CN111069763A - 一种加热式回填搅拌摩擦焊工具 - Google Patents

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柴鹏
王军
郭晓娟
孟强
张亮
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Abstract

本发明涉及一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其包括机头、搅拌针、轴肩、衬套和加热套环；搅拌针、轴肩、衬套安装于机头上；搅拌针、轴肩与机头转动连接，衬套与机头固定连接，加热套环套接于衬套外壁上。本发明通过设置加热套环能对衬套进行加热，在焊接前会对被焊材料的焊点位置预先进行加热，升高了该位置处的温度；这样减小了材料上的残余应力，减少了冷裂纹的产生；同时该位置得到了软化，降低了搅拌针和轴肩受到的垂直顶锻力，保护了焊接工具。

Description

一种加热式回填搅拌摩擦焊工具
技术领域
本发明涉及回填式搅拌摩擦焊工具，特别涉及一种加热式回填搅拌摩擦焊工具。
背景技术
搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，FSSW)是在“线性”搅拌摩擦焊接基础上，新近研究开发的一种创新的焊接技术。FSSW可以形成点焊的搭接接头，其焊缝外观与通常应用于铝合金构件的电阻点焊类似，因而具有很高的应用价值和研究意义。
回填式焊接方法是通过控制搅拌头各部件间的相对运动实现接头的焊接。搅拌头主要由搅拌针、轴肩以及最外层的衬套三部分组成，在焊接过程中搅拌针和轴肩相对运动产生空腔，塑性材料被融合和搅动，并填入到空腔内，由于搅拌针与轴肩的相对运动，塑性材料又被重新填到焊接区域，在这一过程中完成被焊材料在该点处的焊接。
如专利申请号为201710099857.7的中国发明专利申请公开了一种填丝回填式搅拌摩擦点焊方法及工具，其焊接工具包括搅拌针、可活动地套接在搅拌针上的搅拌套（轴肩）及可活动地套接在搅拌套（轴肩）上的压紧套（衬套）；所述压紧套（衬套）的底部侧壁上开设有送丝孔，所述搅拌针和搅拌套（轴肩）可相对压紧套（衬套）同时向上回抽一定的距离而在压紧套（衬套）的底部形成有供从送丝孔送入的填充材料放置的空间。该发明通过在压紧套（衬套）上开孔进行填丝，调整搅拌针与搅拌套（轴肩）的回抽空间，实现填丝焊接，弥补焊接过程中的材料流失，从而消除了搅拌摩擦点焊接头的表面凹坑和环形沟槽，有效提高了接头的力学性能及美观性。
上述发明专利申请中公开的回填式搅拌摩擦点焊工具，在使用中需要频繁的对单个点位置进行焊接，在这个过程中，当被焊材料的温度较低时，材料上存在较大的残余应力，焊接后焊缝容易出现冷裂纹；同时搅拌针和轴肩会受到较大的垂直顶锻力，容易产生变形，进而容易导致轴肩和衬套磨损严重，降低了焊接工具的使用寿命。
发明内容
本发明的目的在于提供一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，它通过设置加热部件能对衬套进行加热，在焊接前会对被焊材料的焊点位置预先进行加热，升高了该位置处的温度；这样减小了材料上的残余应力，减少了冷裂纹的产生；同时该位置得到了软化，降低了搅拌针和轴肩受到的垂直顶锻力，保护了焊接工具。
本发明的上述目的是通过以下技术方案得以实现的：一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，包括机头、搅拌针、轴肩和衬套，搅拌针、轴肩、衬套安装于机头上；搅拌针、轴肩与机头转动连接，衬套与机头固定连接，还包括加热套环，加热套环套接于衬套外壁上。
通过采用上述技术方案，在使用时，加热套环对衬套进行加热，使衬套具备一定的温度；在点焊时，衬套接触被焊材料，在1.5-3秒的时间内对该区域进行加热，使材料软化，然后再由搅拌针、轴肩配合对该点位进行焊接。相比现有技术，当材料温度较低时，可以预先对材料的焊点位置进行加热软化，降低材料上的残余应力，这样在焊接后可以减少冷裂纹的产生；同时焊点位置得到了软化，降低了搅拌针和轴肩受到的垂直顶锻力，保护了焊接工具。
