CN107414281A - 降低搅拌摩擦焊接变形的装置及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种降低搅拌摩擦焊接变形的装置及焊接方法，涉及搅拌摩擦焊技术领域，解决了焊后变形的技术问题。该降低搅拌摩擦焊接变形的装置包括工作台、水冷循环装置、搅拌头、机头和气体冷却装置，水冷循环装置固定在工作台顶部，搅拌头可拆卸安装在机头下部，气体冷却装置的喷嘴位于搅拌头后端，且喷嘴出口对准搅拌头后端焊缝区域，水冷循环装置用于对待焊接工件背面进行降温，气体冷却装置用于对待焊接工件正面焊缝区域内的冷却降温。本发明通过水冷循环装置和气体冷却装置，加速了搅拌摩擦焊接过程中工件的冷却速度，降低了焊后变形，降低了焊后工件残余应力，还具有结构简单、操作便捷的特点。

Description

降低搅拌摩擦焊接变形的装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，尤其是涉及一种采用水冷循环装置和气体冷却装置降低搅拌摩擦焊接变形的装置及采用该装置进行搅拌摩擦焊接的方法
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接方法，在焊接过程中材料没有达到熔化状态，具有较低的热输入，因此搅拌摩擦焊接构件焊后具有较低的残余应力，相对较小的变形。但是在一些铝合金工件的搅拌摩擦焊接过程中，焊接变形还是表现比较突出，为保证焊后质量，满足实际要求，工件必须在进行完搅拌摩擦焊接后进行矫形处理。例如某结构散热器采用搅拌摩擦焊接，焊后工件呈现马鞍形，宏观变形较大，焊后平面度达到2mm，必须进行焊后矫形处理才能进行后续加工工序。
随着搅拌摩擦焊技术的逐步发展与深入以及在工程上的不断应用，焊后变形的减小与控制逐渐成为搅拌摩擦焊领域的热点。近年来，国内外学者已经开展了关于强冷介质对搅拌摩擦焊焊缝区域温度场、组织和性能影响的研究，但利用冷却循环系统来降低焊后变形的报道还没有。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用水冷循环装置和气体冷却装置降低搅拌摩擦焊接变形的装置以及采用该装置进行搅拌摩擦焊接的方法，以解决现有技术中存在的搅拌摩擦焊后变形的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：
本发明提供的一种降低搅拌摩擦焊接变形的装置，包括工作台、水冷循环装置、搅拌头、机头和气体冷却装置，其中：
所述水冷循环装置固定安装在所述工作台顶部，所述水冷循环装置内设置有水流通道供冷却水流过，所述水冷循环装置用于承载待焊接工件并对待焊接工件背部表面进行降温；
所述搅拌头可拆卸安装在所述机头下部，所述机头用于控制所述搅拌头旋转，所述搅拌头用于将待焊接工件进行焊接，所述搅拌头下部设置有轴肩和搅拌针，所述轴肩与待焊接工件表面接触连接，所述搅拌针插入到待焊接工件连接面下部；
所述气体冷却装置包括储气罐和喷嘴，所述储气罐和所述喷嘴通过管路连通，所述储气罐放置在所述工作台旁侧，所述管路固定连接在所述机头上，所述喷嘴位于所述搅拌头后端，且所述喷嘴出口对准所述搅拌头后端焊缝区域，所述气体冷却装置用于对待焊接工件正面焊缝区域内的冷却降温。
作为本发明的进一步改进，所述水冷循环装置包括冷却板，所述冷却板为平板形结构，所述冷却板侧壁上设置有进水口和出水口，供冷却水流动的所述水流通道设置在所述冷却板内部，且所述进水口和所述出水口分别位于所述水流通道的两端。
作为本发明的进一步改进，所述水流通道沿所述冷却板板面方向呈S形、U形或之字形设置。
作为本发明的进一步改进，所述气体冷却装置的气源采用氮气或氩气。
作为本发明的进一步改进，所述喷嘴与所述搅拌头的轴肩边界距离不大于20mm。
