本发明属于角接焊缝静止轴肩搅拌摩擦焊接生产技术领域，特别是涉及一种用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头。
背景技术：
在制造生产过程中，搅拌摩擦焊的角接通常是用对接焊缝弯折成所需角度，这样不光增加了制造工序，而且还降低了焊缝的强度，所以角接接头的搅拌摩擦焊研究得到了关注。然而在焊接界面的精细结构表征和复杂应力状态下接头的力学性能方面还需要进一步的深入研究。
7b52叠层铝合金是我国自主研发的超高强铝合金，对于7b52叠层铝合金搅拌摩擦焊接，目前研究较少，关于这方面的研究成果几乎没有。而7b52叠层装甲铝合金的搅拌摩擦焊接研究将对这种材料的推广普及起到至关重要的作用，一旦在该研究上取得进展，将会为新型材料装甲车的研发和生产奠定基础，从而推动军事装甲车的更新换代，大大提高装甲车的抗弹性能，增强装甲车在战争中的存活几率，对车上人员的生命安全增强保证。此外，该材料可能还能广泛应用于其他需要灵活性与抗弹性的军事装备中，具有非常广泛的应用前景。
现有静止轴肩搅拌摩擦焊接角焊缝技术中，存在着诸多问题，例如，在焊接过程中，塑形金属会大量挤入搅拌针与静止轴肩的配合间隙中，导致焊接在焊接时，只能焊接不到500mm的焊缝后，就需要拆卸搅拌头清理配合间隙中的挤入金属，这一现象大大降低了静止轴肩焊接的效率，也是设计静止轴肩的难点之一。
技术实现要素：
本发明目的在于解决装甲车制造中使用高强铝合金焊接复杂结构的零件时，角接焊缝难以焊接的问题，提供一种用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头。
实现本发明目的提供技术方案如下：
本发明提供一种用于薄板角接接头焊接的高效静止轴肩搅拌头，包括静止轴肩、搅拌针、夹持端。夹持端位于整个搅拌针的根部，搅拌针插入静止轴肩的空腔中，搅拌针前端伸出轴肩最前端5mm，搅拌针与静止轴肩的配合间隙为0.5mm。搅拌头能够焊接装配间隙在0-2mm之间的6-8mm厚的角接焊缝。静止轴肩，材料为奥氏体不锈钢301(17cr-7ni)，以一条轴肩上表面中轴线为对称线，切割两个对称斜面，斜面角度为96°，在轴肩中部斜率增加，减小了轴肩与母材的接触面积，从而减小了焊接过程中摩擦力的同时，降低了静止轴肩刮蹭损坏焊板表面的可能。在静止轴肩顶部添加了钝角凸台，凸台角度与轴肩一致，厚度为1mm，且材料与轴肩材料相同。
优选地，轴肩凸台添加硼化物陶瓷涂层，涂层厚度为0.3mm，使轴肩具有优良的抗氧化性和耐磨性并提高轴肩的硬度与热稳定性。
优选地，搅拌针，在搅拌针伸出轴肩部分采用两端设计，伸出部分共11mm，后端6mm为逆时针梯形螺纹，螺距为1mm，前端为光滑的锥形圆台。
优选地，搅拌针，直径为8mm，顶端锥形圆台直径在4-8mm之间。
优选地，搅拌针采用马氏体铬不锈钢440(9cr18)，并对其进行淬火回火处理，使搅拌针具有高强度、高硬度以及优良的耐磨性。
优选地，搅拌针采用马氏体铬不锈钢进行制造，并进行淬火 回火热处理，淬火温度为870℃，回火温度为630℃，保温半小时。
优选地，搅拌头，能够实现近直角接头的焊接，焊接角度范围87-95°。
此外，本发明提供一种用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头的工艺方法，如下步骤：
(1)选择工装夹具，并将两块焊板与地面呈45°放置，确保焊板接触面无坡口、螺纹；
(2)选择焊接板材为7b52叠层装甲铝合金，将5-8mm的7b52叠层装甲铝合金板装夹在工装夹具上，选择针长小于焊缝厚度0.2-0.8mm；
(3)将搅拌头移动到焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线对齐，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。
(4)搅拌针旋转方向为顺时针，转速在500-900rpm之间，焊接速度在50-80mm/min之间，搅拌头倾角在1.5-3.5°之间，搅拌头下压速度在8-12mm/min之间；焊前停留10-15s；焊后停留8-10s；搅拌头拔起速度在10-15mm/min之间。
