【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于搅拌摩擦焊，具体涉及面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针。
技术介绍
1、搅拌摩擦焊是一种固相焊技术，在航空、航天、船舶、汽车、列车等制造领域有着重要应用。在焊接过程中，由轴肩与搅拌针组成的搅拌头通过与待焊材料摩擦产热来塑化材料，并驱动塑化材料流动混合，从而在轴肩的顶锻作用下实现待焊材料的连接。因此，搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心，其结构设计是影响焊接质量的关键因素。
2、在传统搅拌摩擦搭接焊过程中，通常采用锥形螺纹搅拌针来实现并促进材料向下流动，进而实现待焊材料的连接并避免焊缝内孔洞缺陷的产生。搅拌摩擦搭接焊时，扎入下板的单一螺纹旋向搅拌针使得大量材料“相对有序”向下流动，在搅拌针尖部集聚并形成“材料集聚区”。“材料集聚区”会挤压下板热机影响区的材料向上迁移，使焊核区外的搭接界面(由上板下表面与下板上表面组成)向上弯曲。同时，在焊接过程中，焊核内的材料在轴肩作用下由前进侧向后退侧迁移，并由后退侧流向前进侧从而填充搅拌针经过后留下的瞬时空腔；填充瞬时空腔的材料在轴肩作用下向下流动并挤压搭接界面，使焊核内部分界面形成向下弯曲的形貌。因此，在前进侧，仅在焊核区之外向存在上弯曲的搭接界面，称之为钩状结构；在后退侧，部分存在于焊核之内的搭接界面整体呈现先上弯并延伸入焊核后向下弯的形态，称之为冷搭接。钩状结构和冷搭接决定了接头的有效搭接厚度和有效搭接宽度。而搭接界面的向上弯曲以及延入焊核不利于获得大的有效搭接厚度和有效搭接宽度，进而难以获得高承载的搅拌摩擦搭接焊接头。由于改变焊接工艺参数(转速、焊速等
3、cn108838510a涉及一种改善搅拌摩擦搭接焊接头钩状结构的搅拌针，其由大直径一级搅拌针以及小直径二级搅拌针组成，可获得了呈水平甚至略向下弯曲的钩状结构。
4、cn111906432b公开了一种基于撞击流的搅拌摩擦搭接方法，设计了内凹型相向螺纹搅拌针，使钩状结构向下弯曲且焊核内的冷搭接大幅缩短。
5、上述两个专利虽然可以获得向下弯曲的钩状结构或大幅度缩短冷搭接长度，但是这两种搅拌头对于工艺参数的变化十分敏感，当用于工程实际中时，接头界面形貌不够稳定。
6、现有报导表明，焊接过程热输入以及“材料集聚区”位置对于调控搭接界面的效果有着重要影响。然而，由于待焊结构的板厚误差、导热体积差异等原因，实际工程中难以保证在焊接过程中热输入及“相对有序”流动形成的“材料集聚区”位置的一致性，造成搭接界面结构特征沿焊缝方向存在差异，进而影响搅拌摩擦搭接焊接头强度沿焊缝方向的稳定性。
技术实现思路
1、针对现有技术存在的不足，本专利技术提供面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，改善搭接接头内部的界面结构。本专利技术设计的搅拌针能够增强原始搭接界面附近的材料强烈混合且不形成“材料集聚区”，改善焊核区内外的搭接界面结构特征，尤其是焊核区外的钩状结构平直状态不会因焊接工艺参数如转速、焊速、下压量等的变化而发生显著变化，从而实现高强度、高稳定性的焊接。
2、面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，所述搅拌针包括搅拌针上部、搅拌针中部和搅拌针下部，所述搅拌针上部、搅拌针中部和搅拌针下部依次连接，所述搅拌针上部为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部为上宽下窄的倒锥台结构；所述搅拌针上部和搅拌针下部外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，所述搅拌针中部外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽。
3、所述搅拌针中部顶部与搅拌针上部底部直径一致，搅拌针中部底部与搅拌针下部顶部直径一致。
4、所述搅拌针上部外表面螺纹槽ⅰ向上到下的深度由深至浅、宽度由宽至窄，搅拌针下部外表面螺纹槽ⅱ向下到上的深度由深至浅、宽度由宽至窄，可分别促进材料向下及向上的流动。
5、所述螺纹槽ⅰ、螺纹槽ⅱ、凹槽的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。
6、所述搅拌针中部为圆柱形、椭圆长鼓形等上下直径相同或不同的结构；所述搅拌针中部外表面的凹槽可为直线形槽等其它形状的对称槽。
7、所述搅拌针长度由第一板材、第二板材的厚度决定，搅拌针长度小于第一板材、第二板材的厚度之和，搅拌针上部小于第一板材厚度与轴肩下压量之和，搅拌针中部始终贯穿原始搭接界面。
8、所述第一板材和第二板材的材质为同种或异种材料，材料可为金属、热塑性聚合物等，第一板材和第二板材的厚度为1-20mm。
9、本专利技术的有益效果是：
10、1、本专利技术中提出的有-无序强流搅拌针上的正反螺纹槽在搅拌摩擦搭接焊过程分别使上、下板材料向下、上流动，在搭接界面附近汇聚并形成强烈的材料交互与混合，强化界面附近材料间的冶金结合；汇聚的材料在搅拌针中部对称凹槽的驱动下向上与向下呈往复的“相对无序”流动，避免在搭接界面附近形成“材料集聚区”，极大弱化热机影响区材料所受到的向上推力，使焊核外搭接界面在长焊缝焊接时始终平直分布且焊核内搭接界面(冷搭接)结构复杂化，实现高强度、高稳定性的焊接。
