CN101780601A - 一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩 - Google Patents

Abstract

一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，它涉及一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用保护罩。针对现有钛及钛合金搅拌摩擦焊用气体保护装置结构复杂、适应性较差及易受搅拌头高速旋转而影响保护效果问题。内气罩装在外气罩的空腔内，内气罩进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段上的第一进气孔伸入内气罩圆柱形气体进入段的空腔内，外气罩进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的两个第二进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段和内气罩圆柱形气体进入段之间。本发明结构简单、适应性好，可对焊接区域提供稳定的气体保护，从而保证钛及钛合金的搅拌摩擦焊接质量，用于钛及钛合金搅拌摩擦焊。

Description

一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩

技术领域

本发明涉及一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用保护罩，属于焊接技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊的基本原理如专利PCT/GB92/02203所述。在焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压下形成致密的固相焊缝。从发明至今，搅拌摩擦焊技术已成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接。近年来，钢、钛及钛合金等高熔点材料逐渐成为搅拌摩擦焊的研究热点。与低熔点材料不同的是，高熔点材料在高温下才能塑化并实现焊接，焊接过程中需防止被焊材料与空气组分反应而影响焊接质量，对于化学活性较强的钛及钛合金而言更是如此。

针对钛及钛合金搅拌摩擦焊过程保护问题，洛克希德-马丁公司和南卡莱罗纳大学的研究人员将工件置于充满保护气体的封闭气室内进行焊接[5thInternational Friction Stir Welding Symposium，Metz，2004]。采用这种方式保护效果较好，但需要考虑密封及工件结构尺寸等因素，导致气室结构复杂且适应性较差。日本专利号为JP2004337860-A中提出一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用气体保护装置，焊接过程中保护气体从保护装置入口进入后从出口流出，从而实现对焊接区域的随焊保护。但这种保护装置仅由单层气罩组成，通入气罩内的保护气直接与高速旋转的搅拌头及其传动轴发生接触，从而会产生强烈的紊流运动，会使空气卷入焊接区域而影响保护效果。

发明内容

本发明为了解决现有钛及钛合金搅拌摩擦焊用气体保护装置存在结构复杂、适应性较差及易受搅拌头高速旋转而影响保护效果的问题，提供一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩。

本发明的技术方案是：本发明所述双层气体保护罩由内气罩、外气罩、内气罩进气嘴和外气罩进气嘴组成；内气罩和外气罩沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩装在外气罩的空腔内，内气罩的外部形状为由上至下依次制成一体的内气罩圆柱形配合段、内气罩圆柱形气体进入段和内气罩圆台形气体流出段组成，内气罩圆柱形气体进入段的外径小于内气罩圆柱形配合段的外径，内气罩圆台形气体流出段的上端外径大于其下端外径，内气罩圆台形气体流出段的上端外径与内气罩圆柱形气体进入段的外径相等，内气罩圆柱形配合段的上端面沿圆周方向开有用于与外气罩装配的多个第一连接孔，内气罩圆柱形气体进入段的侧壁上沿径向开有一个内气罩进气孔；外气罩的外部形状为由上至下依次制成一体的外气罩圆柱形配合段、外气罩圆柱形气体进入段和外气罩圆台形气体流出段组成，外气罩圆柱形气体进入段的外径小于外气罩圆柱形配合段的外径，外气罩圆台形气体流出段的上端外径大于其下端外径，外气罩圆台形气体流出段的上端外径与外气罩圆柱形气体进入段的外径相等，外气罩圆柱形配合段的上端面沿圆周方向开有与焊机装配的多个第二连接孔，外气罩圆柱形配合段上与多个第一连接孔相对应位置处开有用于与内气罩装配的多个螺孔，外气罩圆柱形气体进入段的侧壁上对称开有两个第二进气孔，内气罩进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段上的第一进气孔伸入内气罩圆柱形气体进入段的空腔内，外气罩圆柱形气体进入段与内气罩圆柱形气体进入段之间以及外气罩圆台形气体流出段与内气罩圆台形气体流出段之间均分别设有间距，外气罩进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的两个第二进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段和内气罩圆柱形气体进入段之间。

本发明的有益效果是：本发明利用内气罩、外气罩、内气罩进气嘴和外气罩进气嘴组成的双层气体保护罩，使保护气体在焊接过程中分别由内气罩进气嘴和外气罩进气嘴进入内气罩及内气罩与外气罩之间的区域内，并从内气罩的气体流出口和内气罩与外气罩之间的气体流出口流出，从而对焊接区域进行随焊保护。采用这种设计，除了在内气罩中提供保护气体外(该保护气会受到高速旋转搅拌头影响而形成一定的紊流)，还能在内气罩与外气罩之间的区域提供不会受到高速旋转搅拌头影响的层流气体。正是该层流气体，可将周围的空气完全隔离在焊接区以外，从而使焊接区得到比单层气罩更好的保护效果。因此，采用这种设计既具有结构简单、适应性好的优点，还可以对焊接区域提供稳定的气体保护，从而保证钛及钛合金的搅拌摩擦焊接质量。

