CN103212780A - 一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，包括导气杆、搅拌摩擦头、风叶和气罩，所述导气杆为内部设有风道的圆柱体，上端设有进气孔，下端固接有所述搅拌摩擦头，风道侧壁设有出气孔；所述风叶设在导气杆下端的圆周上；所述气罩与导气杆侧壁连接，且风叶和出气孔处于气罩与导气杆之间的内部腔体中。本发明的水下搅拌摩擦焊具，结构简单、实用性强；不需要额外的压缩空气源，利用搅拌摩擦焊具自身的装置即可在焊接位置附近形成局部空气环境；形成的局部空气环境可有效避免水分进入焊缝，这有利于进一步提高焊接质量。

Description

一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具

技术领域

本发明属于技术材料加工焊接技术领域，尤其涉及水冷却搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)自1991年TWI发明以来得到了广泛的研究和应用，特别是在低熔点易氧化的铝、镁及其合金焊接方面优势明显，并在铜、钛、复合材料及异种材料的焊接等领域得到广泛研究与推广应用。但是搅拌摩擦焊接过程实质是一个不均匀、不稳定、动态的热力学、塑性流变学和传热、传质与相变过程，从根本上导致接头温度、流变、组织和性能的非对称、非均匀和非连续性，从而使接头多因“弱连接”而破坏并导致接头强度系数下降。

为了解决“弱连接”现象，有很多学者和研究人员研究通过水浸或水雾冷却的措施来给焊缝降温，从而提高了FSW焊接各层的强度、硬度及整体均匀性；或采用动态控制低应力无变形焊接法原理，涉及水雾化热沉系统，一定程度上控制FSW过程的热塑性应力应变场。

但水浸和水雾冷却都存在不足之处，那就是使焊接操作变得更加复杂，更为严重的是易产生吸氢缺陷和腐蚀，影响了焊接接头质量。

因此寻找一种既能发挥水冷却效果、又能避免吸氢缺陷和腐蚀的措施或装置，成为了一个新的重要任务。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，在水浸冷却的同时能实现局部排水半干状态下进行搅拌摩擦，从而避免吸氢和易腐蚀缺陷。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，包括导气杆、搅拌摩擦头、风叶和气罩，所述导气杆为内部设有风道的圆柱体，上端设有进气孔，下端固接有所述搅拌摩擦头，风道侧壁设有出气孔；所述风叶设在导气杆下端的圆周上；所述气罩与导气杆侧壁连接，且风叶和出气孔处于气罩与导气杆之间的内部腔体中。

作为优选，所述气罩为上窄下宽的轴对称结构，且气罩下端缘高于搅拌摩擦头的最下端。在焊接过程中，气罩能随导气杆高速平稳旋转，且气罩局部浸入水中时气流浸入气罩的内部腔体时更加利于气体从气罩边缘排出；同时罩下端缘高于搅拌摩擦头的最下端能防止气罩下端缘与被焊工件接触磨损。

进一步改进，所述风叶有两组，分两层设在导气杆的圆周上。将本焊接装置浸入水中时，初始时下层风叶浸入水中，而上层风叶则在液面以上，当导气杆开始旋转时下层风叶旋转能快速将气罩内腔部分水排出，同时上层风叶产生气体推力协同使气罩内腔的水向下运动并将全部水排出。

进一步的，所述出气孔为斜向下方式，从而利用导气杆气道内的气流迅速排出进入气罩内腔。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：这是一种新式的搅拌摩擦焊具，不需要额外的压缩空气源，利用搅拌摩擦焊具自身的装置即可在焊接位置附近形成局部空气环境；形成的局部空气环境可有效避免水分进入焊缝，这有利于进一步提高焊接质量；结构简单、实用性强。该局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明所述局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具的结构示意图。

