CN105689885A - 双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置、搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents

双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置、搅拌摩擦焊接装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置、搅拌摩擦焊接装置及方法，其中，所述双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置包括散热块和散热片；散热块的一端与搅拌针固定连接，另一端可延伸至冷却液中，散热块设有引液槽；散热片固定于散热块的上端；当散热块转动时，冷却液沿引液槽上升并流经散热片，从而降低双轴肩搅拌摩擦头的温度。本发明散热效果好，可以提高焊接质量，同时不需要破坏搅拌头的整体结构，散热结构较为简单，便于装配且可以重复利用；在焊接过程中，冷却液可以循环利用，并且可以根据焊接的要求改变冷却液的成分，从而可以进一步提高焊接质量。

Description

双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置、搅拌摩擦焊接装置及方法
技术领域
本发明属于金属加工领域，尤其是一种双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，以及具有双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置的搅拌摩擦焊接装置和使用该搅拌摩擦焊接装置的方法。
背景技术
自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。
尽管利用双轴肩搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊缝，上下轴肩与工件表面摩擦，产生大量热，有助于母材快速软化，但工程实践中发现还存在飞边，孔洞，隧道等问题。因此需要对其进行进一步的研究和改进。
发明内容
发明目的：一个目的是提供一种双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，以解决现有技术存在的上述问题。
技术方案：一种双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，包括：
散热块，其一端与搅拌针固定连接，另一端可延伸至冷却液中，散热块设有引液槽；
散热片，固定于散热块的上端；
当散热块转动时，冷却液沿引液槽上升并流经散热片，从而降低双轴肩搅拌摩擦头的温度。
优选的，所述散热块为倒锥形，其表面开有螺旋上升的引液槽。所述散热块的上端设有与搅拌针下端部螺纹适配的螺纹孔，所述搅拌针相对散热块的旋紧方向与搅拌针的旋转方向一致。从俯视方向看，当引液槽为右旋螺纹时，搅拌针顺时针旋转；当引液槽为左旋螺纹时，搅拌针逆时针旋转。所述散热片为伞形，散热片的边缘向下弯折，形成一阻止冷却液飞溅的挡止部，散热片的中间具有通孔。所述散热片与散热块套接并通过锁紧螺母固定。
在进一步的实施例中，所述散热片具有一向下弯折的、可阻止冷却液飞溅的唇边。
在进一步的实施例中，还包括水槽，所述水槽的上部向内弯折，水槽的宽度大于散热片的直径，水槽的长度大于搅拌头的最大行程。
本发明的另一目的是提供一种双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特点是包括上述任一技术方案中的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置。
本发明的又一目的是提供一种采用上述双轴肩搅拌摩擦焊接装置进行焊接的方法，包括如下步骤：
步骤一、向水槽中加入冷却液，将水槽放于带焊工件下方；
步骤二、装配双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，并将其安装在双轴肩搅拌摩擦焊针下端；
步骤三、调整散热装置的位置，使散热块浸入冷却液中；
步骤四、启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转；
步骤五、焊接结束后，上提搅拌针。
有益效果：本发明散热效果好，可以提高焊接质量，同时不需要破坏搅拌头的整体结构，散热结构较为简单，便于装配且可以重复利用；在焊接过程中，冷却液可以循环利用，并且可以根据焊接的要求改变冷却液的成分，从而可以进一步提高焊接质量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是散热片的结构示意图。
图3a和图3b为锥形散热块的主视图和剖面图。
具体实施方式
为了解决现有技术存在的上述问题，申请人进行了深入的研究，申请人发现：在工程实际操作中，转速和前进速度的增大会造成产热过大，导致上下轴肩处产热不均匀，焊缝上下表面晶粒大小不一，组织流动性差。这是形成飞边，孔洞，隧道等缺陷的原因。对焊接进行中的双轴肩搅拌摩擦头进行测温，发现下轴肩温度明显高于上轴肩。研究发现：上轴肩连接焊机机头部分，热量散失快，下轴肩体积小，散热面积小，容易对焊缝下表面产生过热影响。
因此，需要研发一种既不影响传统搅拌摩擦头焊接功能、又能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌头冷却装置及方法。
如图1、图2、图3a和图3b所示，本发明的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置主要包括散热块3、散热片2和锁紧螺母1。其中，散热块的一端与搅拌针固定连接，另一端可延伸至冷却液中，散热块设有引液槽。散热片固定于散热块的上端；在焊接前，散热块通过螺接的方式固定于搅拌针的下端，并伸入水槽内，至少部分引液槽浸入冷却液中。当散热块转动时，冷却液沿引液槽上升并流经散热片，带走搅拌头传导至散热片的热量，从而降低双轴肩搅拌摩擦头的温度。
