CN103639588B - 一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法 - Google Patents

一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法,固态热沉装置包括固态热沉、与固态热沉连接的推杆和冷却水管，固态热沉包括上底面、下底面和侧面，下底面上设有散热通槽，侧面设有冷却水道，冷却水道与冷却水管连接，固态热沉上底面设有用于安装推杆的安装孔。固态热沉装置跟随搅拌摩擦焊设备沿焊接方向同步移动，下底面与焊件表面充分接触以实现热传导,对仍处于高温的焊缝进行散热降温，有效降低焊缝的峰值温度；同时，在热沉内部开设的水道内通冷却水进行强制散热降温。本发明的方法可减少焊缝过热，细化焊缝晶粒，提高组织均匀性，消除或减小焊接接头的残余应力和变形，达到改善焊缝质量、提高接头综合性能的目的。

Description

一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法
技术领域
    本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置与方法，可用于对搅拌摩擦焊焊件的散热降温和质量控制，属于机械技术及材料工程领域。
背景技术
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）是一种新型的固相连接技术，克服了熔焊方法容易产生裂纹和气孔等焊接缺陷的问题，使得以往难于熔焊的某些材料实现了优质的焊接，并在焊接铝、镁及其合金等领域具有不可替代的明显优势。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头与被焊材料摩擦产生高温，搅拌头周围材料进入热塑化状态，并在热和力的作用下发生扩散与动态再结晶。然而，通常条件下，搅拌摩擦焊过程都是在空气等介质环境下进行的。这样气氛的热物理性质决定了它们在焊接过程中难以充分吸收摩擦产热，不利于焊缝的快速冷却和获得较窄的焊接温度场。同时，在焊缝两侧形成了热影响区，极易造成焊缝组织的粗大与不均匀性，从而降低了焊缝的力学性能。
目前，有研究者通过引入冷却介质的方式来改变焊接热循环以及温度场分布状况，从而达到改善搅拌摩擦焊焊缝成形、提高接头力学性能的效果。其中，较为常见方法是采用浸入式搅拌摩擦焊（Submerged Friction Stir Welding-SFSW）（专利申请号：200810209844.1、200910072037.4）。该方法中整个焊接过程都是在水中完成的，利用水冷作用使焊接接头强制冷却。北京航空制造工程研究所采用阵列式射流冲击热沉系统（专利申请号：200510105425.X）对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却，从而控制焊接应力与变形。该发明可有效解决搅拌摩擦焊接薄壁构件时出现的应力与变形等问题，但其仍旧处于一种“潮湿”环境下，且其设备装置较为复杂。此外，有发明公开了一种搅拌摩擦焊缝干式冷却装置（专利申请号：201210099428.7），可以实现冷却介质与焊缝不直接接触条件下的干式冷却。但该装置中的散热器与焊缝表面主要采用线接触的形式，材料与散热器的接触面积相对较小、时间也较短，主要位于焊缝中心区域，并未覆盖到焊缝两侧位置，因此，其冷却效果相对有限。
由此可见，强制冷却的引入虽然有利于改善焊接接头的微观组织和性能，以及控制应力和变形，但一般的“湿法”冷却方式，都可能存在焊缝吸氢缺陷和材料腐蚀等问题，而且相关装置比较复杂、不易操作。另外，虽存在有关搅拌摩擦焊的“干法”冷却装置的设计与应用的发明，但由于其与焊缝的接触面积有限等缺点，也未能起到良好的散热与降温效果。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于搅拌摩擦焊过程中的“干法”固态热沉装置与方法，实现对焊缝温度场的有效控制，解决“湿法”冷却需要复杂的配套设备和技术条件、操作较复杂等问题，并从根本上消除“湿法”冷却导致的焊缝增氢、材料腐蚀等缺陷。同时解决了一般的“干法”冷却存在的散热器与焊缝接触面积小、冷却时间短的问题，从而获得明显的散热效果，达到提高焊接质量的目的。
技术方案：为实现上述目的，本发明的一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，包括固态热沉、与固态热沉连接的推杆和冷却水管，所述固态热沉包括上底面、下底面和侧面，下底面上沿着焊接方向设有散热通槽，固态热沉内部与焊接方向垂直的方向开设有若干冷却水道，冷却水道贯穿两侧面，冷却水道与冷却水管连接，上底面设有用于安装推杆的安装孔。
