CN103212779B - 一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，该装置包括搅拌头、搅拌头冷却器、被焊接工件保护器、被焊接工件冷却器、水冷机、计算机和保护气体罐，搅拌头冷却器安装在被焊接工件保护器上端，搅拌头安装在搅拌头冷却器和被焊接工件保护器之中，被焊接工件冷却器安置在被焊接工件保护器下侧用于固定和冷却被焊接工件。采用本发明的装置进行搅拌摩擦焊接时，可以有效地冷却搅拌头，减少搅拌头的磨损，提高其使用寿命；焊接过程中和焊后冷却过程中可以有效保护焊接接头，防止焊接接头发生氧化，焊缝成形美观；对焊接接头进行实时在线冷却，可以减少焊接接头的热软化效应，细化微观组织，显著提高焊接接头的强度和塑性。

Description

一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置

技术领域

本发明属于金属焊接领域，涉及一种搅拌摩擦焊接装置，特别涉及一种冷却搅拌头和保护冷却被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年开发的一种新型固相焊接技术。搅拌摩擦焊接过程中，被焊接材料产生剧烈的塑性变形，可实现焊接接头组织细化和均匀化。焊接过程中较低的热循环作用，减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有高的强度和韧性。搅拌摩擦焊接技术克服了传统熔焊焊接技术焊接金属材料时出现的气孔、夹杂、组织粗大等问题，为铝、铜、镁、钢、钛等材料的焊接提供了一条极具发展潜力的方法。

搅拌摩擦焊接技术主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。因此，搅拌头在焊接过程中，经受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，这一问题在焊接高熔点材料，比如钢、钛时显得尤为严重，这对搅拌头的材料提出了较高的要求。因此，设计开发成本低廉且使用寿命长的搅拌摩擦焊用搅拌头成为解决高熔点材料搅拌摩擦焊接的关键问题。高熔点材料焊接时，温度高达1000℃以上，在如此高的温度下能满足使用要求的材料往往是难熔金属合金或结构陶瓷，这些材料的制造和加工难度都较大。目前，大多采用多晶立方氮化硼和钨基合金作为搅拌头材料。钨基合金韧性较好，焊接过程中不易发生脆性破坏，但较易发生磨损，且价格昂贵。而多晶立方氮化硼的耐磨性较好，但其韧性较差，易于脆断，而且商用的PCBN主要为美国所垄断，材料成本昂贵。由此可见，目前设计开发成本低廉，性能优良的搅拌头尚存在较大难度，导致高熔点材料的搅拌摩擦焊接受到较大限制。为了弥补搅拌头材料本身制造加工难、成本高等问题，可以对搅拌头结构进行优化设计。此外，对焊接过程中的搅拌头进行冷却也是一个行之有效的方法。目前的冷却方式主要有两种，一种是在焊接过程中，直接对搅拌头进行冷却液喷洒，另一种方式就是采用内部带循环水冷通道的自冷却式搅拌头，如申请号为200710130673.9的中国专利申请所公开的方式中，在搅拌头中心部位设有冷却介质导入管和导出管实现冷却液的循环冷却。但上述两种方式都存在各自明显的缺点，采用冷却液直接喷洒的手段，会将冷却液喷洒到被焊接工件和焊机工作台上，对焊接过程造成影响，污染焊接设备，焊后清除残留冷却液也比较麻烦。采用带内部循环水冷通道的自冷却式搅拌头可以很好地克服上述问题，但搅拌头的内部结构比较复杂，制造加工困难，而且搅拌头为易损耗件，使用成本较高。再者，带内部循环水冷通道的自冷却式搅拌头为中心空心结构，降低了搅拌头的机械承载力，缩短其使用寿命。

搅拌摩擦焊接过程中产生了大量的摩擦热和塑性变形热，使得焊接接头存在明显的热软化效应，组织粗大，导致焊接接头的强度仍低于母材，特别是高强铝合金焊接接头，其最高强度约为母材强度的80%。例如，2219-T8铝合金的抗拉强度仅为母材强度的65%，7075-T651铝合金的抗拉强度仅为母材强度的75%。因此，在焊接过程中对被焊接工件进行实时冷却十分重要。目前的冷却方式主要有三种方式，一种是空气冷却方式，比如采用自然空气和强制空气冷却方法，这种方法冷却速度较慢，导致焊核区的再结晶晶粒长大，焊缝质量较差。第二种方式是采用冷却液（水、干冰、酒精、液氮及它们的混合物）对被焊接工件进行直接喷洒和浸泡式冷却，此种方式的冷却速度较快，冷却效果明显，但液态冷却介质直接与被连接工件进行接触，液态冷却介质降低了被焊接工件的高温塑性，焊接质量较差。再者，直接喷洒的冷却方式容易对焊接设备造成污染，焊后清扫麻烦。第三种方式是采用外置冷却器对焊接工件进行冷却。如申请号为201210099428.7的中国专利申请所公开的方式中，采用密闭式冷却液循环流动的干式冷却装置对被焊接工件进行非接触式干式冷却。此种密闭式冷却器与被焊接工件不直接接触，焊缝成型性较好，焊接过程干扰较少，但非接触式冷却效果相对较差，且此装置结构复杂，成本相对较高。再者，采用内部带冷却液循环流动的垫板对直接位于其上方的被焊接工件进行实时冷却，这种具有冷却功能的垫板内部为中空或带冷却通道，中空型垫板的支撑作用被大幅降低，而带冷却通道的垫板由于冷却通道的热传导能力有限而导致冷却效果较差。

