一种随焊抛光多功能搅拌摩擦焊焊具.doc

说 明 书 一种随焊抛光多功能搅拌摩擦焊焊具黄永宪，刘会杰，张郁中，张会杰，周利，沈俊军技术领域本发明涉及一种用于在搅拌摩擦焊过程中，清除焊缝两侧飞边、改善表面光洁度、细化表面晶粒、消除应力集中和提高焊缝表面耐腐蚀性能的采用不锈钢钢丝刷随焊抛光的多功能焊具。背景技术搅拌摩擦焊（FSW）是1991年在英国焊接研究所（TWI）发明的一种新的固相连接方法（US5460317），该方法的基本过程是一个由搅拌针和轴肩组成的非消耗焊具（搅拌头）高速旋转使搅拌针插入预连接板之间，当轴肩与工件表面接触后，利用搅拌头的强烈摩擦和搅拌作用，使焊接焊缝区金属处于热塑性状态并被破碎和混合，在一定的压力作用下被连接在一起，搅拌头沿焊缝方向高速旋转并挤压，在搅拌头的后方形成焊缝，实现固相连接。搅拌针的作用是搅动焊缝区的被塑化的材料，使其产生塑性流变和混合，轴肩的作用是对由搅拌针搅动变形的材料施加锻造作用，从而形成致密无缺陷的焊缝。搅拌头是搅拌摩擦焊工艺中的关键部件之一，要求具有高强、耐磨、隔热、耐高温等性能。对于铝合金、镁合金和铜合金等材料的焊接，从提高焊接速度的角度来讲，需要提高搅拌强度，即提高搅拌转速和加大顶锻力，以提高单位时间内由机械能转变来的热量，但搅拌强度的提高会使表层塑性金属在压力和离心力的作用下从搅拌头肩边沿溢出形成飞边，影响焊接质量，对于厚板的焊接这种现象尤为严重。飞边的存在致使应力集中，将会降低焊缝的力学和耐腐蚀性能，而且焊缝表面凸凹不平的棱角也是腐蚀敏感区。目前，去除飞边的方法一般为焊后机械打磨，这种方法不但延长了加工周期和劳动强度，而且引起搅拌摩擦焊工艺流程的中断。针对搅拌头及搅拌摩擦焊特点导致飞边的问题，专利ZL200520050618.5采用搅拌针、轴肩分体设计的思路，并在轴肩端面内凹锥面上加工螺旋凸棱，焊接过程中在一定程度上防止了金属流失和飞边的产生，但并不能完全避免轴肩外边沿塑性金属的溢出而产生飞边。专利200710302169.2采用搅拌头基体和切削刀片组合，在焊接过程中有效地去除了飞边，获得了高质量的表面平整光滑的焊缝，但切削刀片呈刚性状态，当轴肩压入量发生变化时容易损伤被焊材料的表面和损伤刀具，且专用组合刀具大大增加了搅拌头设计与加工成本。发明内容本发明的目的在于提供一种能够随焊清除搅拌摩擦焊焊缝两侧飞边、改善表面光洁度、细化表面晶粒、消除应力集中和提高焊缝表面耐腐蚀性能的多功能焊具。本发明的技术解决方案是，采用随搅拌头同步旋转的不锈钢钢丝刷，对仍处于高温状态的焊缝表面进行抛光处理。该焊具包括后部圆柱形夹持体、中间圆柱体、锥面或带螺纹圆柱体支撑肩台、可更换钢丝刷结构体、轴肩和搅拌针等组成。所述圆柱形夹持体上铣有防松紧固面，与搅拌主轴内孔配合，并利用螺钉径向紧固，中间圆柱体上加工散热和隔热环形凹槽。不锈钢钢丝刷结构体由钢丝刷座、不锈钢丝束、支撑垫环、紧固螺钉组成。不锈钢钢丝刷由装卡机构固定在搅拌头加工有条纹的锥面上，该钢丝刷由两个对称半圆形不锈钢钢丝刷、钢丝刷座、紧固螺钉等组成，多层钢丝通过刷座和径向编织不锈钢丝固定在一起，并通过紧固螺钉将钢丝刷固定在搅拌头的周围，且使钢丝的端部稍伸出轴肩端面，在焊接过程中对轴肩周围工件表面进行抛光，从而清除焊缝两侧的飞边、提高焊缝表面光洁度、细化表面晶粒、消除应力集中和提高焊缝的耐腐蚀性能。固定钢丝刷的装卡机构为一个Z向和径向可调机构，通过定位肩台和定位垫环调整钢丝刷固定于具有条纹的搅拌头锥面的位置进而调节钢丝端部伸出轴肩的长度，从而改变钢丝刷与焊缝表面摩擦的强度。钢丝束与轴肩的径向距离通过不同大小的支撑垫环来控制，该垫环由两个弧形不锈钢环组成，并通过锁紧螺母固定于钢丝刷内侧搅拌头锥面上，用于支撑钢丝刷，进而调节钢丝刷钢丝束距离轴肩的径向距离和钢丝刷相对搅拌头轴线的倾斜角。