CN103433616B - 一种搅拌摩擦焊装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头和深冷处理单元，该深冷处理单元包括在工件焊缝上方顺序设置的低温回火箱和深冷处理箱，低温回火箱和深冷处理箱在焊接方向上规律性地移动；液氮储罐以及将深冷处理箱连接到液氮储罐上的输液管.该装置还包括分别与深冷处理箱和低温回火箱连接的控制单元，用于对深冷处理箱和低温回火箱的升降温速率、保温时间和处理温度的控制。本发明提供的搅拌摩擦焊装置通过在工件焊缝上方设置深冷处理箱和低温回火箱，以便在搅拌摩擦焊的过程中对工件实时进行深冷处理与低温回火相结合的冷热循环处理，通过冷热循环处理降低焊接过程中产生的热应力，提高焊接件的尺寸稳定性，并改善其机械性能。

Description

一种搅拌摩擦焊装置

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊装置。

背景技术

搅拌摩擦焊接技术是由英国焊接研究所于1991年提出的一种固态连接方法。它是利用一种特殊的搅拌头，旋转着压入被焊工件的界面，搅拌头与被焊工件的摩擦使搅拌头附近区域的温度升高，并使其热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，在搅拌头高速旋转摩擦以及挤压下，塑化材料由搅拌头的前部向后过渡，在热-机联合作用下扩散连接形成致密的固相连接。与传统的熔化焊接方法相比较，搅拌摩擦焊具有晶粒细小，疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好、无尘烟、无气孔、无飞溅、节能、无需焊丝、焊接时不需要使用保护气体等优点。

搅拌摩擦焊最初用于铝合金，随着研究的深入，其还可以用于铜、钛等其它金属以及不同金属之间的焊接。目前，搅拌摩擦焊技术已经广泛应用于飞机制造业及宇航工业，例如搅拌摩擦焊可以用于飞机机身框架和飞机机门蒙面的连接，飞机不同机身段的连接，飞机机身预成型件的连接，飞机起落架的传动支撑门等。经过多年的研究，目前搅拌摩擦焊的可焊接厚度以及焊接速度都有很大程度的提高。尽管搅拌摩擦焊具有明显的优势，然而，在实际焊接过程中由于存在温度梯度，所以焊缝附近必然会产生一定的热应力从而导致变形，目前主要靠焊接过程中的夹具装卡和焊后矫形来解决变形问题，然而，这些方法费时费力且效果有限。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种搅拌摩擦焊装置，以降低材料残余应力，提高尺寸稳定性，改善材料机械性能。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头、其中，还包括：

（1）深冷处理单元，该深冷处理单元包括在工件焊缝上方顺序设置的低温回火箱和深冷处理箱，所述低温回火箱和深冷处理箱在焊接方向上规律性地移动，该深冷处理单元还包括液氮储罐以及将所述深冷处理箱连接到所述液氮储罐上的输液管；

（2）控制单元，分别与所述深冷处理箱和所述低温回火箱连接，用于对所述深冷处理箱和所述低温回火箱的升降温速率、保温时间和处理温度的精确控制。

其中，所述搅拌摩擦焊装置还包括联动单元，该联动单元包括：

（1）液压系统，该液压系统由所述控制单元控制，并与所述深冷处理箱和低温回火箱连接，用于驱动所述深冷处理箱和低温回火箱沿沿所述焊接方向移动；

（2）与所述控制单元连接的曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构包括相互铰接在一起的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的自由端与所述搅拌头铰接，所述第二连杆的自由端与所述深冷处理箱和所述低温回火箱铰接；

该联动单元设置成：在所述搅拌头向前移动的过程中，所述第一连杆和所述第二连杆之间的夹角小于180度，所述深冷处理箱和低温回火箱保持静止，而当所述搅拌头向前移动的距离等于所述深冷处理箱在所述焊接方向上的长度时，此时所述第一连杆和所述第二连杆之间的夹角等于180度，所述深冷处理箱和所述低温回火箱由所述控制单元控制的所述液压系统驱动向前移动一定距离，该距离等于所述深冷处理箱在所述焊接方向上的长度。

