阅读说明：本技术 一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头、装置及焊接方法 (Stirring head, device and welding method for friction stir welding of layered metal composite plate ) 是由 陈洪胜 牛晓峰 池涵娟 巩鹏飞 王文先 郑凡林 于 2021-09-01 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头、装置及焊接方法,属于层状金属复合板加工的技术领域,是针对焊接层状复合板的弊端而设计的,采用高频脉冲电流加热、陶瓷绝缘套筒、锥形+球头式结构的搅拌头相结合的设计,在搅拌头上施加高频脉冲电流,使得层状金属复合板在搅拌摩擦焊焊接过程中实现局部加热,降低层状金属复合板的变形抗力,也可以减少金属间化合物的生成,搅拌头采用锥形+球头式结构,可以有效避免两种金属材料混合在一起,避免在层状金属复合板的界面处形成金属间化合物,同时又可以实现同一层金属的均匀混合,增强焊接接头的强度,提高产品质量和生产效率,是一种理想的用于焊接层状金属复合材料的焊接头。(The invention provides a stirring head, a device and a welding method for friction stir welding of a layered metal composite plate, which belong to the technical field of processing of the layered metal composite plate, are designed aiming at the defects of welding the layered composite plate, adopt the design of high-frequency pulse current heating, a ceramic insulating sleeve and a conical and ball head type structure of the stirring head, and apply the high-frequency pulse current on the stirring head, so that the layered metal composite plate realizes local heating in the friction stir welding process, the deformation resistance of the layered metal composite plate is reduced, the generation of intermetallic compounds can also be reduced, the stirring head adopts the conical and ball head type structure, two metal materials can be effectively prevented from being mixed together, the intermetallic compounds are prevented from being formed at the interface of the layered metal composite plate, the uniform mixing of the same layer of metal can be realized, and the strength of a welding joint is enhanced, the product quality and the production efficiency are improved, and the welding head is an ideal welding head for welding the laminated metal composite material.)

一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头、装置及焊接方法

技术领域

本发明属于层状金属复合板加工的技术领域，具体公开了一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头、装置及焊接方法。

背景技术

层状金属复合板是将两种不同种类的金属通过加热、加压等方式结合到一起，形成层状结构。层状金属复合板兼具了两种金属材料的特性，例如镁/铝复合板、镁/铜复合板、碳钢/不锈钢等复合板，在航空航天、核电军工、电子电工及汽车制造领域有着广泛的应用前景。

目前，制备层状金属复合板的方法主要有轧制法、半固态轧制以及爆炸焊复合等方法。但由于层状金属复合板中两种板材材料在物理性质和化学性质上的差异，采用传统的熔化焊方法难以将层状复合板连接到一起，容易在焊接接头处形成空洞、金属间化合物，降低焊接接头的性能。

搅拌摩擦焊方法属于固相连接方法，焊接过程中焊接温度低，焊接速度快，对于层状金属复合板是一种较为适用的连接方法，采用通用的搅拌摩擦焊搅拌头在焊接过程中，焊接接头处容易产生大量的金属间化合物，焊接过程中能耗较高，给层状金属复合板的焊接带来一定的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头、装置及焊接方法，采用高频脉冲电流加热、陶瓷绝缘套筒、锥形+球头式结构的搅拌头相结合的设计，并配合焊接方法，使层状金属复合板的焊接接头性能更好，减少焊接接头处的孔洞、金属间化合物，提高层状金属复合板的服役寿命。

为实现上述目的，本发明提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头，包括搅拌头本体、陶瓷绝缘套筒、滑环和搅拌针；陶瓷绝缘套筒固定套接在搅拌头本体的顶部；滑环通过间隙配合套接在搅拌头本体上，通过电刷与高频脉冲电源的正极相连；搅拌针固定在搅拌头本体的底面上，由上至下依次为用于与待焊接层状金属复合板上层材料接触的搅拌针锥形面、用于对待焊接层状金属复合板上下层材料分界的搅拌针分形槽以及用于与待焊接层状金属复合板下层材料接触的搅拌针球形头；搅拌针锥形面的直径由上至下逐渐减小；搅拌针球形头为鼓形球头。

进一步地，搅拌针锥形面的斜面与搅拌头本体的底面之间夹角为72°，搅拌针球形头的圆弧半径为3mm。

进一步地，搅拌头本体和搅拌针均由钨铼合金制成，表面粗糙度为Ra 1.6。

进一步地，搅拌头本体的底面边缘设置有搅拌头轴肩。

进一步地，滑环靠近搅拌头轴肩。

进一步地，陶瓷绝缘套筒与搅拌头本体之间过盈配合，通过平键周向固定。

进一步地，陶瓷绝缘套筒由氧化铝与氮化硅的复合材料制成，陶瓷绝缘套筒内径的表面粗糙度为Ra 3.2。

进一步地，平键选由45钢制成，工作表面的表面粗糙度为Ra 3.2。

本发明还提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊装置，包括高频脉冲电源、用于放置待焊接层状金属复合板的陶瓷绝缘垫板以及上述层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头；高频脉冲电源的正极与滑环上的电刷通过导线连接，负极与待焊接层状金属复合板的下层材料上的电刷通过导线连接；陶瓷绝缘垫板由氧化铝与氮化硅的复合材料制成。