对衬套加热，然后再利用衬套的热量来加热焊点区域存在较为明显的优势；一方面衬套的高温不会影响搅拌针、轴肩，使其两者具备可靠的机械强度能较为可靠的完成焊接；另一方面衬套的管状结构使其能在焊点区域上形成一个圆形的加热区，热量会集中在其内部，不易流失，加热效率较高。
本发明进一步设置为：加热套环为电磁感应加热器。
通过采用上述技术方案，电磁感应加热器是基于电磁感应加热原理制造出的加热控制器，其环绕在衬套外部能够利用其集肤效应快速有效的为衬套进行加热，加热效率较高。
本发明进一步设置为：衬套在接近机头的一端凸出设置有挡沿。
通过采用上述技术方案，可以减少热量向机头方向的传递。
本发明进一步设置为：衬套的另一端设置有外螺纹并配合有带有内螺纹的挡环，电磁感应加热器两端限制在挡沿和挡环之间。
通过采用上述技术方案，便于对电磁感应加热器进行安装和更换。
本发明进一步设置为：电磁感应加热器外壁上设置有矩形的连接环，连接环的一侧与挡沿贴合且与挡沿固接。
通过采用上述技术方案，可以限制电磁感应加热器的转动，使其不受焊接过程中的震动影响。
本发明进一步设置为：连接环一共有两个。
通过采用上述技术方案，使电磁感应加热器固定更为牢靠。
本发明进一步设置为：连接环上设置有螺钉并通过螺钉与挡沿固接。
通过采用上述技术方案，连接环与挡沿的固定较为方便。
本发明进一步设置为：在机头上开设有线槽，在线槽上设置有压线板，压线板跨设于线槽上且两端与机头固接；电磁感应加热器包括电源线，电源线夹持在线槽和压线板之间。
通过采用上述技术方案，可以避免电源线在焊接时被衬套烫伤或被搅拌针、轴肩损伤。
本发明进一步设置为：压线板两端设置有螺钉并通过螺钉与机头固接。
通过采用上述技术方案，使压线板的固定较为方便。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1. 设置加热套环，在点焊时，衬套接触被焊材料，在1.5-3秒的时间内对该区域进行加热，使材料软化，然后再由搅拌针、轴肩配合对该点位进行焊接，相比现有技术，当材料温度较低时，可以预先对材料的焊点位置进行加热软化，降低材料上的残余应力，这样在焊接后可以减少冷裂纹的产生，同时焊点位置得到了软化，降低了搅拌针和轴肩受到的垂直顶锻力，保护了焊接工具；
2. 选用电磁感应加热器为加热套环，使衬套具有较高的加热效率；
3. 设置螺纹部和挡环，使电磁感应加热器的安装和更换较为方便。
附图说明
图1是加热式回填搅拌摩擦焊工具的结构示意图；
图2是图1中A部的放大图。
图中，1、机头；2、搅拌针；3、轴肩；4、衬套；40、挡沿；41、螺纹部；5、加热套环；50、连接环；6、挡环。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例
参照图1、图2，一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，包括机头1、搅拌针2、轴肩3、衬套4和加热套环5；搅拌针2、轴肩3、衬套4安装于机头1上；搅拌针2、轴肩3与机头1转动连接，衬套4与机头1固定连接；加热套环5套接于衬套4外壁上。
加热套环5可以选用电阻型的加热器，当前实施例中加热套环5选用电磁感应加热器，电磁感应加热器（Electromagnetic induction heater）是基于电磁感应加热原理制造出的加热控制器。电磁感应加热的原理是感应加热电源产生的交变电流通过感应器（即线圈）产生交变磁场，导磁性物体置于其中切割交变磁力线，从而在物体内部产生交变的电流（即涡流），涡流使物体内部的原子高速无规则运动，原子互相碰撞、摩擦而产生热能，从而起到加热物品的效果。即是通过把电能转化为磁能，使被加热钢体感应到磁能而发热的一种加热方式。这种方式它从根本上解决了电热片，电热圈等电阻式通过热传导方式加热的效率低下问题。