其中，所述深冷处理箱包括第一绝热箱体以及位于所述第一绝热箱体顶部的液氮分配器和第一风机，所述液氮分散器通过所述输液管与所述液氮储罐连接。

其中，所述液氮分配器呈圆环管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。

其中，所述深冷处理箱还包括位于第一绝热箱体内腔底端的第一温度传感器。

其中，所述第一绝热箱体采用两层不锈钢板制成，中间填充有聚氨酯发泡材料。

其中，所述低温回火箱包括第二绝热箱体、位于所述第二绝热箱体顶部的第二风机以及位于所述第二风机下方的加热装置。

其中，所述低温回火箱还包括位于所述第二绝热箱体内腔底端的第二温度传感器。

其中，所述第二绝热箱体采用两层不锈钢板制成，中间填充有聚氨酯发泡材料。

其中，所述第二绝热箱体与所述第一绝热箱体的尺寸相同，并与所述第一绝热箱体固定在一起。

（三）有益效果

上述技术方案所提供的搅拌摩擦焊装置，通过在工件焊缝上方设置可沿焊接方向移动的深冷处理箱和低温回火箱，以便在搅拌摩擦焊的过程中对工件实时进行深冷处理与低温回火处理，以降低焊接过程中产生的热应力，提高焊接件的尺寸稳定性，并改善焊接件的微观组织，从而提高其机械性能；此外，该装置结构简单，操作方便，投入和运行成本较低，工作效率高。进一步地，在该装置上还设置有联动单元，进一步提高了深冷处理和低温回火处理与焊接的实时性和自动化。

附图说明

图1为本发明的搅拌摩擦焊装置的一个优选实施例的结构示意图。

其中：1-搅拌头；2-工件焊缝；3-深冷处理箱；4-低温回火箱；5-第一绝缘箱体；6-液氮分散器；7-第一风机；8-第一温度传感器；9-第二绝缘箱体；10-第二风机；11-加热装置；12-第二温度传感器；13-输液管；14-液氮储罐；15-电磁阀；16-第一连杆；17-第二连杆；18-液氮储罐阀门；19-控制单元。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1所示为本发明的搅拌摩擦焊装置的一个优选实施例。如图1所示，根据该实施例，本发明的搅拌摩擦焊装置包括搅拌头1和深冷处理单元。其中，搅拌头1通过其高速旋转及水平移动使材料发生塑性连接。深冷处理单元主要包括在工件焊缝2上方顺序设置的低温回火箱4和深冷处理箱3，该低温回火箱4和深冷处理箱3以工件焊缝2为中心对称，其大小覆盖焊接所产生的热影响区及周围一定范围内的区域。此外，低温回火箱4和深冷处理箱3可在焊接方向（如图中箭头所示）上规律地移动，以对焊接完成的区域依次进行深冷处理和低温回火处理。深冷处理单元还包括液氮储罐14以及将深冷处理箱3连接到液氮储罐14上的输液管13。该搅拌摩擦焊装置还包括控制单元19，该控制单元分别与低温回火箱4和深冷处理箱3连接，并可采用PID控制或模糊控制方式，用于对低温回火箱4和深冷处理箱3的升降温速率、保温时间和处理温度的精确控制。该搅拌摩擦焊装置通过在已有的搅拌摩擦焊装置上设置深冷处理单元，以在搅拌摩擦焊的过程中实现对焊接件实时进行深冷处理和低温回火处理，通过该处理有效降低焊接件的残余应力、提高焊接件的尺寸稳定性，同时改善焊接件的机械性能。此外，该装置结构简单，操作方便，投入和运行成本较低，工作效率高。

优选地，该搅拌摩擦焊装置还包括联动单元，该联动单元15包括由控制单元19控制的液压系统（未示出），该液压系统还与低温回火箱4和深冷处理箱3连接，用于驱动低温回火箱4和深冷处理箱3沿着焊接方向向前移动。该联动机构还包括与控制单元19连接的曲柄连杆机构。具体地，该曲柄连杆机构包括相互铰接在一起的第一连杆16和第二连杆17，该第一连杆16的自由端与搅拌头1铰接，第二连杆17的自由端与低温回火箱4和深冷处理箱3铰接。该联动单元设置成：在搅拌头1向前移动的过程中，第一连杆16和第二连杆17之间的夹角小于180度，低温回火箱4和深冷处理箱3保持静止，此时搅拌头1继续向前移动，当搅拌头1移动的距离等于深冷处理箱3在焊接方向上的长度时，第一连杆16和第二连杆17之间的夹角等于180度（即，第一连杆16和第二连杆17在一条直线上），此时低温回火箱4和深冷处理箱3由控制单元19控制的液压系统驱动快速向前移动一定距离，以便对下一段工件进行深冷处理，其移动的距离应等于深冷处理箱3在焊接方向上的长度，以便对焊接件全部进行深冷处理和低温回火处理。深冷处理和低温回火处理的时间应分别小于或等于搅拌头1焊接深冷处理箱3在焊接方向的长度所需要的时间。