本发明的技术方案也可采用加工有螺纹的圆柱形肩台进行固定不锈钢钢丝刷结构体，钢丝刷结构体固定于轴肩上方圆柱形肩台处，仍通过定位肩台和定位垫环调整钢丝刷的Z向位置，实现钢丝束端部伸出轴肩的长度，进而实现钢丝刷与焊缝表面抛光的强度的控制。通过支撑垫环调节钢丝束与轴肩的径向距离和钢丝刷相对搅拌头轴线的倾斜角，并于该圆柱形肩台加工与搅拌头旋转方向反向的螺纹，利用锁紧螺母固定钢丝刷结构体。本发明在搅拌摩擦焊过程中，采用与搅拌头组合设计的不锈钢钢丝刷对仍处于高温状态的焊缝进行抛光处理，清除焊缝两侧的飞边、改善焊缝表面的光洁度、细化表面晶粒、消除应力集中是本发明独具的特点。这种随焊抛光钢丝刷可跟随搅拌头焊接任何长度的直焊缝、曲线焊缝，实现焊缝表面质量的随焊控制。本发明多功能搅拌头设计简单，调节方便，技术经济效益高，能保证各种铝合金、镁合金和铜合金等材料的搅拌摩擦焊焊缝质量。附图说明图1 装卡面为锥面的随焊抛光多功能焊具结构示意图1为搅拌头基体（由1-1轴肩和1-2搅拌针组成），2为钢丝刷结构体（由2-1钢丝刷座、2-2不锈钢丝束、2-3支撑垫环和2-4径向编织不锈钢丝），3为夹持体，4为紧固面，5为隔热槽，6为定位垫环，7为定位肩台，8为肩台。图2 装卡面为带螺纹圆柱面的随焊抛光多功能焊具结构示意图1为搅拌头基体（由1-1轴肩和1-2搅拌针组成），2为钢丝刷结构体（由2-1钢丝刷座、2-2不锈钢丝束、2-3支撑垫环和2-4径向编织不锈钢丝），3为夹持体，4为紧固面，5为隔热槽，6为定位垫环，7为定位肩台，8为肩台，9为紧固螺母。具体实施方式具体实施方式一：（参见图1）不锈钢钢丝刷结构体采用锥面镶嵌的方式与搅拌头固定。该多功能焊具由搅拌头基体1、钢丝刷结构体2、夹持体3，紧固面4，隔热槽5，定位垫环6，定位肩台7和肩台8组成。其中搅拌头基体1由1-1轴肩和1-2搅拌针组成，钢丝刷结构体2包括2-1钢丝刷座、2-2不锈钢丝束、2-3支撑垫环和2-4径向编织不锈钢丝和紧固螺钉等。后部圆柱体夹持体3的直径为19.9mm，并在其端部加工一高度为1mm，长度为32mm的紧固面4，使其与搅拌主轴内孔配合，并用紧固螺钉锁紧。中间圆柱体的直径为28mm，在其四周加工有宽度、深度和间距均为2mm的散热和隔热凹槽5。钢丝刷结构体2由0.2mm不锈钢钢丝和钢丝刷座以及0.2mm的径向编织不锈钢钢丝编织而成的两半圆弧形钢丝刷组成，并制有紧固螺钉，镶嵌钢丝刷锥面的法线与搅拌头轴线的夹角为75，锥面高度为30mm，下部直径为24.5mm，采用紧固螺钉与制有条纹的锥面固定。定位垫环6为两个厚度为2mm的半圆形垫环组成，采用紧固螺钉将其固定在定位肩台7和钢丝刷座2-1之间。支撑垫环2-3的外径为26.5mm，并将其固定在钢丝刷的内侧用于支撑钢丝束。钢丝束端部伸出轴肩端面的长度为2mm，钢丝束内侧距离轴肩的径向距离为14mm，钢丝束的宽度为10mm。轴肩1-1的直径为22.5mm，且为内凹锥面，该锥面法线与搅拌头轴线的夹角为10，搅拌针1-2为锥状，长度为7.4mm，锥面与搅拌头轴线的夹角为15，并加工有螺距为0.75mm的右旋螺纹。具体实施方式二：（参见图2）不锈钢钢丝刷结构体采用制有螺纹圆柱面的方式与搅拌头固定。该多功能焊具的组成与具体实施方式一类似，但以旋紧方向与搅拌头旋转方向反向的紧固螺母9对钢丝刷结构体与搅拌头固定。该螺纹圆柱体的直径为24.5mm，长度为30mm。钢丝束端部伸出轴肩端面的长度为2mm，钢丝束内侧距离轴肩的径向距离为16mm，钢丝束的宽度为10mm。其他结构尺寸与具体实施方式一的相同。具体实施方式三：在具体实施方式一和二的基础上，通过调整径向编织不锈钢丝2-4的编织直径，使钢丝束向中心收拢，可控制钢丝束内侧距离轴肩的径向距离。 权 利 要 求 书 1、一种与不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：该多功能焊具由搅拌头基体1、钢丝刷结构体2、夹持体3，紧固面4，隔热槽5，定位垫环6，定位肩台7和肩台8组成。