[发明专利]一种厚板焊接用双速旋转搅拌工具

说明书

技术领域

本发明涉及一种摩擦焊技术，更具体地说，涉及一种厚板焊接用搅拌工具。

背景技术

搅拌摩擦焊技术是一种非熔化焊接方法。该方法利用一种特殊工具---搅拌工具，高速旋转并插入待焊件中，搅拌工具与待焊件产生大量摩擦热，待金属处于塑性状态时开始行进，焊接过程中搅拌头将塑性状态金属引至其后方，在顶端压力下锻造形成致密焊缝。搅拌摩擦焊技术现已在特种加工领域大量应用，并在焊接大厚铝/镁/铜板焊接领域有着独特的优势。

搅拌工具作为搅拌摩擦焊使用的工具，是搅拌摩擦焊技术的核心技术。搅拌工具的端部为直径较小的搅拌针，深入到焊件的深处，与焊件表面接触产生摩擦热的为搅拌工具轴肩部分。传统的搅拌工具如图1所示，搅拌针与轴肩为一个整体，共同旋转。搅拌摩擦焊接的热源主要来源于轴肩、搅拌针与材料的摩擦产热，由于轴肩直径通常是搅拌针直径的数倍，因此大部分的热量都源于轴肩的摩擦产热。对于针部的焊接热源一方面来自搅拌针与材料的摩擦热，另一部分来自轴肩的摩擦热在厚度方向的热传导。使用传统搅拌工具焊接厚板时，由于板厚大，轴肩与母材的摩擦产热难以传递到搅拌针底部，并且此处由于与母材的接触面积小，此处散热条件最好，这样造成了搅拌针底部往往产热不足，底部材料塑性不足，容易引起隧道型缺陷。在这种情况下，只能通过增加搅拌工具的旋转速度来提高焊缝底部的产热量。提高旋转速度时，轴肩与母材的大面积摩擦往往引起表面过热，而针部由于产热不足容易引起隧道型缺陷。若是通过减少轴肩面积来减少焊缝表面产热，又会出现焊接轴肩无法完全拘束材料，造成表面沟槽、飞边过大等缺陷。所以传统的搅拌工具在焊接厚板时，存在厚度方向上温度梯度大，厚度方向焊接质量不均一的问题。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的技术问题，提供一种厚板焊接用双速旋转搅拌工具，具有良好的同轴度、刚度、摩擦损耗小的特点，解决了传统的搅拌工具在焊接厚板时厚度方向上温度梯度大，厚度方向焊接质量不均一的问题。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

一种厚板焊接用双速旋转搅拌工具，基于双驱动搅拌摩擦焊接装置，包括轴肩和搅拌针，还包括轴肩转接套和搅拌针转接套，其中，轴肩通过轴肩转接套与轴肩主轴连接，共同旋转，搅拌针通过搅拌针转接套与搅拌针主轴连接，共同旋转；轴肩主轴与搅拌针主轴构成同心旋转运动副；在所述轴肩与搅拌针之间设置有动密封结构，在轴肩主轴与搅拌针主轴构成的同心旋转运动副之间设置有轴承或轴承组合，以保证良好同心度，焊接时，所述轴肩与搅拌针独立驱动并可设定不同的旋转速度，焊接时，轴肩与搅拌针独立驱动并可设定不同的旋转速度。

所述的轴肩转接套上部设置了对称的键槽结构，与轴肩主轴紧固连接，通过键传动；下部设置了轴肩安装孔及轴承安装孔。

所述的搅拌针转接套上部设置了对称的键槽结构，与搅拌针主轴紧固连接，通过键传动；中部径向设置了对称的两排紧固件安装孔，供夹持搅拌针；下部设置了对称的轴向键槽及搅拌针安装孔。

所述的搅拌针上部为夹持部分，该部分加工对称的键槽，与搅拌针转接套紧固连接，通过键槽结构传动；搅拌针根部设计了带环形凹槽的小型轴肩，为材料流动提供空间，减少塑性材料进入间隙的可能性。

所述的轴肩上部通过紧固件及键与轴肩转接套连接，共同旋转；轴肩下部为内凹平面，设计了环形凹槽，促进材料流动。

所述的动密封结构，目的在于防止焊接时材料进入搅拌针与轴肩的间隙。搅拌针与轴肩的间隙设置为0.25mm，间隙内的搅拌针外圆设置与针部螺纹旋向相同的螺纹，焊接时，对间隙入口的材料以下压力，形成动密封的效果。

所述的大载荷工况下保证良好同心度的结构，目的在于减小旋转运动副之间的摩擦损耗，保证搅拌工具的结构安全、稳定性。焊接厚板时，搅拌工具受到很大的前进抗力和顶锻力，根据轴承承载能力，选择合理的轴承及轴承组合安装在搅拌针与轴肩旋转体之间，一方面保证良好同心度，一方面减小摩擦损耗。

本发明双驱动搅拌摩擦焊接装置的双速旋转搅拌工具，由于采用上述的技术方案，因此具有良好的同轴度、刚度、摩擦损耗小特点，取得了如下的有益效果：

1、通过实现轴肩与搅拌针双速旋转的分体结构，改善了搅拌工具轴肩与搅拌针的产热比例，降低了焊接厚度方向的温度梯度，提高了焊缝厚度方向质量的均一性。

2、设计了动密封结构，即处于搅拌针与轴肩间隙处的搅拌针外圆设置了与针部螺纹旋向相同的螺纹。焊接时，通过对间隙入口的塑性材料以下压力，防止塑性材料进入间隙造成搅拌针与轴肩卡死。