具体地，深冷处理箱3包括第一绝热箱体5、位于第一绝热箱体5顶部的液氮分散器6和第一风机7。其中，绝热箱体5可采用双层金属外壳，中间填充隔热材料组成。优选地，该第一绝热箱体5通过不锈钢板直接焊接或折合形成，中间夹层由绝热性能好的聚氨酯发泡材料制成。液氮分散器6固定在第一绝热箱体5顶部并通过输液管13与液氮储罐14连接，用于将液氮储罐14中的液氮喷入第一绝热箱体5内。为避免液氮直接喷淋焊接工件造成损伤，液氮分散器6采用不锈钢钢管制成的圆环管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。第一风机7包括电机和轴流风扇，用于控制第一绝热箱体5内气体的流动，以便于冷却工件或保证第一绝热箱体5中温度的均匀性。深冷处理箱3还包括位于第一绝热箱体5内腔底端的第一温度传感器8（例如铂电阻温度计），用于监测温度，并比较与设定温度之间的误差，然后通过控制单元19控制电磁阀15来调节喷液量的大小，以实现对第一绝热箱体5内的升降温速率、处理温度和处理时间的控制。

低温回火箱4包括第二绝热箱体9、位于第二绝热箱9顶部的第二风机10和加热装置11。其中，第二绝热箱体9可与第一绝热箱体5一样，优选通过不锈钢板直接焊接或折合成壁面，中间夹层由绝缘性能好的聚氨酯发泡材料制成。第二风机10也包括电机和轴流风扇，用于控制第二绝热箱体9内气体的流动，使热空气和工件进行对流换热，以升高工件温度并保证第二绝热箱体9中温度的均匀性。加热装置11位于第二风机10的下方，用于提供回火所需要的热量。该加热装置11优选采用电阻加热棒，通过控制加热装置11的加热功率来控制第二绝热箱体9内升降温速率。低温回火箱4还包括位于第二绝热箱体9内腔底端的第二温度传感器12（例如铂电阻温度计），用于监测温度，并比较与设定温度之间的误差，然后采用控制单元19控制加热装置11的加热功率，以实现对第二绝热箱体9内的升降温速率、处理温度和处理时间的控制。

优选地，第二绝热箱体9与第一绝热箱体5的尺寸一致，并且与第一绝热箱体5固定在一起。当然，本领域技术人员应当理解，第二绝热箱体9和第一绝热箱体5也可以是分离的，此时低温回火箱4和深冷处理箱5可分别通过液压系统向前移动。此外，在第一绝热箱体5和第二绝热箱体9的底端设置有毛毡，以便于密封上述箱体。

使用时，搅拌头1沿着焊接方向进行焊接，由于曲柄连杆机构的一端与搅拌头1铰接，所以随着搅拌头1的移动，第一连杆16和第二连杆17也产生移动，当搅拌头1移动的距离等于深冷处理箱3在焊接方向上的长度时，第一连杆16和第二连杆17的夹角为180°，此时，由控制单元19自动启动液压系统驱动低温回火箱4和深冷处理箱3快速向前移动一段距离。然后通过控制单元19打开液氮储罐阀门18，液氮从输液管13经由电磁阀15输送到液氮分散器6，并由液氮分散器6向第一绝热箱体5内喷入雾化的液氮，喷液量的大小通过电磁阀15进行调节，然后液氮与底部的工件进行换热，换热完的液氮从箱体和工件的缝隙中排出。由于低温回火箱4和深冷处理箱3的向前移动，此时第一连杆16和第二连杆17之间的夹角变成小于180度，而搅拌头1继续沿着焊接方向向前进行焊接，随着搅拌头1的继续移动，第一连杆16和第二连杆17之间的夹角逐渐增大，当再次达到180度时，控制单元19再次自动启动液压系统推动低温回火箱4和深冷处理箱3向前移动，以对下一段焊接件进行深冷处理，同时使低温回火箱4位于刚完成深冷处理的区域，通过设定工艺进行低温回火处理。低温回火箱4和深冷处理箱3每次快速移动的距离应等于深冷处理箱3在焊接方向上的长度。如此循环沿着焊接方向处理下去。