作为本发明的进一步改进，所述喷嘴的数量为至少两个，所有的所述喷嘴均通过所述管路与所述储气罐连通。
作为本发明的进一步改进，所有的所述喷嘴均具有调节流量功能。
作为本发明的进一步改进，所述冷却板采用导热系数高的材料制成。
作为本发明的进一步改进，所述冷却板采用铜制材料制成。
本发明还提供了一种搅拌摩擦焊接方法，使用所述降低搅拌摩擦焊接变形的装置进行搅拌摩擦焊接的方法，具体步骤如下：
步骤A：将所述水冷循环装置放置在所述工作台上，通过调整所述工作台高度使所述水冷循环装置上表面与水平面平行，然后使用卡具将所述水冷循环装置固定在所述工作台上；
步骤B：将待焊接在一起的工件一和工件二放置在所述水冷循环装置上部，然后分别将所述工件一和所述工件二通过卡具固定在所述水冷循环装置上，通过调整待焊接工件位置使所述待焊接工件的待焊缝与所述水流通道错开设置；
步骤C：根据所述工件一与所述工件二之间的待焊缝形状确定焊接前进方向，调整所述气体冷却装置的所述喷嘴位置，使其置于所述搅拌头后端，并保证所述气体冷却装置的所述喷嘴出口对准所述搅拌头后端的焊缝区域，最后调整所述喷嘴与所述搅拌头轴肩边界距离，该距离应小于20mm；
步骤D：开启所述水冷循环装置与所述气体冷却装置；
步骤E：开启搅拌摩擦焊机，调整所述搅拌头的转速为200-1500rpm，控制所述搅拌头的搅拌针以1-3mm/min的速度扎入到所述工件一与所述工件二的对接面内，保持所述搅拌头轴肩与所述工件一和所述工件二上表面紧密贴合；
步骤F：当所述搅拌头达到所需下压量时，控制所述搅拌头以100-300mm/min的速度沿着所述工件一与所述工件二对接面移动，直到完成焊接；
步骤G：关闭所述水冷循环装置和所述气体冷却装置，并拆卸工件如下步骤。
本发明的有益效果为：
1、本发明通过在搅拌摩擦焊接过程中，增加水冷循环装置对待焊接工件背面进行持续降温，增加搅拌头附近的气体冷却装置对焊接工件焊缝处进行焊后降温，加速了搅拌摩擦焊接过程中工件的冷却速度，降低了焊后变形，降低了焊后工件残余应力。
2、本发明具有结构简单、操作便捷的特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明降低搅拌摩擦焊接变形的装置在焊接过程中的示意图；
图2是使用本发明降低搅拌摩擦焊接变形的装置进行搅拌摩擦焊后的某型散热器示意图。
图中1-工件一；2-工件二；3-搅拌头；4-气体冷却装置；5-水冷循环装置；6-进水口；7-出水口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种降低搅拌摩擦焊接变形的装置，包括工作台、水冷循环装置5、搅拌头3、机头和气体冷却装置4，水冷循环装置5固定安装在工作台顶部，水冷循环装置5内设置有水流通道供冷却水流过，水冷循环装置5用于承载待焊接工件并对待焊接工件背部表面进行降温，待焊接工件固定安装在工作台顶部的水冷循环装置5上，水冷循环装置5内的冷却水不断流动将与之贴合接触的待焊接工件背面的热量进行热交换带走实现降温；
搅拌头3可拆卸安装在机头下部，机头用于控制搅拌头3旋转，搅拌头3用于将待焊接工件进行焊接，搅拌头3下部设置有轴肩和搅拌针，轴肩与待焊接工件表面接触连接，搅拌针插入到待焊接工件连接面下部；
气体冷却装置4包括储气罐和喷嘴，储气罐和喷嘴通过管路连通，储气罐放置在工作台旁侧，管路固定连接在机头上，喷嘴位于搅拌头3后端，且喷嘴出口对准搅拌头3后端焊缝区域，气体冷却装置4用于对待焊接工件正面焊缝区域内的冷却降温。
作为可选的实施方式，水冷循环装置5包括冷却板，冷却板为平板形结构，冷却板侧壁上设置有进水口6和出水口7，供冷却水流动的水流通道设置在冷却板内部，且进水口6和出水口7分别位于水流通道的两端。水流通道的形状可以选择多种形状，水流通道的形状应为尽量多的与待焊接工件表面接触，从而实现良好的降温效果，优选的，可将水流通道沿冷却板板面方向呈S形、U形或之字形设置。待焊接工件的放置要将焊缝与水流通道错开设置，即焊缝下方不能有水流通道。
