CN111843177A - 一种异种材料搅拌摩擦焊接工具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，包括依次连接的刀柄、轴肩部和搅拌针，所述搅拌针在其针尖的底部设有至少一组凸台，所述搅拌针呈圆台设置，所述搅拌针的直径由与轴肩部连接处到远离轴肩部方向逐渐减小。搅拌针底部连接有1组或多组凸台，单组以偏心的方式呈现，多组以围绕搅拌针轴线均布的方式呈现，保证下部材料的流动特性和发热量。解决异种材料（铝、钢；铝、有机复合材料等）搅拌摩擦焊接时材料的流动、温度特性差异问题，尤其适应上下异种材料的搭接焊。
Description
技术领域
本发明公开了一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，涉及搅拌摩擦焊特种焊接领域。
背景技术
目前在航天、航空、高铁等轨道交通生产领域有越来越多的涉及到搅拌摩擦焊接设备，搅拌摩擦焊技术属于一种固相连接技术，适用于铝合金、镁合金、钢的绿色焊接。铝镁合金、钢焊接的搅拌工具已得到相关领域人员的广泛研究与应用，但是异种材料（铝、钢；铝、有机复合材料等）的焊接，由于材料的流动、热特性差异，导致现有的工具和工艺难以达到很完美的焊接效果。
发明内容
本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，适用于异种材料的焊接。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，包括依次连接的刀柄、轴肩部和搅拌针，其特征在于，所述搅拌针在其针尖的底部设有至少一组凸台，所述搅拌针呈圆台设置，所述搅拌针的直径由与轴肩部连接处到远离轴肩部方向逐渐减小；所述搅拌针的表面设置螺旋线，所述轴肩部底部设计回旋槽。
进一步的，所述螺旋线的回旋方向与刀柄旋转方向相反。
进一步的，所述回旋槽的回旋方向与刀柄旋转方向相反。
进一步的，所述凸台与搅拌针之间采用螺纹或过盈连接，所述搅拌针上开设螺纹孔或者过盈孔，凸台可拆卸更换。
进一步的，所述凸台选用合金材料，主要为耐磨合金（镍铬合金，高锰合金，镍钨合金）；所述凸台的表面进行涂层处理，涂层主要为AlCrN或AlTiSiN；可降低搅拌针的磨损，适应高熔点、高硬度的材料焊接。
进一步的，定义刀柄的直径为L1，轴肩部的直径为L2，搅拌针的的顶端直径为L3，搅拌针的的底端直径为L4，其中0.6L2<L1<0.8L2 ，保证搅拌针刀柄的强度和轴肩摩擦生热量，0.75 L3<L4<0.85L3，使得搅拌针呈锥字型，保证材料在焊接过程中向上的流动特性。
进一步的，定义凸台的直径为L5，其中0.2 L3<L5<0.3L3。
进一步的，定义凸台的高度为H2，其中0.1 H1 <H2<0.2 H1。
进一步的，定义定搅拌针的高度为H1，其中L3<H1<L4。
工作原理：轴肩部底部设计回旋槽，回旋方向与主轴旋转方向相反，使焊接过程中材料向中间聚拢；搅拌针设计有螺旋线槽，使焊接过程中材料由底层向上层流动。搅拌针底部连接1组或多组凸台，搅拌摩擦焊接时凸台改变底层材料的流动、温度场，使得下层材料在凸台离心搅拌作用下，向四周流动，并通过搅拌针的螺旋槽带向上层，达到异种材料充分混合的效果。
有益效果：搅拌针底部通过螺纹或者过盈的方式连接有1组或多组凸台，单组以偏心的方式呈现，多组以围绕搅拌针轴线均布的方式呈现，保证下部材料的流动特性和发热量，凸台选用耐磨合金或表面涂层处理，一方面结合轴肩回旋槽、搅拌针螺旋线槽的设计可改变异种材料焊接过程中流场、温度场差异性的特性，另一方面可增加搅拌针的耐磨特性，且便于更换。特别适用于异种材料的搅拌摩擦焊接。
附图说明
图1本发明的结构示意图；
图2本发明的仰视图；
图3本发明焊接过程中的材料流动特性示意图。
具体实施方式
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1~2所示的一种实施例：一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，包括依次连接的刀柄1、轴肩部2和搅拌针3，所述搅拌针在其针尖的底部设有至少一组凸台4，所述搅拌针呈圆台设置，所述搅拌针的直径由与轴肩部连接处到远离轴肩部方向逐渐减小；所述搅拌针3的表面设置螺旋线，回旋方向与刀柄旋转方向相反；所述轴肩部2底部设计回旋槽，回旋方向与刀柄旋转方向相反。
所述凸台4与搅拌针之间采用螺纹或过盈连接，所述搅拌针上开设螺纹孔或者过盈孔。
所述凸台4选用合金材料，主要为耐磨合金（镍铬合金，高锰合金，镍钨合金）；所述凸台4的表面进行涂层处理，涂层主要为AlCrN或AlTiSiN；可降低搅拌针的磨损，适应高熔点、高硬度的材料焊接。
定义刀柄的直径为L1，轴肩部的直径为L2，搅拌针3的的顶端直径为L3，搅拌针3的的底端直径为L4，其中0.6L2<L1<0.8L2 ，保证搅拌针刀柄的强度和轴肩摩擦生热量，0.75 L3<L4<0.85L3，使得搅拌针呈锥字型，保证材料在焊接过程中向上的流动特性。
定义凸台4的直径为L5，其中0.2 L3<L5<0.3L3。
定义凸台4的高度为H2，其中0.1 H1 <H2<0.2 H1。
定义定搅拌针3的高度为H1，其中L3<H1<L4。
如图3所示，焊接过程中材料由底层向上层流动。
搅拌针底部通过螺纹或者过盈的方式连接有1组或多组凸台，单组以偏心的方式呈现，多组以围绕搅拌针轴线均布的方式呈现，保证下部材料的流动特性和发热量，凸台选用耐磨合金或表面涂层处理，一方面结合轴肩回旋槽、搅拌针螺旋线槽的设计可改变异种材料焊接过程中流场、温度场差异性的特性，另一方面可增加搅拌针的耐磨特性，且便于更换。特别适用于异种材料的搅拌摩擦焊接。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，包括依次连接的刀柄、轴肩部和搅拌针，其特征在于，所述搅拌针在其针尖的底部设有至少一组凸台，所述搅拌针呈圆台设置，所述搅拌针的直径由与轴肩部连接处到远离轴肩部方向逐渐减小；所述搅拌针的表面设置螺旋线，所述轴肩部底部设置回旋槽。
2.根据权利要求1所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述螺旋线的回旋方向与刀柄旋转方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述回旋槽的回旋方向与刀柄旋转方向相反。
4.根据权利要求1所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述凸台与搅拌针之间采用螺纹连接，所述搅拌针上开设螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述凸台选用合金材料。
6.根据权利要求1所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，所述凸台的表面进行涂层处理。
7. 根据权利要求1所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，定义刀柄的直径为L1，轴肩部的直径为L2，搅拌针的的顶端直径为L3，搅拌针的的底端直径为L4，其中0.6L2<L1<0.8L2 ， 0.75 L3<L4<0.85L3。
8. 根据权利要求7所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，定义凸台的直径为L5，其中0.2 L3<L5<0.3L3。
9.根据权利要求7所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，定义定搅拌针的高度为H1，其中L3<H1<L4。
10. 根据权利要求9所述的一种异种材料搅拌摩擦焊接工具，其特征在于，定义凸台的高度为H2，其中0.1 H1 <H2<0.2 H1。
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