本发明还提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊焊接方法，待焊接层状金属复合板为Al/Mg层状金属复合板，将待焊接层状金属复合板固定在陶瓷绝缘垫板上，设置上述层状金属复合板搅拌摩擦焊装置焊接参数为搅拌头旋转速度为1300 r/min，下压量为0.6 mm，焊接速度为70 mm/min，脉冲电压为18 V，脉冲频率为100 Hz，脉冲占空比为50%。

本发明具有以下优点：

本发明与背景技术相比具有明显的先进性，是针对焊接层状复合板的弊端而设计的，采用高频脉冲电流加热、陶瓷绝缘套筒、锥形+球头式结构的搅拌头相结合的设计，高频脉冲电流加热使得层状金属复合板在搅拌摩擦焊焊接过程中实现局部加热，降低层状金属复合板的变形抗力，锥形+球头式结构可以有效避免两种金属材料混合在一起，避免在层状金属复合板的界面处形成金属间化合物，增强焊接接头的强度，提高产品质量和生产效率。

附图说明

图1为层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头整体结构图；

图2为陶瓷绝缘套筒俯视图；

图3为图2中A-A方向的剖面图；

图4为搅拌针的放大图；

图5为铝镁层状金属复合板焊接接头金相图；

图中：1-陶瓷绝缘套筒，2-平键，3-滑环，4-搅拌头轴肩，5-待焊接层状金属复合板，6-陶瓷绝缘垫板，7-搅拌针锥形面，8-搅拌针分形槽，9-搅拌针球形头，10-高频脉冲电源，11-电刷。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头，包括搅拌头本体、陶瓷绝缘套筒1、滑环3和搅拌针；陶瓷绝缘套筒1固定套接在搅拌头本体的顶部；滑环3通过间隙配合套接在搅拌头本体上，通过电刷11与高频脉冲电源10的正极相连，为搅拌针供电；搅拌针固定在搅拌头本体的底面上，由上至下依次为用于与待焊接层状金属复合板上层材料接触的搅拌针锥形面7、用于对待焊接层状金属复合板上下层材料分界的搅拌针分形槽8以及用于与待焊接层状金属复合板下层材料接触的搅拌针球形头9；搅拌针锥形面7的直径由上至下逐渐减小；搅拌针球形头9为鼓形球头。

进一步地，搅拌针锥形面7的斜面与搅拌头本体的底面之间夹角为72°，搅拌针球形头9的圆弧半径为3mm。

进一步地，搅拌头本体和搅拌针均由钨铼合金制成，表面粗糙度为Ra 1.6。

进一步地，搅拌头本体的底面边缘设置有搅拌头轴肩4。

进一步地，滑环3靠近搅拌头轴肩4。

进一步地，陶瓷绝缘套筒1与搅拌头本体之间过盈配合，通过平键2周向固定。平键2 在搅拌摩擦焊焊接过程中起到使陶瓷绝缘套筒 1 与搅拌头本体和搅拌针共同做旋转运动的作用，陶瓷绝缘套筒 1 与搅拌摩擦焊设备的主轴装配牢固，通过平键 2 将旋转运动传到搅拌头本体和搅拌针。

进一步地，陶瓷绝缘套筒1由氧化铝与氮化硅的复合材料制成，陶瓷绝缘套筒1内径的表面粗糙度为Ra 3.2。

进一步地，平键2选由45钢制成，工作表面的表面粗糙度为Ra 3.2。

实施例2

本实施例提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊装置，包括高频脉冲电源10、用于放置待焊接层状金属复合板5的陶瓷绝缘垫板6以及实施例1所述层状金属复合板搅拌摩擦焊搅拌头；高频脉冲电源10的正极与滑环3上的电刷11通过导线连接，负极与待焊接层状金属复合板5的下层材料上的电刷11通过导线连接；陶瓷绝缘垫板6由氧化铝与氮化硅的复合材料制成。

陶瓷绝缘套筒 1 与陶瓷绝缘垫板 6 在搅拌摩擦焊焊接过程中起到绝缘的作用，使得高频脉冲电流可以从高频脉冲电源10的正极经电刷 11、滑环 3、搅拌头轴肩 4、搅拌针锥形面 7、搅拌针分形槽 8、搅拌针球形头 9、待焊接层状金属复合板5、电刷 11，最后流回高频脉冲电源10的负极，形成电流环路。

实施例3

本实施例提供一种层状金属复合板搅拌摩擦焊焊接方法，待焊接层状金属复合板5为Al/Mg层状金属复合板，首先将待焊接层状金属复合板5表面使用砂纸打磨干净，然后使用酒精将其表面擦拭干净，通过夹具将待焊接层状金属复合板5固定在陶瓷绝缘垫板6上，设置实施例2所述层状金属复合板搅拌摩擦焊装置焊接参数为搅拌头旋转速度为1300 r/min，下压量为0.6 mm，焊接速度为70 mm/min，脉冲电压为18 V，脉冲频率为100 Hz，脉冲占空比为50%。

焊接时，搅拌针锥形面7与待焊接层状金属复合板上层材料接触，搅拌针分形槽8位于待焊接层状金属复合板5的结合界面处，实现上下层材料的分界，搅拌针球形头9与待焊接层状金属复合板下层材料接触，实现下层材料的焊接

焊接完成后，对焊接接头的金相组织进行观察，焊接接头未出现隧道孔洞、气孔和裂纹等缺陷，焊接接头成形良好。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。