作为焊缝处冷却的气体冷却装置4的气源可采用氮气或氩气，也可以采用其他气源。
为了保证气体冷却装置4的冷却效果，所以喷嘴与搅拌头3的轴肩边界距离不能过大，优选的选择间距不大于20mm，可根据实际需要进行调整。喷嘴的朝向以及与轴肩的距离调整是通过调整管路弯曲方向以及管路固定在机头的位置进行调整。
座位优选的，喷嘴的数量为至少两个，所有的喷嘴均通过管路与储气罐连通，喷嘴数量设置多个，能过保证焊缝处降温效果，且从多个角度对焊缝处进行降温，保证降温均匀。所有的喷嘴均具有调节流量功能。可根据实际情况进行流量调整。为了能够提高冷却降温效果，冷却板采用导热系数高的材料制成，优选的可选择铜制材料制成的冷却板。
本发明还提供了一种搅拌摩擦焊接方法，使用降低搅拌摩擦焊接变形的装置进行搅拌摩擦焊接的方法，具体步骤如下：
步骤A：将水冷循环装置5放置在工作台上，通过调整工作台高度使水冷循环装置5上表面与水平面平行，然后使用卡具将水冷循环装置5固定在工作台上；
步骤B：将待焊接在一起的工件一1和工件二2放置在水冷循环装置5上部，然后分别将工件一1和工件二2通过卡具固定在水冷循环装置5上，通过调整待焊接工件位置使待焊接工件的待焊缝与水流通道错开设置；
步骤C：根据工件一1与工件二2之间的待焊缝形状确定焊接前进方向，调整气体冷却装置4的喷嘴位置，使其置于搅拌头3后端，并保证气体冷却装置的喷嘴出口对准搅拌头3后端的焊缝区域，最后调整喷嘴与搅拌头3轴肩边界距离，该距离应小于20mm；
步骤D：开启水冷循环装置5与气体冷却装置4；
步骤E：开启搅拌摩擦焊机，调整搅拌头3的转速为200-1500rpm，控制搅拌头3的搅拌针以1-3mm/min的速度扎入到工件一1与工件二2的对接面内，保持搅拌头3轴肩与工件一1和工件二2上表面紧密贴合；
步骤F：当搅拌头3达到所需下压量时，控制搅拌头3以100-300mm/min的速度沿着工件一1与工件二2对接面移动，直到完成焊接；
步骤G：关闭水冷循环装置5和气体冷却装置4，并拆卸工件如下步骤：
具体使用时：
如图2所示，该散热器由基体(工件一1)和盖板(工件二2)采用FSW(搅拌摩擦焊)焊接而成，焊接后零件长度为510mm，宽度为500mm，厚度为25mm。根据图纸要求，零件焊后平面度要求为：≤0.5mm。采用现有的搅拌摩擦焊接焊后变形量为2mm，焊后必须进行矫形处理，才能满足要求；
采用本发明中装置和方法进行焊接，在焊接启动之前开启水冷循环装置5，在焊接过程中随着冷却水在水冷循环装置5中流动，将零件背部热量及时带走，同时零件正面焊缝区域在焊接过程中采用氮气进行冷却，零件整体焊后最大变形量为0.5mm，满足技术要求，同时省去了矫形工序，提高了效率，并且操作简便。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：包括工作台、水冷循环装置(5)、搅拌头(3)、机头和气体冷却装置(4)，其中：
所述水冷循环装置(5)固定安装在所述工作台顶部，所述水冷循环装置(5)内设置有水流通道供冷却水流过，所述水冷循环装置(5)用于承载待焊接工件并对待焊接工件背部表面进行降温；
所述搅拌头(3)可拆卸安装在所述机头下部，所述机头用于控制所述搅拌头(3)旋转，所述搅拌头(3)用于将待焊接工件进行焊接，所述搅拌头(3)下部设置有轴肩和搅拌针，所述轴肩与待焊接工件表面接触连接，所述搅拌针插入到待焊接工件连接面下部；
所述气体冷却装置(4)包括储气罐和喷嘴，所述储气罐和所述喷嘴通过管路连通，所述储气罐放置在所述工作台旁侧，所述管路固定连接在所述机头上，所述喷嘴位于所述搅拌头(3)后端，且所述喷嘴出口对准所述搅拌头(3)后端焊缝区域，所述气体冷却装置(4)用于对待焊接工件正面焊缝区域内的冷却降温。