搅拌摩擦焊接过程中，对被焊接工件进行隔离空气保护是提高焊接质量的关键问题，尤其是在焊接化学活泼性较强的钛及钛合金时，焊缝保护尤为重要。目前普遍采用的方法有两种，一种是将整个被焊接工件置于充满保护气体的封闭气体室内实施焊接。采用这种保护方式保护效果较好，但气体室的密封困难，且焊接工装等操作复杂。另一种方式是对焊接过程中的局部焊缝进行喷吹惰性保护气体。如申请号为201010127857.1的中国专利申请所公开的方式中，采用一种双层气体保护罩对焊接过程中搅拌针周围的局部区域进行随焊保护。采用这种保护方式只能对焊接过程中的施焊局部区域保护效果较好，不能对焊缝的焊后冷却过程进行有效保护。

发明内容

针对上述传统搅拌摩擦焊接装置存在搅拌头冷却、被焊接工件冷却及保护的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种冷却搅拌头和保护冷却被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，利用该装置及方法可实现优质高效的搅拌摩擦焊接。

为了实现上述任务，本发明采用如下技术方案予以实现：

一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头，所述的搅拌头包括轴身、轴肩和搅拌针，在轴身一端加工有锥台形的轴肩，轴肩端部加工有搅拌针；该装置还包括搅拌头冷却器、被焊接工件保护器、被焊接工件冷却器、水冷机、计算机和保护气体罐，搅拌头冷却器安装在被焊接工件保护器上端，搅拌头安装在搅拌头冷却器和被焊接工件保护器之中，被焊接工件冷却器安置在被焊接工件保护器下侧用于固定和冷却被焊接工件，其中：

所述的搅拌头冷却器包括L形支架、上端盖、器壁和下端盖，L形支架固定在上端盖上并且与焊机端盖相连用于将搅拌头冷却器与焊机端盖可拆卸式固定在一起；上端盖固定在器壁上端，下端盖固定在器壁下端，上端盖、器壁和下端盖组成一个圆柱形的内空腔，搅拌头的轴身密封安装在上端盖和下端盖上，搅拌头的轴肩靠近轴身的部分密封安装在下端盖上；在器壁的一侧靠近上端盖的一端设置有第一进水口，与第一进水口同一侧靠近下端盖的器壁上设置有第一排水口，第一进水口上面的器壁上加工有液位传感器安装孔，器壁上与第一进水口相对的一侧靠近下端盖的一端加工有第一出水口，器壁上还加工有温度传感器安装孔；

所述的被焊接工件保护器包括气体喷射环块和保护罩，气体喷射环块密封固定安装在搅拌头冷却器的下端盖上，保护罩可拆卸式固定在搅拌头冷却器的下端盖上使得被焊接工件保护器在搅拌头的带动下在被焊接工件冷却器上运动；在保护罩侧面设置有排气口，在气体喷射环块上加工有贯通气体喷射环块的内喷嘴和外喷嘴，在下端盖的底面上加工有与内喷嘴对应连通的内喷嘴环形通道和与外喷嘴对应连通的外喷嘴环形通道，下端盖侧壁上设置有内喷嘴进气口和外喷嘴进气口，内喷嘴进气口和内喷嘴环形通道之间通过内喷嘴直通道相连通，外喷嘴进气口和外喷嘴环形通道之间通过外喷嘴直通道相连通；

所述的被焊接工件冷却器包括用于放置被焊接工件的垫板上盖、支架、垫板下盖和蛇形射流器，垫板上盖和垫板下盖组成一个密封的腔体，支架安装在腔体内侧的垫板上盖和垫板下盖之间起支撑作用，蛇形射流器安装在被支架隔开的腔体内，蛇形射流器上设置有第二进水口和多个蛇形射流器喷水孔，垫板上盖上设置有第二出水口，垫板下盖一侧设置有第二排水口；