本发明与现有技术相比具有显著特点为：
1.本发明通过两段式设计的搅拌针，前端为锥形圆台，后半部分为逆时针螺纹，在实际焊接过程中，能有效阻止流动塑性金属进入搅拌针与静止轴肩的配合间隙中。静止轴肩搅拌头在焊接时经常需要焊接一段距离就能拆卸下来清理间隙中的金属，本发明能够有效的提高单次焊接距离。
2.本发明针两种零件所需要的性能，使用两种不同型号的不锈钢，分别制造轴肩与搅拌针，并对轴肩接触表面添加硼化物陶瓷涂层，增加轴肩的耐磨性与其硬度，对搅拌针进行淬火 回火的热处理，提高搅拌针的硬度和耐磨性，并提高搅拌针的热稳定性。使搅拌头能够承受高负荷的工作。
3.本发明针对实际焊接直角焊缝角度存在偏差的问题，设计出倒三角型轴肩，并在轴肩前端添加了与其材料相同的凸台，角度为96°，能够焊接87-95°的角接接头。轴肩与焊缝之间存在的空腔，能够使塑性金属充分流动，并能够有效防止焊缝减薄。
4.本发明通过特殊的搅拌针螺纹设计，能够有效地阻止塑性金属挤入配合间隙，从而增加搅拌针的单次焊接长度。
5.本发明提供的搅拌头并配合相应工艺，能够实现87-95°之内的角接接头高强铝合金薄板的焊接，降低了薄板铝合金搅拌摩擦焊的加工装配精度要求，拓宽了搅拌摩擦焊的应用前景。
附图说明
图1为搅拌摩擦焊搅拌头的立体图。
图2为搅拌头轴肩的零件图。
图3为搅拌针的零件图。
其中，静止轴肩1、轴肩钝角斜面2、钝角凸台3、搅拌针4、夹持端5、锥形圆台6、梯形螺纹7。
具体实施方式
结合说明书附图对本申请的优选实施例进行说明。
图1为本发明一种用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头的整体零件图，包括静止轴肩1、搅拌针4、夹持端5；所述静止轴肩1，夹持端5位于整个搅拌针的根部长度为30mm，搅拌针4插入静止轴肩的空腔中，搅拌针前端伸出轴肩最前端5mm，搅拌针4与静止轴肩1的配合间隙为0.5mm。搅拌头能够焊接装配间隙在0-2mm之间的6-8mm厚的角接焊缝。所述静止轴肩1，材料为奥氏体不锈钢301(17cr-7ni)，以一条轴肩上表面中轴线为对称线，切割两个对称斜面，斜面角度为96°，在轴肩中部斜率增加，减小了轴肩与母材的接触面积，从而减小了焊接过程中摩擦力的同时，降低了静止轴肩刮蹭损坏焊板表面的可能。在静止轴肩顶部的斜面2添加了钝角凸台，从而减小轴肩与焊板的接触面积，凸台角度与轴肩一致，为96°，厚度为1mm，且材料与轴肩材料相同轴肩总高度为32mm。
具体地，所述钝角凸台3表面添加硼化物陶瓷涂层，涂层厚度为0.3mm，使轴肩具有优良的抗氧化性和耐磨性并提高轴肩的硬度与热稳定性。涂层设置为0.3mm能够防止涂层发生断裂，并且最大程度上不影响搅拌头结构。
具体地，所述搅拌针4，在搅拌针伸出轴肩部分采用两端设计，伸出部分共11mm，后端6mm为逆时针梯形螺纹7，螺距为1mm，前端为光滑的锥形圆台6。
具体地，所述搅拌针4，直径为8mm，顶端锥形圆台6直径在4-8mm之间。
具体地，所述搅拌针4采用马氏体铬不锈钢440(9cr18)，并对其进行淬火回火处理，使搅拌针具有高强度、高硬度以及优良的耐磨性。
具体地，所述搅拌针采用马氏体铬不锈钢进行制造，并进行淬火 回火热处理，淬火温度为870℃，回火温度为630℃，保温半小时。
具体地，所述搅拌头，能够实现近直角接头的焊接，焊接角度范围87-95°。
此外，本发明提供一种用于薄板角接接头焊接的高效静止轴肩搅拌头进行焊接的工艺方法，能够实现焊接角度在87-95°之间的角接接头，焊接步骤如下：
(1)工装夹具为自主设计夹具，两块焊板与地面呈45°放置，焊板接触面无坡口、螺纹等特殊加工。
(2)焊接板材为7b52叠层装甲铝合金，将5-8mm的7b52叠层装甲铝合金板装夹在工装夹具上，焊板之间由于加工误差导致的接头缝隙不得超过1.5mm，搅拌针实际压入长度小于焊缝厚度0.2-0.8mm。
(3)将搅拌头移动到焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线对齐，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止。