传统的加热行业，普遍采用是的电阻丝和石英加热方式，而这种传统的加热方式，其热效率比较低，电阻丝和石英主要是靠通电后，自身发热然后再把热量传递到料筒上，从而起到加热物品的效果，这种加热效果的热量利用率最高只有50%左右，另外的50%左右的热量都散发到空气中，所有传统的电阻丝加热方式的电能损失高达50%以上。而通过电磁感应加热，是通过电流产生磁场，使得铁质金属管道自身发热，再加上隔热材质，防止管道热量的散发，热利用率高达95%以上，理论上间节电效果可达到50%以上，但考虑到不同质量的电磁感应加热控制器的能量转换效率是不太相同的，以及不同的生产设备和环境，所有电磁加热节能的效果一般至少能够达到30%，最高能够达到70%。
电磁感应加热器套接于衬套4外壁上；衬套4在接近机头1的一端凸出设置有挡沿40，衬套4的另一端设置有外螺纹并配合有带有内螺纹的挡环6，电磁感应加热器两端限制在挡沿40和挡环6之间。
电磁感应加热器外壁上设置有两个矩形的连接环50，连接环50的一侧与挡沿40贴合且设置有螺钉并通过螺钉与挡沿40固接；这样设置可以限制电磁感应加热器的转动，使其不受焊接过程中的震动影响。
在机头1上开设有线槽，在线槽上设置有压线板，压线板跨设于线槽上且两端设置有螺钉并通过螺钉与机头1固接；电磁感应加热器的电源线固定于线槽和压线板之间，这样可以避免在焊接时电源线被衬套4烫伤或被搅拌针2、轴肩3损伤。
本实施例使用时，加热套环5对衬套4进行加热，使衬套4具备一定的温度；在点焊时，衬套4接触被焊材料，在1.5-3秒的时间内对该区域进行加热，使材料软化，然后再由搅拌针2、轴肩3配合对该点位进行焊接。相比现有技术，当材料温度较低时，可以预先对材料的焊点位置进行加热软化，降低材料上的残余应力，这样在焊接后可以减少冷裂纹的产生；同时焊点位置得到了软化，降低了搅拌针和轴肩受到的垂直顶锻力，保护了焊接工具。
本具体实施方式的实施例均为本发明较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，包括机头(1)、搅拌针(2)、轴肩(3)和衬套(4)，搅拌针(2)、轴肩(3)、衬套(4)安装于机头(1)上；搅拌针(2)、轴肩(3)与机头(1)转动连接，衬套(4)与机头(1)固定连接，其特征在于：还包括加热套环(5)，加热套环(5)套接于衬套(4)外壁上。
2.根据权利要求1所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：加热套环(5)为电磁感应加热器。
3.根据权利要求2所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：衬套(4)在接近机头(1)的一端凸出设置有挡沿(40)。
4.根据权利要求3所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：衬套(4)的另一端设置有外螺纹并配合有带有内螺纹的挡环(6)，电磁感应加热器两端限制在挡沿(40)和挡环(6)之间。
5.根据权利要求3所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：电磁感应加热器外壁上设置有矩形的连接环(50)，连接环(50)的一侧与挡沿(40)贴合且与挡沿(40)固接。
6.根据权利要求5所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：连接环(50)一共有两个。
7.根据权利要求5或6所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：连接环(50)上设置有螺钉并通过螺钉与挡沿(40)固接。
8.根据权利要求2所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：在机头(1)上开设有线槽，在线槽上设置有压线板，压线板跨设于线槽上且两端与机头(1)固接；电磁感应加热器包括电源线，电源线夹持在线槽和压线板之间。
9.根据权利要求8所述的一种加热式回填搅拌摩擦焊工具，其特征在于：压线板两端设置有螺钉并通过螺钉与机头(1)固接。
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