所述的水冷机的输出端通过输水管与第一水泵的输入端相连、第一水泵的输出端与两条支路相连，一条支路通过第一单向阀与第一进水口相连，另一条支路通过第二单向阀与第二进水口相连；第一出水口依次与第三单向阀、第一流量计和水冷机的输入端相连，第二出水口依次与第四单向阀、第二流量计和水冷机的输入端相连；第一排水口通过第五单向阀与第二水泵的输入端相连，第二排水口通过第六单向阀与第二水泵的输入端相连，第二水泵的输出端与水冷机的输入端相连；

所述的计算机的输入端分别与液位传感器、温度传感器、第一流量计和第二流量计相连，计算机的输出端分别与水冷机、第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀相连，所述的液位传感器安装在液位传感器安装孔内，所述的温度传感器安装在温度传感器安装孔内；

所述的保护气体罐通过输气管分别与内喷嘴进气口和外喷嘴进气口相连通。

本发明还具有如下技术特点：

所述的上端盖和轴身之间通过搅拌头密封圈密封，所述的下端盖和轴身之间通过搅拌头密封圈密封，所述的下端盖和轴肩之间通过与轴肩锥度相同的滚动密封轴承密封。

所述的内喷嘴和外喷嘴的入口端和出口端为连续变孔径圆形通道，入口端和出口端之间通过等孔径圆形通道连通，变孔径圆形通道的大孔径端远离等孔径圆形通道一侧。

所述的内喷嘴和外喷嘴均为8个，内喷嘴和外喷嘴在气体喷射环块上均呈等径环向对称分布，内喷嘴和对应的外喷嘴之间无径向夹角。

所述的内喷嘴的轴线与外喷嘴的轴线相对于搅拌头的垂直方向的轴线对称，内喷嘴的轴线与搅拌头的垂直方向的轴线呈15°夹角。

所述的内喷嘴环形通道和内喷嘴之间通过喷嘴密封圈密封；所述的外喷嘴环形通道和外喷嘴之间通过喷嘴密封圈密封。

所述的保护罩采用透明有机玻璃加工成型。

本发明与现有技术相比的有益技术效果为：

采用本发明的装置进行搅拌摩擦焊接时，可以有效地冷却搅拌头，减少搅拌头的磨损，提高其使用寿命；焊接过程中和焊后冷却过程中可以有效保护焊接接头，防止焊接接头发生氧化，焊缝成形美观；在焊接过程中，对焊接接头进行实时在线冷却，可以减少焊接接头的热软化效应，细化微观组织，显著提高焊接接头的强度和塑性。而且本发明的装置操作方便，对设备和周围环境没有污染，也不会对焊接过程中焊接接头成型产生干扰。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是图1的A处的局部放大示意图。

图3是图1的B-B截面的结构示意图。

图4是射流器的射流孔的排布结构示意图。

图5是气体喷射环块上的内喷嘴和外喷嘴的排布结构示意图。

图6是采用本发明装置的焊接接头宏观形貌。

图7是未采用本发明装置的焊接接头宏观形貌。

图8是焊接接头抗拉强度值对比图。

图9是焊接接头显微硬度对比图。

图中各个标号的含义有：1-搅拌头，2-轴身，3-轴肩，4-搅拌针，5-搅拌头冷却器，6-被焊接工件保护器，7-被焊接工件冷却器，8-水冷机，9-计算机，10-焊机端盖，11-L形支架，12-搅拌头密封圈，13-上端盖，14-器壁，15-下端盖，16-滚动密封轴承，17-第一进水口，18-液位传感器安装孔，19-液位传感器，20-第一出水口，21-温度传感器安装孔，22-温度传感器，23-第一排水口，24-气体喷射环块，25-保护罩，26-内喷嘴，27-外喷嘴，28-排气口，29-内喷嘴进气口，30-外喷嘴进气口，31-内喷嘴环形通道，32-外喷嘴环形通道，33-内喷嘴直通道，34-外喷嘴直通道，35-喷嘴密封圈，36-被焊接工件，37-垫板上盖，38-垫板下盖，39-蛇形射流器，40-蛇形射流器喷水孔，41-第二排水口，42-第二进水口，43-第二出水口，44-保护气体罐，45-输气管，46-输水管，47-第一流量计，48-第二流量计，49-第一水泵，50-第二水泵，51-第一单向阀，52-第二单向阀，53-第三单向阀，54-第四单向阀，55-第五单向阀，56-第六单向阀，57-支架。