(4)搅拌针旋转方向为顺时针，转速在500-900rpm之间，焊接速度在50-80mm/min之间，搅拌头倾角在1.5-3.5°之间，搅拌头下压速度在8-12mm/min之间；焊前停留10-15s；焊后停留8-10s；搅拌头拔起速度在10-15mm/min之间。
综上所述，本申请能够实现高强铝合金的角接接头焊接，通过特殊形状的静止轴肩，以及轴肩上表面添加涂层凸台，能够很好地压住焊缝中的塑性流动金属，并且能减少焊缝减薄。搅拌针的逆时针螺纹设计，在搅拌针顺时针转动时，能够于晓阻止金属挤入轴肩与搅拌针的配合间隙当中，防止因焊缝内塑性金属量不足导致出现犁沟等缺陷。本申请提供的焊接工艺方法，经过试验，能够得到成形良好的角接接头焊缝。所以本申请能够解决高强铝合金的角接接头搅拌摩擦焊问题，在制造生产领域具有重要意义。
1.一种用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，包括静止轴肩、搅拌针、夹持端，其中，夹持端位于整个搅拌针的根部，搅拌针插入静止轴肩的空腔中，搅拌针前端伸出轴肩最前端5mm，搅拌针与静止轴肩的配合间隙为0.5mm；所述的静止轴肩，以一条轴肩最上部的圆形端面的中轴线为基准，沿斜下方切割两个镜面对称的斜面，形成一条角度为96°的棱角，在轴肩所切斜面的中下部对轴肩再次切割，两个斜面夹角为45°，从而减小轴肩与母材的接触面积，在静止轴肩顶部设置了钝角凸台，凸台角度与轴肩一致，厚度为1mm，且在凸台顶部设计半径为1mm圆角。
2.根据权利要求1所述的用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，所述的静止轴肩，材料为奥氏体不锈钢301(17cr-7ni)。
3.根据权利要求1所述的用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，所述的静止轴肩凸台添加硼化物陶瓷涂层，涂层厚度为0.3mm。
4.根据权利要求1所述用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，所述的搅拌针，在搅拌针伸出轴肩部分采用两端设计，伸出部分共11mm，后端6mm为逆时针梯形螺纹，螺距为1mm，前端为光滑的锥形圆台。
5.根据权利要求1所述的用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，所述的搅拌针，直径为8mm，顶端锥形圆台直径在4-8mm之间。
6.根据权利要求1所述的用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，所述的搅拌针采用马氏体铬不锈钢440b(9cr18)，并对其进行淬火回火处理，淬火温度为870℃，回火温度为630℃，保温半小时。
7.根据权利要求1所述的用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头，其特征在于，所述的搅拌头，能够实现近直角接头的焊接，焊接角度范围87-95°。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的用于高强铝合金变角度角接接头的高效静止轴肩搅拌头的焊接工艺，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选择工装夹具，并将两块焊板与地面呈45°放置，确保焊板接触面无坡口、螺纹；
(2)选择焊接板材为7b52叠层装甲铝合金，将5-8mm的7b52叠层装甲铝合金板装夹在工装夹具上，选择针长小于焊缝厚度0.2-0.8mm；
(3)将搅拌头运动到焊缝开始位置，调整搅拌头位置使搅拌针中心与焊缝中线重合，搅拌头向下移动至搅拌针端面与工件表面接触时停止；
(4)设置搅拌针旋转方向为顺时针，转速在500-900rpm之间，焊接速度在50-80mm/min之间，搅拌头倾角在1.5-3.5°之间，此外，搅拌头下压速度在8-12mm/min之间；焊前停留10-15s；焊后停留10s；搅拌头拔起速度在10-15mm/min之间。
技术总结