11、2、本专利技术所设计的有-无序强流搅拌针外凸的抛物线旋转体结构，可增强在搭接界面附近材料汇聚后对周围材料(搭接界面)的外推作用，扩大焊核宽度，增加接头的有效搭接宽度，利于进一步增强接头承载。
12、3、在搅拌摩擦胶焊过程中，有-无序强流搅拌针外凸形轮廓因利于外推搅拌针中间段(搭接界面处)附近材料，可有效的减少甚至阻止胶层进入焊核区；搅拌针的强烈往复的上下流动可扩大进入焊核内的胶非连续性分布的分散程度，进而提高接头整体力学性能。
13、4、本专利技术所设计的有-无序强流搅拌针在异种金属搅拌摩擦搭接焊过程中，材料在搭接界面附近的强烈往复的上下流动可使金属间化合物的破碎程度更大或连续分布的金属间化合物边界更复杂，增长裂纹的扩展路径且延缓裂纹的扩展速度，进而利于提升接头强度。
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1.面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，包括搅拌针上部(1)、搅拌针中部(2)和搅拌针下部(3)，所述搅拌针上部(1)、搅拌针中部(2)和搅拌针下部(3)依次连接，所述搅拌针上部(1)为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部(3)为上宽下窄的倒锥台结构，所述搅拌针中部(2)顶部与搅拌针上部(1)底部直径一致，搅拌针中部(2)底部与搅拌针下部(3)顶部直径一致；所述搅拌针上部(1)外表面和搅拌针下部(3)外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，所述搅拌针中部(2)外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽(5)。
2.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针中部(2)为圆柱形、椭圆长鼓形等上下直径相同或不同的结构，搅拌针中部(2)外表面的凹槽(5)可为直线形槽等其它形状的对称槽。
3.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针上部(1)外表面螺纹槽Ⅰ(4)向上到下的深度由深至浅、宽度由宽至窄，搅拌针下部(3)外表面螺纹槽Ⅱ(6)向下到上
4.根据权利要求3所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述螺纹槽Ⅰ(4)、螺纹槽Ⅱ(6)的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。
5.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述凹槽(5)的最大深度不低于0.01mm，螺距不小于0.1mm，最大深度和螺距可随搅拌针的直径大小及需求进行调节。
6.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针长度由第一板材(8)、第二板材(9)的厚度决定，搅拌针长度小于第一板材(8)、第二板材(9)的厚度之和，搅拌针上部(1)长度小于第一板材(8)厚度与轴肩下压量之和，搅拌针中部(2)始终贯穿原始搭接界面(7)。
7.根据权利要求6所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述第一板材(8)和第二板材(9)的材质为同种或异种材料，材料可为金属、热塑性聚合物等，第一板材(8)和第二板材(9)的厚度为1-20mm。
...【技术特征摘要】
1.面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，包括搅拌针上部(1)、搅拌针中部(2)和搅拌针下部(3)，所述搅拌针上部(1)、搅拌针中部(2)和搅拌针下部(3)依次连接，所述搅拌针上部(1)为上窄下宽的锥台结构，搅拌针下部(3)为上宽下窄的倒锥台结构，所述搅拌针中部(2)顶部与搅拌针上部(1)底部直径一致，搅拌针中部(2)底部与搅拌针下部(3)顶部直径一致；所述搅拌针上部(1)外表面和搅拌针下部(3)外表面均设置有螺纹槽，螺纹槽的旋向相反，所述搅拌针中部(2)外表面沿中轴线对称设置倾斜角度相同的凹槽(5)。
2.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针中部(2)为圆柱形、椭圆长鼓形等上下直径相同或不同的结构，搅拌针中部(2)外表面的凹槽(5)可为直线形槽等其它形状的对称槽。
3.根据权利要求1所述的面向高承载、高稳定性搅拌摩擦焊的有-无序强流搅拌针，其特征在于，所述搅拌针上部(1)外表面螺纹槽ⅰ(4)向上到下的深度由深至浅、宽度由宽至窄，搅拌针下部(3)外表面螺纹槽ⅱ(6)向下到上的深度由深至浅、宽度由宽至窄...
【专利技术属性】
技术研发人员：姬书得，马琳，张芷晴，宋崎，董继红，赵华夏，胡为，陈正昊，龚鹏，
申请(专利权)人：沈阳航空航天大学，
类型：发明
国别省市：
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