以下结合附图和实施例对本发明的具体内容作进一步详细地说明。

具体实施方式

遵从上述技术方案，如图1至图5所示，下述实施例给出一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头1，所述的搅拌头1包括轴身2、轴肩3和搅拌针4，在轴身2一端加工有锥台形的轴肩3，轴肩3端部加工有搅拌针4；该装置还包括搅拌头冷却器5、被焊接工件保护器6、被焊接工件冷却器7、水冷机8、计算机9和保护气体罐44，搅拌头冷却器5安装在被焊接工件保护器6上端，搅拌头1安装在搅拌头冷却器5和被焊接工件保护器6之中，被焊接工件冷却器7安置在被焊接工件保护器6下侧用于固定和冷却被焊接工件36，其中：

所述的搅拌头冷却器5包括L形支架11、上端盖13、器壁14和下端盖15，L形支架11固定在上端盖13上并且与焊机端盖10相连用于将搅拌头冷却器5与焊机端盖10可拆卸式固定在一起；上端盖13固定在器壁14上端，下端盖15固定在器壁14下端，上端盖13、器壁14和下端盖15组成一个圆柱形的内空腔，搅拌头1的轴身2密封安装在上端盖13和下端盖15上，搅拌头1的轴肩3靠近轴身2的部分密封安装在下端盖15上；在器壁14的一侧靠近上端盖13的一端设置有第一进水口17，与第一进水口17同一侧靠近下端盖15的器壁14上设置有第一排水口23，第一进水口17上面的器壁14上加工有液位传感器安装孔18，器壁14上与第一进水口17相对的一侧靠近下端盖15的一端加工有第一出水口20，器壁14上还加工有温度传感器安装孔21；

所述的被焊接工件保护器6包括气体喷射环块24和保护罩25，气体喷射环块24密封固定安装在搅拌头冷却器5的下端盖15上，保护罩25可拆卸式固定在搅拌头冷却器5的下端盖15上使得被焊接工件保护器6在搅拌头1的带动下在被焊接工件冷却器7上运动；在保护罩25侧面设置有排气口28，在气体喷射环块24上加工有贯通气体喷射环块24的内喷嘴26和外喷嘴27，在下端盖15的底面上加工有与内喷嘴26对应连通的内喷嘴环形通道31和与外喷嘴27对应连通的外喷嘴环形通道32，下端盖15侧壁上设置有内喷嘴进气口29和外喷嘴进气口30，内喷嘴进气口29和内喷嘴环形通道31之间通过内喷嘴直通道33相连通，外喷嘴进气口30和外喷嘴环形通道32之间通过外喷嘴直通道34相连通；

所述的被焊接工件冷却器7包括用于放置被焊接工件的垫板上盖37、支架57、垫板下盖38和蛇形射流器39，垫板上盖37和垫板下盖38组成一个密封的腔体，支架57安装在腔体内侧的垫板上盖37和垫板下盖38之间起支撑作用，蛇形射流器39安装在被支架57隔开的腔体内，蛇形射流器39上设置有第二进水口42和多个蛇形射流器喷水孔40，垫板上盖37上设置有第二出水口43，垫板下盖38一侧设置有第二排水口41；

所述的水冷机8的输出端通过输水管46与第一水泵49的输入端相连、第一水泵49的输出端与两条支路相连，一条支路通过第一单向阀51与第一进水口17相连，另一条支路通过第二单向阀52与第二进水口42相连；第一出水口20依次与第三单向阀53、第一流量计47和水冷机8的输入端相连，第二出水口43依次与第四单向阀54、第二流量计48和水冷机8的输入端相连；第一排水口23通过第五单向阀55与第二水泵50的输入端相连，第二排水口41通过第六单向阀56与第二水泵50的输入端相连，第二水泵50的输出端与水冷机8的输入端相连；

所述的计算机9的输入端分别与液位传感器19、温度传感器22、第一流量计47和第二流量计48相连，计算机9的输出端分别与水冷机8、第一单向阀51、第二单向阀52、第三单向阀53和第四单向阀54相连，所述的液位传感器19安装在液位传感器安装孔18内，所述的温度传感器22安装在温度传感器安装孔21内；

所述的保护气体罐44通过输气管45分别与内喷嘴进气口29和外喷嘴进气口30相连通。

上端盖13和轴身2之间通过搅拌头密封圈12密封，下端盖15和轴身2之间通过搅拌头密封圈12密封，下端盖15和轴肩3之间通过与轴肩3锥度相同的滚动密封轴承16密封。搅拌摩擦焊接时，搅拌头1受到轴向向下的压力，采用带锥度的滚动密封轴承16既保证搅拌头1的轴向旋转运动，又能够防止冷却液从内部空腔渗漏。采用带锥度的滚动密封轴承16和搅拌头密封圈12的双重密封结构，长期密封效果好，避免了冷却液渗漏对焊接过程的干扰和对设备的污染。