其中搅拌头基体1由1-1轴肩和1-2搅拌针组成，钢丝刷结构体2包括2-1钢丝刷座、2-2不锈钢丝束、2-3支撑垫环和2-4径向编织不锈钢丝和紧固螺钉等。钢丝刷结构体由装卡机构固定在搅拌头锥面和螺纹圆柱面上随搅拌头同步旋转，根据被焊材料的差异和对焊缝表面光洁度的要求及飞边的情况，调节装卡机构和钢丝刷，使钢丝束2-2端部伸出轴肩端面的长度可调，并与轴肩之间保持一定的距离和角度，进而实现钢丝刷对焊缝表面摩擦抛光强度的控制。搅拌摩擦焊接过程中，钢丝刷对搅拌头周围的焊缝表面进行抛光，随焊清除焊缝两侧的飞边，提高表面的光洁度，细化表面晶粒，消除应力集中，提高焊缝的力学性能和表面耐腐蚀性能。2、根据权利要求1所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：不锈钢钢丝刷通过装卡机构与搅拌头固定在一起，钢丝刷均匀分布于轴肩的周围。轴肩直径为22.5mm时，钢丝束伸出轴肩端面的长度为0.55mm，钢丝束内侧距离轴肩的径向距离为525mm，钢丝束的宽度为515mm。3、根据权利要求1所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：不锈钢钢丝刷结构体与搅拌头基体组合，同步旋转实现对轴肩周围工件表面的抛光。不锈钢钢丝刷结构体为可更换部件。4、根据权利要求1、2和3所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：不锈钢钢丝刷结构体采用锥面装卡面来固定，锥面的法线与搅拌头轴线的夹角为6585，锥面高度为2535mm，轴肩直径为22.5mm时，锥面下部直径为22.530mm。采用紧固螺钉将两个半圆弧状钢丝刷与锥面固定，锥面表面制有条纹，防止钢丝刷结构体的相对滑动。5、根据权利要求1、2和3所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：不锈钢钢丝刷结构体采用带螺纹圆柱面利用紧固螺母来固定，轴肩直径为22.5mm时，螺纹圆柱体的直径为24.530mm，长度为2535mm。6、根据权利要求1、2和3所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：钢丝束内侧距离轴肩端部的径向距离和与搅拌头轴线的夹角通过支撑垫环2-3调节，轴肩直径为22.5mm时，支撑垫环2-3的外径为2632mm，并将其固定在钢丝刷的内侧用于支撑钢丝束。7、根据权利要求1、2和3所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：钢丝束内侧距离轴肩端部的径向距离和与搅拌头轴线的夹角可以通过调整径向编织不锈钢丝2-4的编织直径，使钢丝束向中心收拢，控制钢丝束内侧距离轴肩的径向距离。8、根据权利要求1、2和3所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：钢丝刷结构体的位置通过定位垫环6和定位肩台7来定位，钢丝束端部伸出轴肩端面的长度通过钢丝束的长度和定位垫环的厚度来调整，进而实现钢丝刷摩擦抛光轴肩周围工件表面的强度。9、根据权利要求1、2和3所述的不锈钢钢丝刷结构体组合设计的多功能焊具，其特征在于：当搅拌头轴肩直径变化时，钢丝刷内侧支撑垫环2-3的外径可以按比例变化，钢丝束内侧距离轴肩的径向距离也可按比例变化。 说 明 书 摘 要 本发明涉及一种用于在搅拌摩擦焊焊接结构制造中去除焊缝飞边、提高表面光洁度、细化表面晶粒、消除应力集中和提高焊缝表面耐腐蚀性能的组合不锈钢钢丝刷结构体随焊抛光的多功能焊具。本发明采用不锈钢钢丝刷结构体与搅拌头基体组合设计的方式，钢丝刷与搅拌头同步旋转并对轴肩周围工件进行表面抛光。该焊具由后部圆柱