其中，冷却水道为在固态热沉侧面均匀加工出的一排通孔形成的冷却水道。固态热沉装置跟随在焊机主轴及搅拌工具后面，对已形成的焊缝进行随焊跟踪冷却。所述固态热沉由高储热系数b（b= ，其中：c为材料比热，λ为材料导热系数，ρ为材料密度）的纯铜或铜合金材料制成。
所述固态热沉选用具有高导热系数的纯铜或铜合金材料制成，固态热沉为长方体，其主要几何尺寸为长度、宽度、厚度，根据焊接件的材料、尺寸大小、冷却控制强度确定固态热沉的长度、宽度、厚度，保证其具有高的储热能力，固态热沉的长度方向与焊接方向一致。固态热沉下底面具有较高的平整度，且能覆盖焊缝及其两侧一定范围（包括热机械影响区和热影响区）。
所述安装孔为在上底面的中心位置加工出来的带螺纹的安装孔，推杆一端设有与安装孔配合的外螺纹。
所述散热通槽有两条，两条散热通槽位于固态热沉长度方向中心线两侧一定距离范围内，且具有一定的深度与宽度，应能覆盖焊缝两边可能产生的飞边。
所述推杆为一根L形圆棒，由纯铜或铜合金材料制成。所述冷却水管包括主管和支管，由纯铜或铜合金材料制成，通过主管引入或导出冷却水，支管与冷却水道相配合。
一种基于上述固态热沉装置的焊接方法，将组装好的固态热沉装置用于焊接过程，固态热沉装置跟随在焊机主轴及搅拌工具后面，对已形成的焊缝进行随焊跟踪冷却；在固态热沉的下底面均匀刷涂导热硅脂作为间隙填充剂以及导热剂，使固态热沉与焊件焊缝密切接触；同时，冷却水道内通以冷却水，进行强制散热降温，并可根据焊接温度的高低，调整冷却水的冷却强度，实现对焊接过程中焊缝温度的有效控制。
上述焊接方法，具体包括以下步骤：
首先，将推杆的下端旋入至固态热沉上底面的推杆安装孔内，冷却水管的支管分别与固态热沉侧面上的冷却水道一一连接，将导热硅脂均匀刷涂在固态热沉下底面；
焊接开始时，手持推杆将固态热沉紧紧贴在焊缝上表面，同时注意使两条散热通槽位于焊缝两侧的飞边上方；
随着焊接的进行，利用推杆将固态热沉随焊接方向推行，保证整个固态热沉装置紧跟在焊机主轴及搅拌工具后面，同时通过冷却水主管把冷却水注入或排出冷却水道，直到焊接完成。
有益效果：本发明的一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法，与现有技术相比，具有以下优点：
 (1) 固态热沉装置跟随搅拌工具同步移动，对焊缝及时冷却，可有效降低焊缝温度和温度分布的不均匀性，改善焊缝组织，提高焊缝综合性能；
(2) 固态热沉装置实现了“干法”冷却，可消除水浸冷却等“湿法”热沉控制方式存在的吸氢缺陷和材料腐蚀问题。同时，增加了热沉与垫板的接触面积，延长了冷却时间，获得更为优良的“干法”冷却效果；
(3) 固态热沉装置结构简单、体积小、操作方便，实用性与适应性强，可应用于不同尺寸焊件的搅拌摩擦焊，进行有效的焊接质量控制。
附图说明
图1为采用固态热沉装置条件下的搅拌摩擦焊接示意图；
图2为固态热沉上底面结构示意图；
图3为固态热沉下底面结构示意图；
图4为冷却水管结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图4所示，本发明的一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置,包括固态热沉1、与固态热沉1连接的推杆2和冷却水管3，固态热沉1包括上底面1-1、下底面1-2和侧面1-3，下底面1-2上沿着焊接方向设有散热通槽1-4，固态热沉1内部与焊接方向垂直的方向开设有若干冷却水道1-6，冷却水道1-6贯穿两侧面1-3，冷却水道1-6与冷却水管3连接，固态热沉上底面1-1设有安装孔1-5，推杆2一端位于安装孔1-5内，冷却水道1-6为固态热沉侧面1-3均匀加工出的一排通孔。
本实施例中，固态热沉1选用热导率和比热高的的纯铜或铜合金材料制成，固态热沉1为长方体，其主要几何尺寸为长度、宽度、厚度，根据焊接件的材料、尺寸大小、冷却控制强度确定固态热沉1的长度、宽度、厚度，保证其具有高的储热能力，固下底面1-2具有较高的平整度，且能覆盖焊缝及其两侧一定范围（包括热机械影响区和热影响区）。
其中，安装孔1-5为在上底面1-1的中心位置加工出来的带螺纹的安装孔，推杆2一端设有与安装孔1-5内螺纹配合的外螺纹，散热通槽1-4有两条，两条散热通槽1-4贯穿下底面（1-2）并沿固态热沉1长度方向中心线对称分布，散热通槽1-4覆盖焊缝两边可能产生的飞边，推杆2为一根L形圆棒，由纯铜或铜合金材料制成。冷却水管3成对使用，每个冷却水管3包括主管3-1和支管3-2，由纯铜或铜合金材料制成，通过主管3-1引入或导出冷却水，支管3-2与冷却水道1-6相配合。