内喷嘴26和外喷嘴27的入口端和出口端为连续变孔径圆形通道，入口端和出口端之间通过等孔径圆形通道连通，变孔径圆形通道的大孔径端远离等孔径圆形通道一侧。此结构具有气体喷射速度快，节省气体，保护效果佳的特点。

内喷嘴和外喷嘴均为8个，内喷嘴和外喷嘴在气体喷射环块上均呈等径环向对称分布，内喷嘴和对应的外喷嘴之间无径向夹角。

内喷嘴26的轴线与外喷嘴27的轴线相对于搅拌头1的垂直方向的轴线对称，内喷嘴26的轴线与搅拌头1的垂直方向的轴线呈15°夹角。如此设计保证内喷嘴26向内喷气，外喷嘴27向外喷气。

内喷嘴环形通道31和内喷嘴26之间通过喷嘴密封圈35密封；外喷嘴环形通道32和外喷嘴27之间通过喷嘴密封圈35密封。

保护罩25采用透明有机玻璃制成，利于焊接过程的操作和观测。

本装置的工作过程如下所述：

搅拌摩擦焊接前，首先将搅拌头1安装在搅拌头冷却器5内，并将搅拌头冷却器5通过L形支架11与焊机端盖10固定。接着将两块被焊接工件36与被焊接工件冷却器7上表面固定。然后将被焊接工件保护器6安装在搅拌头冷却器5的下端盖15上，打开保护气体罐44的阀门，保护气体分别通过内喷嘴直通道33、外喷嘴直通道34、内喷嘴环形通道31、外喷嘴环形通道32进入内喷嘴26、外喷嘴27对保护罩25进行保护气体预喷吹，将焊接前保护罩25内的空气通过排气口28排出。随后，调节搅拌头1的转速、焊接速度和轴向下压力等焊接参数，连接设备导线和管路，打开相关设备和部件的开关。上述准备工作完成后，即可进行搅拌摩擦焊接过程。

搅拌摩擦焊接过程为：搅拌针4在电机的驱动下慢慢旋入两块被焊接工件36之间，当搅拌头1上的搅拌针4接触被焊接工件36上表面时，搅拌头1对被焊接工件36施加一定的压力，同时，搅拌头1带动搅拌针4开始沿焊缝方向以一定的速度移动，焊缝处的材料在轴肩3和搅拌针4共同摩擦产热的高温作用下，呈现高温粘塑性状态，在搅拌针4后部形成焊缝，将两块被焊接工件36连接在一起。由于搅拌针4与被焊接工件36的相对运动，焊缝处的材料产生的高温粘塑性状态在焊缝内部也产生相对运动，在热激活作用下，这层呈现高温粘塑性状态的材料发生动态再结晶，使两块被焊接工件36通过相互扩散与再结晶，从而焊接在一起，待两块被焊接工件36的焊缝全部完成后，整个焊接过程完成。

搅拌摩擦焊接过程中，冷却水从水冷机8的输出端，依次通过第一水泵49、第一单向阀51和第一进水口17流入搅拌头冷却器5与搅拌头1之间的密封空腔内，在搅拌头1的旋转带动作用下，冷却水在密闭空腔内从上端到下端发生涡旋式流动，对高温搅拌头1进行对流传热，进行热交换后的冷却水从第一出水口20流出，依次通过第三单向阀53、第一流量计47流入水冷机8的输入端，从而实现对搅拌头1的快速冷却。温度传感器22对搅拌头冷却器5的水温进行监测，并将实时测量值传送给计算机9，计算机9将实时温度值与预设的温度目标值进行比对运算后将温度偏差值传送给水冷机8的温控系统，进而对水冷机8的水温进行实时调节。搅拌头冷却器5正常工作时的水位低于液位传感器19，当液位传感器19探测到水位超出液位面时，将水位信号传送给计算机9，计算机9通过运算后将水流量调控信号分别传送给第一单向阀51和第三单向阀53，分别调整搅拌头冷却器5的进水量和出水量，从而实现对搅拌头冷却器5液位的自动控制。第一流量计47对搅拌头冷却器5的循环水流量进行监测，并将实时水流量传送给计算机9，计算机9将实时水流量值与预设目标值进行比对运算后，将水流量调节信号分别传送给第一单向阀51和第三单向阀53，分别调整搅拌头冷却器5的进水量和出水量，从而实现对搅拌头冷却器5循环水流量的自动控制。

