CN111283318B - 一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器及使用方法，包括上微通道散热器、下微通道散热器、与微通道散热器相连的推杆和输送纳米流体的管道，微通道散热器侧面设有微通道，微通道与输送纳米流体的管道相连，微通道散热器装置通过推杆与搅拌摩擦焊主轴相连，沿焊接方向同步移动，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，此外，在散热器内部开设的微通道内通纳米流体进行强制散热降温。本发明抑制δ铁素体生成，减少焊缝过热，细化焊缝晶粒，提高组织均匀性，减少或消除焊接接头的残余应力和变形，达到改善焊接接头质量、提高接头综合性能的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于抑制低活化马氏体(RAFM)钢搅拌摩擦焊(FSW)焊接接头δ铁素体生成的双面微通道散热器装置，可用于对搅拌摩擦焊焊件的精准降温和质量控制，属于机械控制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，克服了传统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。在RAFM钢FSW过程中，搅拌头高速旋转与工件摩擦产生的热量使待焊试板发生局部塑性变形，温度可高达1100℃以上，进入到δ铁素体相区，因而易形成高温δ铁素体，从而降低了焊缝的力学性能，影响了RAFM钢接头的可靠性。常规条件的搅拌摩擦焊都是在空气等环境介质下进行的。这就决定了它们在焊接过程中难以迅速吸收摩擦热以及塑性变形热，不利于焊缝的快速冷却，不能使焊接热循环曲线迅速穿过δ铁素体的形成温度区间。
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(专利申请号：20089208844.1、20089072037.4)和固态热沉式搅拌摩擦焊(专利申请号：201310555279.5)。对于浸入式搅拌摩擦焊而言，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。固态热沉式搅拌摩擦焊则对焊缝进行冷却，可以实现冷却介质与焊缝不直接接触条件下的干式冷却。但该装置采用冷却水管的方式进行单面冷却，冷却效果相对有限且极易导致焊接接头上下两面的冷却速度不一样，同时也无法实现精准降温，不能使RAFM钢焊接温度场快速通过δ铁素体的形成温度区间。
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力学性能，进而控制接头应力和变形，但一般的“湿法”冷却方式，都可能存在焊缝吸氢和材料腐蚀等问题，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，但无法实现对焊接接头处于高温阶段时的精准降温，且不能使RAFM钢在焊接过程中焊接热循环曲线迅速穿过δ铁素体的形成温度区间。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器及使用方法，实现对搅拌摩擦焊焊件的精准降温和质量控制，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”冷却效果相对有限且焊缝两面的冷却速度不一样等问题，实现快速通过δ铁素体的形成温度区间，从而抑制δ铁素体生成，达到提高焊接质量的目的。
本发明采用的技术方案：一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，包括上微通道散热器、下微通道散热器、推杆、输送纳米流体的管道、焊机主轴、搅拌工具和试板；
所述试板的上面和下面分别设有上微通道散热器和下微通道散热器，上微通道散热器和下微通道散热器均通过推杆与焊机主轴相连，焊机主轴上设有搅拌工具；
所述上微通道散热器包括上底面、下底面和侧面，上微通道散热器内部与焊接方向垂直的方向开设有微通道，微通道贯穿于两侧面，微通道与输送纳米流体的管道相连，上底面设有用于安装推杆的安装孔；
所述下微通道散热器包括上底面、下底面和侧面，下微通道散热器内部与焊接方向垂直的方向开设有微通道，微通道贯穿于两侧面，微通道与输送纳米流体的管道相连，下底面设有用于安装推杆的安装孔；下微通道散热器与上微通道散热器大体相似，因为在实际双轴肩搅拌摩擦焊过程中，由于要对试板进行装夹，试板下面的空间有限，所以在下微通道散热器宽度比上微通道散热器宽度稍窄，便于安装；
微通道散热器的长度方向与焊接方向一致。微通道散热器与试板接触面具有较高的平整度，且能覆盖焊缝及其两侧一定范围(热机械影响区和热影响区)。所述输送纳米流体的通道成对使用，用来引入或导出纳米流体。
所述微通道散热器与试板接触面设有若干个温度传感器，温度传感器测量板件的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号，信号进入A/D转换电路将其转换成数字信号显示，从而实现对焊接接头的精准控温。
作为优选，所述上微通道散热器和下微通道散热器由具有高导热系数的铝合金制成。微通道散热器为长方体，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、冷却控制强度确定微通道散热器的长度、宽度、厚度，保证其具有高的储热能力，所述推杆为L形圆棒，由高强度的铝合金制成。