附图说明

图1是本发明的双层气体保护罩的立体分解图；图2是本发明的双层气体保护罩的主视剖视图；图3是图1的A-A剖视图；图4是采用本发明的双层气体保护罩对钛及钛合金进行焊接的实际过程图；图5是利用本发明的双层气体保护罩对钛及钛合金进行焊接获得的典型钛及钛合金搅拌摩擦焊缝的表面成形图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的双层气体保护罩由内气罩1、外气罩2、内气罩进气嘴3和外气罩进气嘴4组成；内气罩1和外气罩2沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩1装在外气罩2的空腔内，内气罩1的外部形状为由上至下依次制成一体的内气罩圆柱形配合段1-1、内气罩圆柱形气体进入段1-2和内气罩圆台形气体流出段1-3组成，内气罩圆柱形气体进入段1-2的外径小于内气罩圆柱形配合段1-1的外径，内气罩圆台形气体流出段1-3的上端外径大于其下端外径，内气罩圆台形气体流出段1-3的上端外径与内气罩圆柱形气体进入段1-2的外径相等，内气罩圆柱形配合段1-1的上端面沿圆周方向开有用于与外气罩2装配的多个第一连接孔，内气罩圆柱形气体进入段1-2的侧壁上沿径向开有一个内气罩进气孔；外气罩2的外部形状为由上至下依次制成一体的外气罩圆柱形配合段2-1、外气罩圆柱形气体进入段2-2和外气罩圆台形气体流出段2-3组成，外气罩圆柱形气体进入段2-2的外径小于外气罩圆柱形配合段2-1的外径，外气罩圆台形气体流出段2-3的上端外径大于其下端外径，外气罩圆台形气体流出段2-3的上端外径与外气罩圆柱形气体进入段2-2的外径相等，外气罩圆柱形配合段2-1的上端面沿圆周方向开有与焊机装配的多个第二连接孔2-4，外气罩圆柱形配合段2-1上与多个第一连接孔1-4相对应位置处开有用于与内气罩1装配的多个螺孔2-5，外气罩圆柱形气体进入段2-2的侧壁上对称开有两个第二进气孔，内气罩进气嘴3穿过外气罩圆柱形气体进入段2-2上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段1-2上的第一进气孔1-4伸入内气罩圆柱形气体进入段1-2的空腔内，外气罩圆柱形气体进入段2-2与内气罩圆柱形气体进入段1-2之间以及外气罩圆台形气体流出段2-3(外气罩圆台形气体流出段2-3的下端为外气罩2的气体流出口)与内气罩圆台形气体流出段1-3(内气罩圆台形气体流出段1-3的下端为内气罩1的气体流出口)之间均分别设有间距，外气罩进气嘴4穿过外气罩圆柱形气体进入段2-2上的两个第二进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段2-2和内气罩圆柱形气体进入段1-2之间。

具体实施方式二：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的内气罩1、外气罩2、内气罩进气嘴3和外气罩进气嘴4均采用不锈钢制成，以保证长期工作过程中具有光洁的表面和尺寸稳定性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的第一连接孔1-4为光孔，第一连接孔1-4的数量为四个，四个第一连接孔1-4沿内气罩圆柱形配合段1-1的圆周方向均匀分布，以保证圆柱形配合段下端面与外气罩配合面的气密均匀性。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的第二连接孔2-4为光孔，第二连接孔2-4的数量为六个，六个第二连接孔2-4沿外气罩圆柱形配合段2-1的圆周方向均匀分布，以保证圆柱形配合段上端面与焊机配合面的气密均匀性。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式五：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的内气罩进气嘴3伸入内气罩圆柱形气体进入段1-2空腔内1～2mm，以保证气体可靠流入内气罩。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图3说明本实施方式，本实施方式的外气罩圆柱形气体进入段2-2和内气罩圆柱形气体进入段1-2之间的间距为4～6mm，以保证气体稳定流动。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图3说明本实施方式，本实施方式的伸入外气罩圆柱形气体进入段2-2和内气罩圆柱形气体进入段1-2之间的外气罩进气嘴4距离外气罩圆柱形气体进大段2-2的内壁1～2mm，以保证气体可靠流入外气罩与内气罩之间的区域。其它组成和连接关系与具体实施方式一或六相同。