搅拌摩擦焊接过程中，冷却水从水冷机8的输出端，依次通过第一水泵49、第二单向阀52和第二进水口42喷入蛇形射流器39的蛇形通道内，并通过蛇形射流器喷水孔40喷射到垫板上盖37内表面，对垫板上盖37进行快速冷却，进而对固定于其上方的被焊接工件36进行快速冷却。冷却水进行热交换后从第二出水口43流出，依次通过第四单向阀54和第二流量计48流入水冷机8的输入端。第二流量计48对被焊接工件冷却器7的循环水流量进行监测，并将实时水流量传送给计算机9，计算机9将实时水流量值与预设目标值进行比对运算后，将水流量调节信号分别传送给第二单向阀52和第四单向阀54，分别调整被焊接工件冷却器7的进水量和出水量，从而实现对被焊接工件冷却器7循环水流量的自动控制。

搅拌摩擦焊接过程中，内喷嘴26和外喷嘴27同时对当前施焊点进行保护气体喷吹，内喷嘴26向内喷气，对当前施焊点进行有效保护，外喷嘴27向外喷气，在对当前施焊点进行气体喷吹保护的同时也对近邻的待施焊点进行保护气体预喷吹。内喷嘴26和外喷嘴27实行单独保护气体输送，实行单独控制。被焊接工件保护器6随搅拌头1实时移动，在整个焊接过程中和焊后的冷却过程中，被焊接工件36完全位于保护罩25内，焊接时的保护废气从排气口28排出。采用上述结构和布置的气体喷射环块24和保护罩25具有良好的焊接保护效果。

搅拌摩擦焊接过程结束后，打开第二水泵50，残留在搅拌头冷却器5和被焊接工件冷却器7中冷却水分别通过第一排水口23、第五单向阀55和第二排水口41、第六单向阀56流入水冷机8的输入端，利于冷却水的循环利用，同时防止拆卸被焊接工件36和搅拌头1时残留的冷却水对设备产生污染。最后对被焊接工件36、被焊接工件保护器6、搅拌头冷却器5进行拆卸。

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

实施例1：

焊接3mm厚的TC4钛合金板材，搅拌头1为硬质合金，轴肩3直径为12mm，搅拌针4直径为3.8mm，长度为2.8mm。搅拌头1的旋转速度为1180r/min，焊接速度为60mm/min。采用本发明的一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置进行焊接，内喷嘴26和外喷嘴27均为8个，内喷嘴26和外喷嘴27在气体喷射环块24上均呈等径环向对称分布，内喷嘴26和对应的外喷嘴27之间无径向夹角。所述的内喷嘴26的轴线与外喷嘴27的轴线相对于搅拌头1的垂直方向的轴线对称，内喷嘴26的轴线与搅拌头1的垂直方向的轴线呈15°夹角。

本实施例采用搅拌头冷却器5和被焊接工件保护器6，未采用被焊接工件冷却器7，搅拌头冷却器5用于冷却搅拌头1，被焊接工件保护器6采用氩气保护被焊接工件36，使得被焊接工件36的焊接效果显著提高，如图6所示，图6是使用搅拌头冷却器5和被焊接工件保护器6后焊接的实物图，因为钛合金在未使用搅拌头冷却器5和被焊接工件保护器6焊接时氧化严重，使用搅拌头冷却器5和被焊接工件保护器6后焊接接头表面未被氧化，成型美观；如图8所示，焊接接头的抗拉强度达到母材的96%；并且搅拌头1磨损较轻。

对比例1：

焊接3mm厚的TC4钛合金板材，搅拌头1为硬质合金，轴肩3直径为12mm，搅拌针4直径为3.8mm，长度为2.8mm。搅拌头的旋转速度为950r/min，焊接速度为60mm/min。在空气条件下，没有采用本发明的焊接装置进行焊接时，即搅拌头1没有冷却，被焊接工件36没有采用保护气体保护，被焊接工件36也无强制冷却时，如图7所示，钛合金焊缝严重氧化，在高温下发生吸气（氧、氢、氮）反应，接头成型较差；如图8所示，焊接接头的抗拉强度仅为母材的76%；并且搅拌头1磨损严重。

实施例2：

焊接3.0mm厚的2024-T4铝合金板材，搅拌头1为高速钢W18Cr4V，轴肩3直径为12mm，搅拌针4直径为3.4mm，长度为2.8mm，其他结构参数与实施例1相同。

本实施例采用搅拌头冷却器5和被焊接工件冷却器7，未采用被焊接工件保护器6，采用本实施例的焊接装置进行焊接，搅拌头1的旋转速度为600r/min，焊接速度为47.5mm/min，经焊接后，焊接接头表面成型美观，如图9所示，接头的热软化区较窄，约为4.5mm，焊核区的平均显微硬度为108.8HV，接头的抗拉强度达到母材抗拉强度的85.3%，搅拌头1的使用寿命较长，可连续焊接长度达到28m。