作为优选，所述微通道是在散热器侧面加工出尺寸渐变的梯度结构微型散热器通道，垂直方向越靠近试板的通道尺寸越小，水平方向越靠近焊缝的通道尺寸越小。
作为优选，所述推杆一端设有与安装孔配合的外螺纹，另一端设有与焊机主轴相连的圆形套筒，所述安装孔为在上底面和下底面的中心位置加工出来的带螺纹的安装孔，所述推杆与主轴的相连根据试板的厚度进行上下调节。
作为优选，所述纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体(铜、氧化铝、二氧化硅等)分散到水、醇、油等传统换热介质中，制备成均匀、稳定、高导热的新型换热介质。
一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器的使用方法：将组装好的微通道散热器装置用于焊接过程，微通道散热器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，微通道内通纳米流体，进行强制散热降温，并根据焊接温度的高低，调整纳米流体的流动速度，实现对焊接接头温度的精准控制，使RAFM钢焊接温度场快速通过δ铁素体的形成温度区间，从而抑制搅拌摩擦焊中δ铁素体生成；具体包括以下步骤：
首先，将两个推杆的下端分别旋入至上微通道散热器上底面和下微通道散热器下底面的推杆安装孔内，输送纳米流体的管道与微通道散热器侧面相连，将导热硅脂均匀刷涂在微通道散热器下底面；
焊接开始时，使微通道散热器紧紧贴在焊接接头的上表面，推杆与焊机主轴相连，使整个微通道散热器装置紧跟在焊机主轴及搅拌工具后面，同时通过管道把纳米流体注入或排出微通道，直到焊接完成。
作为优选，上述使用方法在焊接过程中，上微通道散热器下底面均匀涂抹一层导热硅脂，下微通道散热器上底面均匀涂抹一层导热硅脂。在焊缝成型时，导热硅脂能够起到一定的缓冲作用，使微通道散热器能够紧贴在试板表面。
有益效果：本发明的一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器及使用方法，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)微通道散热器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，改善焊缝组织，提高焊缝综合性能；
(2)采用微通道散热器装置，实现了“干法”冷却，且比宏观结构的水管冷却效果更明显，冷却速度更快，从而抑制δ铁素体生成。
(3)采用双面冷却的方法，可以使得试板上下两面冷却速度相当，改善焊缝温度不均匀的问题。
(4)微通道散热器装置结构简单、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为本发明双面微通道散热器装置结构示意图；
图2为本发明上微通道散热器上底面示意图；
图3为本发明上微通道散热器下底面示意图；
图4为本发明下微通道散热器上底面示意图；
图5为本发明下微通道散热器下底面示意图；
图6为本发明与上微通道散热器相连的输送纳米流体的管道示意图；
图7为本发明与下微通道散热器相连的输送纳米流体的管道示意图；
图8为本发明与上微通道散热器相连的推杆；
图9为本发明与下微通道散热器相连的推杆。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更进一步的说明。
如图1至图9所示，一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，包括上微通道散热器1、与上微通道散热器1相连的推杆2和输送纳米流体的管道8、下微通道散热器5、与下微通道散热器5相连的推杆6和输送纳米流体的管道9。所述上微通道散热器1包括上底面1-5、下底面1-1和侧面1-2，上微通道散热器1内部与焊接方向垂直的方向开设有微通道1-3，微通道1-3贯穿两侧面1-2，微通道1-3与输送纳米流体的管道8相连，上底面1-5设有用于安装推杆2的安装孔1-4，推杆2的一端2-1与安装孔1-4相连，另一端2-2与焊机主轴3相连。下微通道散热器5包括上底面5-1、下底面5-5和侧面5-2，下微通道散热器5内部与焊接方向垂直的方向开设有微通道5-3，微通道5-3贯穿两侧面5-2，微通道5-3与输送纳米流体的管道9相连，下底面5-5设有用于安装推杆6的安装孔5-4。推杆6的一端外螺纹6-1与安装孔5-4相连，另一端外螺纹6-2与焊机主轴3相连。微通道1-3、微通道5-3是在散热器侧面加工出尺寸渐变的微型通道，垂直方向越靠近试板的通道尺寸越小，水平方向越靠近焊缝的通道尺寸越小。
本实施例中，上微通道散热器1、下微通道散热器5选用具有高导热系数的铝合金材料制成，微通道散热器为长方体，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、冷却控制强度确定微通道散热器的长度、宽度、厚度，保证其具有高的储热能力，微通道散热器的长度方向与焊接方向一致。微通道散热器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(热机影响区和热影响区)。