如图2所示，散热片为伞形，散热片的边缘向下弯折，形成一阻止冷却液飞溅的挡止部21，散热片的中间具有通孔22。
如图3所示，在该实施例中，散热块为倒锥形，其表面开有螺旋上升的引液槽32。
引液槽上方，即散热块中部设置有台阶31。散热块的上端设有与搅拌针下端部螺纹适配的螺纹孔33。搅拌针相对散热块的旋紧方向与搅拌针的旋转方向一致，在使用过程中，搅拌针和散热块之间自动旋紧，因此散热块不会脱落，能够提高装置的稳定性和安全性。从俯视方向看，当引液槽为右旋螺纹时，搅拌针顺时针旋转；当引液槽为左旋螺纹时，搅拌针逆时针旋转。引液槽可将冷却液吸起，冷却液沿着引液槽上升至散热片底面，吸收部分热量，最后被甩出，回到水槽。
在进一步的实施例中，所述散热片具有一向下弯折的、可阻止冷却液飞溅的唇边，该唇边不仅可以增大散热面积，还具有防止液滴飞溅的作用，防止冷却液被甩出水槽。
在进一步的实施例中，还包括水槽，所述水槽的上部向内弯折，水槽的宽度大于散热片的直径，水槽的长度大于搅拌头的最大行程。锥形散热块的两侧有平台，便于装夹；窄口水槽上部两侧向内弯折，形成窄口，使冷却水不会飞溅。
如图1所示，散热片通过其中部的通孔与散热块套接，并用锁紧螺母固定，即可得到一种双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置。
总之，该实施例提供了一种新式的双轴肩搅拌摩擦头用水冷散热装置，实施本发明不需要破坏搅拌头的整体结构，而且可重复使用，既发挥了传统摩擦焊的优点，又具有耗材量小，操作简单的特点。焊接过过程中冷却液循环利用，不飞溅，便于冷却搅拌摩擦过程中双轴肩搅拌摩擦头的底部和控制焊接质量，这有利于进一步提高焊接质量，且冷却液的成分根据具体的焊接要求可以方便更改。结构简单、实用性强：该双轴肩搅拌摩擦头用水冷散热装置部件较少、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。
采用上述双轴肩搅拌摩擦焊接装置进行焊接的方法，包括如下步骤：
步骤一、向水槽中加入冷却液，将水槽放于带焊工件下方；
步骤二、装配双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，并将其安装在双轴肩搅拌摩擦焊针下端；
步骤三、调整散热装置的位置，使散热块浸入冷却液中；
步骤四、启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转；
焊接时，水冷散热装置与搅拌针同步旋转，锥形散热块表面的螺旋槽带动水流上升并流经散热片，带走搅拌头的底部的热量；
步骤五、焊接结束后，上提搅拌针。
其中，散热装置的装配过程如下：首先，将散热片压入锥形散热块的圆柱头一侧，有唇边凸起部分朝下；其次，将锁紧螺母旋入锥形散热块圆柱头，压紧散热片；最后，将搅拌针下部与锥形散热块螺纹配合，旋紧。
在进一步的实施例中，冷却液距散热片最下沿1至2厘米。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，包括：
散热块，其一端与搅拌针固定连接，另一端可延伸至冷却液中，散热块设有引液槽；
散热片，固定于散热块的上端；
当散热块转动时，冷却液沿引液槽上升并流经散热片，从而降低双轴肩搅拌摩擦头的温度。
2.如权利要求1所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，所述散热块为倒锥形，其表面开有螺旋上升的引液槽。
3.如权利要求1所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，所述散热块的上端设有与搅拌针下端部螺纹适配的螺纹孔，所述搅拌针相对散热块的旋紧方向与搅拌针的旋转方向一致。
4.如权利要求1至3任一项所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，从俯视方向看，当引液槽为右旋螺纹时，搅拌针顺时针旋转；当引液槽为左旋螺纹时，搅拌针逆时针旋转。
5.如权利要求4所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，所述散热片为伞形，散热片的边缘向下弯折，形成一阻止冷却液飞溅的挡止部，散热片的中间具有通孔。
6.如权利要求5所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，所述散热片与散热块套接并通过锁紧螺母固定。
7.如权利要求1所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，所述散热片具有一向下弯折的、可阻止冷却液飞溅的唇边。
8.如权利要求1所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，其特征在于，还包括水槽，所述水槽的上部向内弯折，水槽的宽度大于散热片的直径，水槽的长度大于搅拌头的最大行程。
9.一种双轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括权利要求1至8任一项所述的双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置。
10.使用权利要求9所述的双轴肩搅拌摩擦焊接装置进行焊接的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、向水槽中加入冷却液，将水槽放于带焊工件下方；
步骤二、装配双轴肩搅拌摩擦头水冷散热装置，并将其安装在双轴肩搅拌摩擦焊针下端；
步骤三、调整散热装置的位置，使散热块浸入冷却液中；
步骤四、启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转；
步骤五、焊接结束后，上提搅拌针。
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