其中，导气杆1、搅拌摩擦头2、气罩3、上层风叶4、下层风叶5、进气孔6、出气孔7、被焊工件8、液面9。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，主要包括以下结构部件：气罩3、导气杆1、搅拌摩擦头2、上层风叶4和下层风叶5，其中导气杆1可采用常规低碳钢或合金钢材料制成的圆柱体，其内部为局部空心，该空心部分作为气道，圆柱体一端为进气孔6，气道尾端的圆柱体侧壁上设有多个斜向下的出气孔7。所述气罩3采用轻质合金或塑料制成的上窄下宽的轴对称钟形结构，该气罩3通过螺栓紧固在导气杆1的外壁上，并将出气孔7罩入其内部空腔中。上层风叶4和下层风叶5采用轻质合金或塑料制成，并通过螺栓或螺钉固定在导气杆1下端的圆周上。

在焊接过程中，气罩3的局部浸入水中；对气罩3的安装应满足以下条件：使气罩3的下端略高于搅拌摩擦头2的位置，以避免气罩3在焊接过程中与被焊工件8接触而磨损；气罩3的上部与导气杆1相配合，使用螺钉即可实现两者的紧固连接。

上层风叶4和下层风叶5位于气罩3的内部空腔，用于产生气体推力，促使空气经过进气孔6、出气孔7、流过气罩3后排出；该搅拌摩擦头2在工作时，浸入水中的部分不能过深，以液面9略超过下层风叶5为宜，原因在于浸入液面9过深，会增加排水量以及排水所需要的风压，而风叶一旦制造完毕，在最高转速条件下，所能产生的风压是一定的。

该搅拌摩擦焊具在工作时，使上层风叶4和下层风叶5产生向下气流的旋转方向即是旋转方向。由于初始状态下，液面9位于下层叶片和上层叶片之间；当叶片旋转之后，下层叶片旋转产生的推力使气罩3内的部分水向下运动并被迅速挤出气罩3，而上层叶片旋转则能产生气体推力，在这两个叶片所产生的气体推力作用下，气罩3内的水被完全排出；一段时间后，当风叶达到更高的转速时，就会产生更强的气流流过气罩3，并从气罩3的底部溢出，从而在搅拌摩擦头2周围形成一个局部空气环境，此时即可开始正式焊接。

由于搅拌摩擦焊时，焊接区的温度很高（可达到600℃），残留在被焊工件8与搅拌摩擦头2接触位置的水滴被迅速汽化，在流经的气流带动下，迅速被排出气罩3，从而保证焊接区域内保持干燥的空气环境。

本发明所述的搅拌摩擦焊具的安装方法如下：(1) 将搅拌摩擦头2安装于导气杆1的下端；(2) 将上层风叶4和下层风叶5安装于导气杆1上；(3) 将导气杆1从下往上穿过气罩3，并采用螺栓将两者紧固连接；(4) 通过导气杆1将整个搅拌摩擦焊具安装在搅拌摩擦焊机的机头上，从而结束安装。

该搅拌摩擦焊具准备焊接的主要流程与步骤：（1）安装搅拌摩擦焊具； (2) 将被焊工件8固定于水中，在水中的深度以下一步中搅拌摩擦焊具进入水中后、液面9位于上层叶片和下层叶片之间为宜；(3) 焊机机头向下运动，使搅拌摩擦焊具逐渐浸入水中； (4) 启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转；(5) 当气罩3中水被吹空后，可以正式开始焊接；(6) 焊接结束后，为了防止冷却太快导致搅拌摩擦头2粘在被焊工件8上，需要逐渐提升并继续旋转搅拌摩擦焊具，一段时间后，停止旋转焊接结束。

Claims (4)

1.一种局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，其特征在于：包括导气杆、搅拌摩擦头、风叶和气罩，所述导气杆为内部设有风道的圆柱体，上端设有进气孔，下端固接有所述搅拌摩擦头，风道侧壁设有出气孔；所述风叶设在导气杆下端的圆周上；所述气罩与导气杆侧壁连接，且风叶和出气孔处于气罩与导气杆之间的内部腔体中。

2.根据权利要求1所述局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述气罩为上窄下宽的轴对称结构，且气罩下端缘高于搅拌摩擦头的最下端。

3.根据权利要求1所述局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述风叶有两组，分两层设在导气杆的圆周上。

4.根据权利要求1所述局部排水-半干式水下搅拌摩擦焊具，其特征在于：出气孔为斜向下方式。