其中，推杆2和推杆6为一个L形圆棒，由铝合金制成，一端设有与安装孔配合的外螺纹2-1和外螺纹6-1，另一端设有与焊机主轴相连的圆形套筒2-2和圆形套筒6-2。安装孔1-4和安装孔5-4为在上微通道散热器1和下微通道散热器5底面的中心位置加工出来的带螺纹的安装孔1-4和安装孔5-4。输送纳米流体的管道8以及输送纳米流体的管道9成对使用，由铝合金制成，输送纳米流体的管道8与上微通道散热器1侧面相配合，输送纳米流体的管道9与下微通道散热器5侧面相配合，用来引入或导出纳米流体。
一种基于上述微通道散热器装置的焊接方法，具体包括以下步骤：
首先，将两个推杆2、推杆6的下端外螺纹2-1、外螺纹6-1分别旋入至上微通道散热器上底面1-5和下微通道散热器下底面5-5的推杆安装孔1-4、安装孔5-4内，输送纳米流体的管道与微通道散热器侧面相连，将导热硅脂均匀刷涂在微通道散热器与试板接触的一面；
在焊接过程中，推杆2和推杆6连接着焊机主轴3与上微通道散热器1和下微通道散热器5，保证上微通道散热器1和下微通道散热器5紧跟随在焊机主轴3及搅拌工具4和搅拌工具7后面，同时通过输送纳米流体的管道8和输送纳米流体的管道9将纳米流体注入或排出上微通道散热器1和下微通道散热器5内部的微通道1-3和微通道5-3，微通道1-3和微通道5-3内通过纳米流体可以使试板精准快速降温，直到焊接完成。
在焊接过程中，微通道散热器与试板接触的一面设有若干个测温点，利用电脑监测，对焊接接头温度进行实时反馈，可以根据焊接温度的高低，调整冷却水的冷却强度，从而实现对焊接接头的精准控温。
以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，其特征在于：包括上微通道散热器、下微通道散热器、推杆、输送纳米流体的管道、焊机主轴、搅拌工具和试板；
所述试板的上面和下面分别设有上微通道散热器和下微通道散热器，上微通道散热器和下微通道散热器均通过推杆与焊机主轴相连，焊机主轴上设有搅拌工具；
所述上微通道散热器包括上底面、下底面和侧面，上微通道散热器内部与焊接方向垂直的方向开设有微通道，微通道贯穿于两侧面，微通道与输送纳米流体的管道相连，上底面设有用于安装推杆的安装孔；
所述下微通道散热器包括上底面、下底面和侧面，下微通道散热器内部与焊接方向垂直的方向开设有微通道，微通道贯穿于两侧面，微通道与输送纳米流体的管道相连，下底面设有用于安装推杆的安装孔；
所述上微通道散热器、下微通道散热器的长度方向与焊接方向一致，上微通道散热器、下微通道散热器与试板接触面能覆盖焊缝及其两侧的热机械影响区和热影响区，所述输送纳米流体的通道成对使用，用来引入或导出纳米流体；
所述上微通道散热器、下微通道散热器与试板接触面设有若干个温度传感器，温度传感器测量板件的实时温度并转换成电压信号，该电压信号经过滤波放大电路，成为有用信号，信号进入A/D转换电路将其转换成数字信号显示，从而实现对焊接接头的精准控温；
所述微通道是在散热器侧面加工出尺寸渐变的梯度结构微型散热器通道，垂直方向越靠近试板的通道尺寸越小，水平方向越靠近焊缝的通道尺寸越小。
2.根据权利要求1所述的一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，其特征在于：所述上微通道散热器和下微通道散热器由具有高导热系数的铝合金制成，所述推杆为L形圆棒，由高强度的铝合金制成。
3.根据权利要求1所述的一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，其特征在于：所述推杆一端设有与安装孔配合的外螺纹，另一端设有与焊机主轴相连的圆形套筒，所述安装孔为在上底面和下底面的中心位置加工出来的带螺纹的安装孔，所述推杆与主轴的相连根据试板的厚度进行上下调节。
4.根据权利要求1所述的一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，其特征在于：所述纳米流体是指把金属或非金属纳米粉体分散到水、醇、油传统换热介质中。
5.根据权利要求1所述的一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，其特征在于：将组装好的微通道散热器装置用于焊接过程，微通道散热器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，微通道内通纳米流体，进行强制散热降温，并根据焊接温度的高低，调整纳米流体的流动速度，实现对焊接接头温度的精准控制，使RAFM钢焊接温度场快速通过δ铁素体的形成温度区间，从而抑制搅拌摩擦焊中δ铁素体生成；具体包括以下步骤：
首先，将推杆的下端分别旋入至上微通道散热器上底面和下微通道散热器下底面的推杆安装孔内，输送纳米流体的管道与微通道散热器侧面相连，将导热硅脂均匀刷涂在微通道散热器下底面；
焊接开始时，使微通道散热器紧紧贴在焊接接头的上表面，推杆与焊机主轴相连，使整个微通道散热器装置紧跟在焊机主轴及搅拌工具后面，同时通过管道把纳米流体注入或排出微通道，直到焊接完成。
6.根据权利要求5所述的一种抑制FSW接头δ相的双面微通道散热器，其特征在于：在焊接过程中，上微通道散热器下底面均匀涂抹一层导热硅脂，下微通道散热器上底面均匀涂抹一层导热硅脂；在焊缝成型时，导热硅脂能够起到缓冲作用，使微通道散热器能够紧贴在试板表面。
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