点材料具有较高的强度和硬度，因而显著增加了搅拌摩擦焊的难度；搅拌摩擦焊的原理是搅拌头与被焊材料之间发生热机作用并形成接头，搅拌头在此过程中直接承受焊接过程中的热载、力载及摩擦磨损，因而对搅拌头材料的要求远比低熔点材料搅拌摩擦焊时苛刻；

目前设计成本低廉且使用寿命长的能焊接高熔点材料的搅拌摩擦焊用搅拌头尚存在较大难度，导致搅拌摩擦焊研究和应用受到较大限制。

回填式搅拌摩擦点焊是近十几年来发展的一种新型的固相点状连接技术，主要分为4个步骤：①压紧环压在上板表面，搅拌套和搅拌针开始同步旋转并与待焊材料摩擦并产生摩擦热进而使材料塑化；②搅拌针和搅拌套分别向上向下运动，套筒将塑性金属挤入搅拌针向上运动所留下的空腔；③下压量到达一定值后，搅拌针下压将塑性金属挤入搅拌套回抽所留下的空腔；④搅拌头撤离焊件表面。该技术具有无匙孔、高质量、工艺过程简单、节省能源、工作环境清洁等优点。回填式搅拌摩擦点焊工具由压紧环、搅拌针、搅拌套组成。整个焊接过程主要依靠搅拌针、搅拌套与被焊材料的剧烈摩擦，使焊接接头温度迅速上升，达到塑性状态后，伴随搅拌针、搅拌套下扎、回填运动，完成塑性材料的挤出及回填，进而实现焊点的冶金结合。

在回填式搅拌摩擦点焊过程中，只有搅拌套及搅拌针的前端与被焊材料发生接触，即二者的前端是工作部分。当搅拌套及搅拌针发生磨损，或为了满足焊点不同的尺寸要求，需要采用不同尺寸的搅拌套及搅拌针时，往往要整体更换搅拌套及搅拌针，成本较高。

焊具是搅拌摩擦焊技术的核心，选择合适的焊具材料是焊具设计的关键，而其中最为重要的是搅拌头材料的选择。搅拌摩擦焊的实质是搅拌头与被焊材料之间发生热机作用并形成接头，搅拌头在此过程中直接承受焊接过程中的热载、力载及摩擦磨损，因而要求它在焊接条件下具有高于被焊材料的熔点、强度、硬度和韧性。较之低熔点材料，高熔点材料搅拌摩擦焊过程中搅拌头会承受更大的机械力载、摩擦热载及更为严重的磨损，因而对搅拌头材料的要求远比低熔点材料搅拌摩擦焊时苛刻。在焊接铝、镁等低熔点材料时，搅拌头材料采用工具钢即可。对于钢、钛等高熔点材料来讲，焊接时最高温度在l000℃以上，在如此高温度下能满足使用要求的材料往往是难熔金属合金或结构陶瓷等材料。

采用搅拌摩擦焊连接钢材、不锈钢和镍基合金等高熔点金属材料时，搅拌头的温升可达1000℃~1300℃.如果选用难熔金属或含钨、铪、铼、钼、铌、锆等元素的合金，虽有耐高温性能，但并非都能抗磨蚀，由于没有足够的强度和硬度，有些材料甚至在搅拌摩擦焊过程中会与被焊材料（如铁素体钢）形成合金化产物，导致缺陷。我们通过多种材料制作组合式搅拌头，以此来解决目前搅拌头领域的不足缺陷。