2.根据权利要求1所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述水冷循环装置(5)包括冷却板，所述冷却板为平板形结构，所述冷却板侧壁上设置有进水口(6)和出水口(7)，供冷却水流动的所述水流通道设置在所述冷却板内部，且所述进水口(6)和所述出水口(7)分别位于所述水流通道的两端。
3.根据权利要求2所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述水流通道沿所述冷却板板面方向呈S形、U形或之字形设置。
4.根据权利要求1所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述气体冷却装置(4)的气源采用氮气或氩气。
5.根据权利要求1所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述喷嘴与所述搅拌头(3)的轴肩边界距离不大于20mm。
6.根据权利要求1所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述喷嘴的数量为至少两个，所有的所述喷嘴均通过所述管路与所述储气罐连通。
7.根据权利要求6所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所有的所述喷嘴均具有调节流量功能。
8.根据权利要求2所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述冷却板采用导热系数高的材料制成。
9.根据权利要求8所述的降低搅拌摩擦焊接变形的装置，其特征在于：所述冷却板采用铜制材料制成。
10.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：使用权利要求1～9中任一项所述降低搅拌摩擦焊接变形的装置进行搅拌摩擦焊接的方法，具体步骤如下：
步骤A：将所述水冷循环装置(5)放置在所述工作台上，通过调整所述工作台高度使所述水冷循环装置(5)上表面与水平面平行，然后使用卡具将所述水冷循环装置(5)固定在所述工作台上；
步骤B：将待焊接在一起的工件一(1)和工件二(2)放置在所述水冷循环装置(5)上部，然后分别将所述工件一(1)和所述工件二(2)通过卡具固定在所述水冷循环装置(5)上，通过调整待焊接工件位置使所述待焊接工件的待焊缝与所述水流通道错开设置；
步骤C：根据所述工件一(1)与所述工件二(2)之间的待焊缝形状确定焊接前进方向，调整所述气体冷却装置(4)的所述喷嘴位置，使其置于所述搅拌头(3)后端，并保证所述气体冷却装置(4)的所述喷嘴出口对准所述搅拌头(3)后端的焊缝区域，最后调整所述喷嘴与所述搅拌头(3)轴肩边界距离，该距离应小于20mm；
步骤D：开启所述水冷循环装置(5)与所述气体冷却装置(4)；
步骤E：开启搅拌摩擦焊机，调整所述搅拌头(3)的转速为200-1500rpm，控制所述搅拌头(3)的搅拌针以1-3mm/min的速度扎入到所述工件一(1)与所述工件二(2)的对接面内，保持所述搅拌头(3)轴肩与所述工件一(1)和所述工件二(2)上表面紧密贴合；
步骤F：当所述搅拌头(3)达到所需下压量时，控制所述搅拌头(3)以100-300mm/min的速度沿着所述工件一(1)与所述工件二(2)对接面移动，直到完成焊接；
步骤G：关闭所述水冷循环装置(5)和所述气体冷却装置(4)，并拆卸工件。
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