对比例2：

在和实施例2相同的焊接参数条件下，没有采用本发明的焊接装置进行焊接时，即搅拌头1没有冷却，被焊接工件36无强制冷却，被焊接工件36也没有采用保护气体保护，如图9所示，焊接接头的热软化效应明显，热软化区较宽，约为6.0mm，焊核区的平均显微硬度为94.1HV，接头的抗拉强度仅为母材抗拉强度的75.6%，搅拌头1的使用寿命较短，可连续焊接长度仅为18m。

实施例3：

焊接3mm厚的AZ31镁合金板材，搅拌头1为高速钢W18Cr4V，轴肩3直径为14mm，搅拌针4直径为4.0mm，长度为2.8mm，其他结构参数与实施例1相同。

本实施例采用搅拌头冷却器5和被焊接工件冷却器7，未采用被焊接工件保护器6，采用本实施例的焊接装置进行焊接，搅拌头1的旋转速度为950r/min，焊接速度为118mm/min，经焊接后，焊接接头表面成型美观，微观组织细化，焊核区的平均晶粒尺寸约为1.6μm，平均显微硬度为68.6HV，接头的抗拉强度达到母材抗拉强度的92.5%，延伸率为10.3%，搅拌头1的使用寿命较长，可连续焊接长度达到42m。

对比例3：

在与实施例3相同的焊接参数条件下，没有采用本发明的焊接装置进行焊接时，即搅拌头1没有冷却，被焊接工件36无强制冷却，被焊接工件36也没有采用保护气体保护，焊接接头的组织较粗大，焊核区的平均晶粒尺寸约为3.8μm，焊核区的平均显微硬度为58.2HV，接头的抗拉强度仅为母材抗拉强度的81.3%，延伸率为6.9%，搅拌头1的使用寿命较短，可连续焊接长度约为26m。

实施例4：

焊接2.5mm厚的H65铜合金板材，搅拌头1为高速钢W18Cr4V，轴肩3直径为14mm，搅拌针4直径为4.0mm，长度为2.3mm，其他结构参数与实施例1相同。

本实施例采用搅拌头冷却器5、被焊接工件保护器6和被焊接工件冷却器7，三者同时使用，采用本实施例的焊接装置进行焊接，搅拌头1的旋转速度为750r/min，焊接速度为47.5mm/min，经焊接后，焊接接头表面成型美观，焊核区的平均显微硬度为191.6HV，接头的抗拉强度达到母材抗拉强度的93.3%，延伸率为15.1%。

对比例4：

在与实施例4相同的焊接参数条件下，没有采用本发明的焊接装置进行焊接时，即搅拌头1没有冷却，被焊接工件36无强制冷却，被焊接工件36也没有采用保护气体保护，焊接接头表面发生氧化，焊核区的平均显微硬度为185.4HV，接头的抗拉强度仅为母材抗拉强度的90.1%，延伸率为10.2%。

需要说明的是：上述全部对比例中的焊接均在普通空气条件下的常规搅拌摩擦焊接，搅拌头1无冷却、被焊接工件36无冷却并且被焊接工件36无保护气体保护；上述全部实施例中冷却水的温度设定为18℃，冷却水的流量为15L/min，保护气体的流量为12L/min。

Claims (7)

1.一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头（1），所述的搅拌头（1）包括轴身（2）、轴肩（3）和搅拌针（4），在轴身（2）一端加工有锥台形的轴肩（3），轴肩（3）端部加工有搅拌针（4）；其特征在于，该装置还包括搅拌头冷却器（5）、被焊接工件保护器（6）、被焊接工件冷却器（7）、水冷机（8）、计算机（9）和保护气体罐（44），搅拌头冷却器（5）安装在被焊接工件保护器（6）上端，搅拌头（1）安装在搅拌头冷却器（5）和被焊接工件保护器（6）之中，被焊接工件冷却器（7）安置在被焊接工件保护器（6）下侧用于固定和冷却被焊接工件（36），其中：

所述的搅拌头冷却器（5）包括L形支架（11）、上端盖（13）、器壁（14）和下端盖（15），L形支架（11）固定在上端盖（13）上并且与焊机端盖（10）相连用于将搅拌头冷却器（5）与焊机端盖（10）可拆卸式固定在一起；上端盖（13）固定在器壁（14）上端，下端盖（15）固定在器壁（14）下端，上端盖（13）、器壁（14）和下端盖（15）组成一个圆柱形的内空腔，搅拌头（1）的轴身（2）密封安装在上端盖（13）和下端盖（15）上，搅拌头（1）的轴肩（3）靠近轴身（2）的部分密封安装在下端盖（15）上；在器壁（14）的一侧靠近上端盖（13）的一端设置有第一进水口（17），与第一进水口（17）同一侧靠近下端盖（15）的器壁（14）上设置有第一排水口（23），第一进水口（17）上面的器壁（14）上加工有液位传感器安装孔（18），器壁（14）上与第一进水口（17）相对的一侧靠近下端盖（15）的一端加工有第一出水口（20），器壁（14）上还加工有温度传感器安装孔（21）；