一种基于上述固态热沉装置的焊接方法，具体包括以下步骤：
首先，将推杆2的下端旋入至固态热沉上底面1-1的推杆安装孔1-5内，冷却水管3的支管3-2分别与固态热沉侧面1-3上的冷却水道1-6一一连接（可根据具体情况和条件，进行焊接或螺纹连接），将导热硅脂均匀刷涂在固态热沉下底面1-2；
焊接开始时，手持推杆2将固态热沉1紧紧贴在焊缝上表面，下底面1-2与焊件表面充分接触以实现热传导,对仍处于高温的焊缝进行散热降温，有效降低焊缝的峰值温度；同时注意使两条散热通槽1-4位于焊缝两侧的飞边上方，以避免飞边对固态热沉1造成接触不良和运动受阻等问题；
随着焊接的进行，利用推杆2将固态热沉1随焊接方向推行，保证整个固态热沉装置紧跟在焊机主轴4及搅拌工具5后面，同时通过冷却水主管3-1把冷却水注入或排出固态热沉1内部的冷却水道1-6，冷却水道1-6内通冷却水可以进行强制散热降温，直到焊接完成。
在焊接过程中，可以根据焊接温度的高低，调整冷却水的冷却强度，实现对焊接过程中焊缝温度的有效控制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，其特征在于：包括固态热沉(1)、与固态热沉(1)连接的推杆(2)和冷却水管(3)，所述固态热沉(1)包括上底面(1-1)、下底面(1-2)和侧面(1-3)，下底面(1-2)上沿着焊接方向设有散热通槽(1-4)，固态热沉(1)内部与焊接方向垂直的方向开设有若干冷却水道(1-6)，冷却水道(1-6)贯穿两侧面(1-3)，冷却水道(1-6)与冷却水管(3)连接，上底面(1-1)设有用于安装推杆(2)的安装孔(1-5)。
2.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，其特征在于：所述固态热沉(1)选用具有高导热系数的纯铜或铜合金材料制成。
3.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，其特征在于：所述安装孔(1-5)为在上底面(1-1)的中心位置加工出来的带螺纹的安装孔，推杆(2)一端设有与安装孔(1-5)配合的外螺纹。
4.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，其特征在于：所述散热通槽(1-4)有两条，两条散热通槽(1-4)位于固态热沉(1)长度方向中心线两侧，散热通槽(1-4)覆盖焊缝两边可能产生的飞边。
5.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，其特征在于：所述推杆(2)为一根L形圆棒，由纯铜或铜合金材料制成。
6.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置，其特征在于：所述冷却水管(3)由纯铜或铜合金材料制成，冷却水管(3)包括主管(3-1)和支管(3-2)，所述主管(3-1)引入或导出冷却水，所述支管(3-2)与冷却水道(1-6)相配合。
7.一种基于权利要求6所述的固态热沉装置的焊接方法，其特征在于：将组装好的固态热沉装置用于焊接过程，固态热沉装置跟随在焊机主轴(4)及搅拌工具(5)后面，对已形成的焊缝进行随焊跟踪冷却，冷却水道(1-6)内通以冷却水，进行强制散热降温，并可根据焊接温度的高低，调整冷却水的冷却强度，实现对焊接过程中焊缝温度的有效控制。
8.根据权利要求7所述的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
首先，将推杆(2)的下端旋入至固态热沉(1)上底面(1-1)的推杆安装孔(1-5)内，冷却水管(3)的支管(3-2)分别与固态热沉(1)侧面(1-3)上的冷却水道(1-6)一一连接，将导热硅脂均匀刷涂在固态热沉下底面(1-2)；
焊接开始时，手持推杆(2)将固态热沉(1)紧紧贴在焊缝上表面，同时注意使两条散热通槽(1-4)位于焊缝两侧的飞边上方；
随着焊接的进行，利用推杆(2)将固态热沉(1)随焊接方向推行，保证整个固态热沉装置紧跟在焊机主轴(4)及搅拌工具(5)后面，同时通过冷却水管(3)的主管(3-1)把冷却水注入或排出冷却水道(1-6)，直到焊接完成。
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