具体实施方式八：结合图1～图3说明本实施方式，本实施方式的外气罩圆台形气体流出段2-3的锥角α和内气罩圆台形气体流出段1-3的锥角β相等均为90°～120°，以保证气体稳定流动。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的外气罩圆台形气体流出段2-3与内气罩圆台形气体流出段1-3之间的间距为2～3mm，以保证气体稳定流出。其它组成和连接关系与具体实施方式一或八相同。

在实际焊接时，将搅拌头安装到焊机输出轴后，用螺栓将本发明的双层气体保护罩固定到焊机上，搅拌头轴线与该双层气体保护罩轴线重合，内气罩进气嘴3和外气罩进气嘴4分别接上由氩气瓶上接出的两根气管上，如图4所示。针对所焊钛及钛合金的种类和厚度，选择合适的焊接工艺及氩气流量，可以获得表面光洁、成形良好的搅拌摩擦焊缝，如图5所示。

Claims (9)

1.一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：所述双层气体保护罩由内气罩(1)、外气罩(2)、内气罩进气嘴(3)和外气罩进气嘴(4)组成；内气罩(1)和外气罩(2)沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩(1)装在外气罩(2)的空腔内，内气罩(1)的外部形状为由上至下依次制成一体的内气罩圆柱形配合段(1-1)、内气罩圆柱形气体进入段(1-2)和内气罩圆台形气体流出段(1-3)组成，内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的外径小于内气罩圆柱形配合段(1-1)的外径，内气罩圆台形气体流出段(1-3)的上端外径大于其下端外径，内气罩圆台形气体流出段(1-3)的上端外径与内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的外径相等，内气罩圆柱形配合段(1-1)的上端面沿圆周方向开有用于与外气罩(2)装配的多个第一连接孔，内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的侧壁上沿径向开有一个内气罩进气孔；外气罩(2)的外部形状为由上至下依次制成一体的外气罩圆柱形配合段(2-1)、外气罩圆柱形气体进入段(2-2)和外气罩圆台形气体流出段(2-3)组成，外气罩圆柱形气体进入段(2-2)的外径小于外气罩圆柱形配合段(2-1)的外径，外气罩圆台形气体流出段(2-3)的上端外径大于其下端外径，外气罩圆台形气体流出段(2-3)的上端外径与外气罩圆柱形气体进入段(2-2)的外径相等，外气罩圆柱形配合段(2-1)的上端面沿圆周方向开有与焊机装配的多个第二连接孔(2-4)，外气罩圆柱形配合段(2-1)上与多个第一连接孔(1-4)相对应位置处开有用于与内气罩(1)装配的多个螺孔(2-5)，外气罩圆柱形气体进入段(2-2)的侧壁上对称开有两个第二进气孔，内气罩进气嘴(3)穿过外气罩圆柱形气体进入段(2-2)上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段(1-2)上的第一进气孔(1-4)伸入内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的空腔内，外气罩圆柱形气体进入段(2-2)与内气罩圆柱形气体进入段(1-2)之间以及外气罩圆台形气体流出段(2-3)与内气罩圆台形气体流出段(1-3)之间均分别设有间距，外气罩进气嘴(4)穿过外气罩圆柱形气体进入段(2-2)上的两个第二进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段(2-2)和内气罩圆柱形气体进入段(1-2)之间。

2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：内气罩(1)、外气罩(2)、内气罩进气嘴(3)和外气罩进气嘴(4)均采用不锈钢制成。

3.根据权利要求1或2所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：第一连接孔(1-4)为光孔，第一连接孔(1-4)的数量为四个，四个第一连接孔(1-4)沿内气罩圆柱形配合段(1-1)的圆周方向均匀分布。

4.根据权利要求1或2所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：第二连接孔(2-4)为光孔，第二连接孔(2-4)的数量为六个，六个第二连接孔(2-4)沿外气罩圆柱形配合段(2-1)的圆周方向均匀分布。

5.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：内气罩进气嘴(3)伸入内气罩圆柱形气体进入段(1-2)空腔内1～2mm。

6.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：外气罩圆柱形气体进入段(2-2)和内气罩圆柱形气体进入段(1-2)之间的间距为4～6mm。

7.根据权利要求1或6所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：伸入外气罩圆柱形气体进入段(2-2)和内气罩圆柱形气体进入段(1-2)之间的外气罩进气嘴(4)距离外气罩圆柱形气体进入段(2-2)的内壁1～2mm。

8.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：外气罩圆台形气体流出段(2-3)的锥角(α)和内气罩圆台形气体流出段(1-3)的锥角(β)相等均为90°～120°。

9.根据权利要求1或8所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，其特征在于：外气罩圆台形气体流出段(2-3)与内气罩圆台形气体流出段(1-3)之间的间距为2～3mm。

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