所述的被焊接工件保护器（6）包括气体喷射环块（24）和保护罩（25），气体喷射环块（24）密封固定安装在搅拌头冷却器（5）的下端盖（15）上，保护罩（25）可拆卸式固定在搅拌头冷却器（5）的下端盖（15）上使得被焊接工件保护器（6）在搅拌头（1）的带动下在被焊接工件冷却器（7）上运动；在保护罩（25）侧面设置有排气口（28），在气体喷射环块（24）上加工有贯通气体喷射环块（24）的内喷嘴（26）和外喷嘴（27），在下端盖（15）的底面上加工有与内喷嘴（26）对应连通的内喷嘴环形通道（31）和与外喷嘴（27）对应连通的外喷嘴环形通道（32），下端盖（15）侧壁上设置有内喷嘴进气口（29）和外喷嘴进气口（30），内喷嘴进气口（29）和内喷嘴环形通道（31）之间通过内喷嘴直通道（33）相连通，外喷嘴进气口（30）和外喷嘴环形通道（32）之间通过外喷嘴直通道（34）相连通；

所述的被焊接工件冷却器（7）包括用于放置被焊接工件的垫板上盖（37）、支架（57）、垫板下盖（38）和蛇形射流器（39），垫板上盖（37）和垫板下盖（38）组成一个密封的腔体，支架（57）安装在腔体内侧的垫板上盖（37）和垫板下盖（38）之间起支撑作用，蛇形射流器（39）安装在被支架（57）隔开的腔体内，蛇形射流器（39）上设置有第二进水口（42）和多个蛇形射流器喷水孔（40），垫板上盖（37）上设置有第二出水口（43），垫板下盖（38）一侧设置有第二排水口（41）；

所述的水冷机（8）的输出端通过输水管（46）与第一水泵（49）的输入端相连、第一水泵（49）的输出端与两条支路相连，一条支路通过第一单向阀（51）与第一进水口（17）相连，另一条支路通过第二单向阀（52）与第二进水口（42）相连；第一出水口（20）依次与第三单向阀（53）、第一流量计（47）和水冷机（8）的输入端相连，第二出水口（43）依次与第四单向阀（54）、第二流量计（48）和水冷机（8）的输入端相连；第一排水口（23）通过第五单向阀（55）与第二水泵（50）的输入端相连，第二排水口（41）通过第六单向阀（56）与第二水泵（50）的输入端相连，第二水泵（50）的输出端与水冷机（8）的输入端相连；

所述的计算机（9）的输入端分别与液位传感器（19）、温度传感器（22）、第一流量计（47）和第二流量计（48）相连，计算机（9）的输出端分别与水冷机（8）、第一单向阀（51）、第二单向阀（52）、第三单向阀（53）和第四单向阀（54）相连，所述的液位传感器（19）安装在液位传感器安装孔（18）内，所述的温度传感器（22）安装在温度传感器安装孔（21）内；

所述的保护气体罐（44）通过输气管（45）分别与内喷嘴进气口（29）和外喷嘴进气口（30）相连通。

2.如权利要求1所述的冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的上端盖（13）和轴身（2）之间通过搅拌头密封圈（12）密封，所述的下端盖（15）和轴身（2）之间通过搅拌头密封圈（12）密封，所述的下端盖（15）和轴肩（3）之间通过与轴肩（3）锥度相同的滚动密封轴承（16）密封。

3.如权利要求1所述的冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的内喷嘴（26）和外喷嘴（27）的入口端和出口端为连续变孔径圆形通道，入口端和出口端之间通过等孔径圆形通道连通，变孔径圆形通道的大孔径端远离等孔径圆形通道一侧。

4.如权利要求1所述的冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的内喷嘴（26）和外喷嘴（27）均为8个，内喷嘴（26）和外喷嘴（27）在气体喷射环块（24）上均呈等径环向对称分布，内喷嘴（26）和对应的外喷嘴（27）之间无径向夹角。

5.如权利要求1所述的冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的内喷嘴（26）的轴线与外喷嘴（27）的轴线相对于搅拌头（1）的垂直方向的轴线对称，内喷嘴（26）的轴线与搅拌头（1）的垂直方向的轴线呈15°夹角。

6.如权利要求1所述的冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的内喷嘴环形通道（31）和内喷嘴（26）之间通过喷嘴密封圈（35）密封；所述的外喷嘴环形通道（32）和外喷嘴（27）之间通过喷嘴密封圈（35）密封。

7.如权利要求1所述的冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述的保护罩（25）采用透明有机玻璃制成。