目前航空航天业中广泛应用的钛合金铝合金焊接件，其中搅拌摩擦焊的应用比较广泛，而焊接过程中的变形缺陷等问题是普遍存在的，而深冷处理在改善材料机械性能，降低材料残余应力，提高尺寸稳定性方面的效果已经得到了普遍的认可。本发明提供的搅拌摩擦焊装置通过在传统搅拌摩擦焊装置上安装深冷处理单元，以实现在搅拌摩擦焊的过程中对焊接件实时进行冷热循环处理，通过该处理降低焊接件的残余应力、提高尺寸稳定性，同时改善焊接件的机械性能。此外，通过在焊接的过程中直接进行深冷处理，避免了装卡卸装过程中引起的变形。在焊接过程中先对焊接完成的区域进行深冷处理，深冷处理完成后接着进行低温回火处理，避免快速降温导致的冷冲击等不良影响。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。例如在该装置中采用液氮作为制冷剂，当然也可以采用其它的制冷剂，例如水或空气等。此外，液体储罐14可采用自增压低温液体储罐；并在输液管13上采用真空绝热技术，以防止液氮传输过程中汽化。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊装置，包括搅拌头，其特征在于，还包括：

深冷处理单元，该深冷处理单元包括在工件焊缝上方顺序设置的低温回火箱和深冷处理箱，所述低温回火箱和深冷处理箱在焊接方向上规律性地移动，该深冷处理单元还包括液氮储罐以及将所述深冷处理箱连接到所述液氮储罐上的输液管；

控制单元，分别与所述深冷处理箱和所述低温回火箱连接，用于对所述深冷处理箱和所述低温回火箱的升降温速率、保温时间和处理温度的控制；

联动单元，该联动单元包括：

(1)液压系统，该液压系统由所述控制单元控制，并与所述深冷处理箱和所述低温回火箱连接，用于驱动所述深冷处理箱和所述低温回火箱沿所述焊接方向移动；

(2)与所述控制单元连接的曲柄连杆机构，该曲柄连杆机构包括相互铰接在一起的第一连杆和第二连杆，所述第一连杆的自由端与所述搅拌头铰接，所述第二连杆的自由端与所述深冷处理箱和所述低温回火箱铰接；

该联动单元设置成：在所述搅拌头向前移动的过程中，所述第一连杆和所述第二连杆之间的夹角小于180度，所述深冷处理箱和低温回火箱保持静止，而当所述搅拌头向前移动的距离等于所述深冷处理箱在所述焊接方向上的长度时，此时所述第一连杆和所述第二连杆之间的夹角等于180度，所述深冷处理箱和所述低温回火箱由所述控制单元控制的所述液压系统驱动向前移动一定距离，该距离等于所述深冷处理箱在所述焊接方向上的长度。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述深冷处理箱包括第一绝热箱体以及位于所述第一绝热箱体顶部的液氮分配器和第一风机，所述液氮分配器通过所述输液管与所述液氮储罐连接。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述液氮分配器呈圆环管结构，并在其管壁上开有多个孔状喷口。

4.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述深冷处理箱还包括位于第一绝热箱体内腔底端的第一温度传感器。

5.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述第一绝热箱体采用两层不锈钢板制成，中间填充有聚氨酯发泡材料。

6.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述低温回火箱包括第二绝热箱体、位于所述第二绝热箱体顶部的第二风机以及位于所述第二风机下方的加热装置。

7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述低温回火箱还包括位于所述第二绝热箱体内腔底端的第二温度传感器。

8.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述第二绝热箱体采用两层不锈钢板制成，中间填充有聚氨酯发泡材料。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述第二绝热箱体与所述第一绝热箱体的尺寸相同，并与所述第一绝热箱体固定在一起。