CN112548314A - 一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，包括以下步骤：在待加工隧道的工件的表面沿着隧道延伸路径加工凹槽；将工件装夹固定放置于工作台上，并使凹槽的槽口朝上；将搅拌摩擦焊设备的搅拌头定位至工件的凹槽一端的槽口正上方，且搅拌头的轴线与工件表面的法线之间具有0～4°的倾角，超声变幅杆和超声发生器与搅拌头同轴设置；启动搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头转动，并使搅拌头沿竖直向下方向穿过凹槽扎入工件中，再启动超声发生器，并使搅拌头停留预设时间；驱动搅拌头和超声变幅杆沿凹槽的延伸路径同步平移运动，在工件内形成隧道，搅拌头和超声变幅杆平移运动至凹槽的另一端时，隧道成形完成。

Description

一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦加工技术领域，尤其涉及一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法。

背景技术

随着设备集成化的发展，常规散热风扇由于体积较大，难以放置于集成设备中，同时风扇的冷却效率较低，难以达到快速冷却的效果。而介质冷却具有热转换效率高的特点，已被广泛应用于电池组、发动机及烘焙箱等方面的冷却。

目前，采用冷却介质进行水冷的方式，有的通过软管进行冷却介质的传输，以带走多余的热量；然而，软管需要复杂的排线以及辅助固定装置，在设备中铺设较多的软管会给设备的后期检测及维护带来一定的困难，而且软管的固定会增加较多的夹持零件，后期检修维护复杂。有的在零件内部制备隧道对冷却介质进行传输，可以避免软管的使用；隧道的制备可以采用铸造的方式，然而由于铸造工艺特点，制备的铸造件水冷板内部容易产生气孔、夹渣以及热裂纹等缺陷，内部存在较多的缺陷，极大地降低材料的有效承载厚度，水冷板长期服役中容易失效而产生裂纹甚至断裂的问题。另一种方式是在需要冷却位置制备两端连通的槽，并在上面采用焊接的方式用板材进行封闭；采用开槽与盖板封闭两种工艺相结合的方式可以制备出隧道，但是工艺复杂，需要预制凹槽后采用盖板密封，额外增加的盖板不仅会增加结构的重量，而且盖板焊缝连接处在长时间服役中容易受到腐蚀而发生泄漏。

搅拌摩擦焊接中在参数不合适的情况下容易出现隧道缺陷。在常规搅拌摩擦焊接接头中隧道作为一种缺陷存在，但是在水冷板中却是一种有利的结果，焊缝中隧道的存在可以作为输送冷却介质的通道。搅拌摩擦隧道成形可以高效实现隧道的制备，利用搅拌摩擦焊接方式生产水冷板时，选择合适的焊接工艺参数，旋转的搅拌头沿着预设路径进行焊接，即可获得连续且贯通的隧道缺陷。但是，仅通过搅拌头的反向旋转以及焊接工艺参数选择难以使材料流畅地溢出焊缝，材料溢出困难；另外，采用搅拌摩擦隧道成形技术直接在产品上加工隧道后，隧道的存在会降低接头和零件的有效承载面积，进而降低接头的承载性能，导致零件承载能力降低。

需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，可以在产品工件表面直接加工出隧道，不需要额外附加零部件，加工效率高，稳定性好，解决搅拌摩擦隧道成形材料溢出困难的问题，同时避免隧道降低接头的有效承载面积和降低加工后产品的强度，解决工件内部加工隧道导致承力能力降低的问题，可以制备出尺寸均匀的隧道，工艺简单重复性好，适合批量生产，省时省力，提升生产效率，降低加工成本，实用性强。

为实现上述目的，本发明提出了一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待加工隧道的工件的表面沿着隧道延伸路径加工凹槽；

步骤2、将工件装夹固定放置于工作台上，并使凹槽的槽口朝上；

步骤3、将搅拌摩擦焊设备的搅拌头定位至工件的凹槽一端的槽口正上方，且搅拌头的轴线与工件表面的法线之间具有0～4°的夹角，超声变幅杆和超声发生器与搅拌头同轴设置；

步骤4、启动搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头转动，并使搅拌头沿竖直方向向下通过凹槽扎入工件中，再启动超声发生器，并使搅拌头停留预设时间；

步骤5、驱动搅拌头和超声变幅杆沿凹槽的延伸路径同步平移运动，超声发生器产生超声振动能够促进工件的材料软化，搅拌头转动使凹槽内部的材料向上流动溢出凹槽并沉积于工件表面，从而在工件内形成隧道，搅拌头和超声变幅杆平移运动至凹槽的另一端时，隧道成形完成；

步骤6、使搅拌头上升远离工件，停止搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头转动，并关闭超声发生器。

在一个示例中，凹槽的宽度小于搅拌头的轴肩直径的90％；和/或，凹槽的深度小于搅拌头的搅拌针长度的90％。

在一个示例中，超声变幅杆和超声发生器同轴设置于搅拌头内部；或者，超声变幅杆和超声发生器与搅拌头同轴地顶靠设置于工件下方。

在一个示例中，所述步骤4中搅拌头的旋转速度为5～8000rpm；和/或，所述步骤4中设置有螺纹的搅拌头的旋转方向与螺纹螺旋方向相反。

在一个示例中，所述步骤4中搅拌头停留的设定时间为2～15s。

在一个示例中，所述步骤5中搅拌头和超声变幅杆的平移运动速度为5～6000mm/min。

在一个示例中，超声发生器的超声功率为2000～8000W。

在一个示例中，搅拌头为无针搅拌头、圆柱针搅拌头、锥形带螺纹搅拌头或三铣平面带螺纹搅拌头。

在一个示例中，所述步骤4中无针搅拌头的轴肩扎入工件内的深度为0.5～8mm。

在一个示例中，所述步骤4中具有搅拌针的搅拌头的轴肩扎入工件内的深度为0～2mm；或者，所述步骤4中具有搅拌针的搅拌头的轴肩与工件的表面间隔开0～2mm。

通过本发明提出的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法能够带来如下有益效果：

1、通过在隧道成形的焊接路径上预制凹槽，使得焊缝底部材料有足够的空间可以向上流动，隧道成形过程中通过搅拌头的搅拌作用，将焊缝内部材料搅拌挤压至焊缝外部，便于在焊缝内部形成贯通的隧道，可以在产品工件表面直接加工出隧道，不需要额外附加零部件，解决产品结构比较复杂时使用附加水冷板降温难度较大的问题；通过采用超声辅助工艺，利用超声波的强振动以及热效应，不仅可以使焊缝内部受到额外的热作用，而且振动对于材料流动具有促进作用，在超声强振动作用下增加材料的塑性和流动性，超声发生器产生的强振动效果和搅拌头的搅拌作用的共同作用下能够将焊缝内部的材料挤压出焊缝，便于材料顺利流出焊缝，促进材料溢出焊缝表面，在焊核内部形成隧道，加工效率高，稳定性好，解决搅拌摩擦隧道成形材料溢出困难的问题；同时超声具有细化晶粒的作用，可以细化焊核区域的晶粒尺寸，提升焊缝材料的剪切拉伸强度以及塑性性能，提高接头强度，避免隧道降低接头的有效承载面积和降低加工后产品的强度，可以降低产品厚度，进而减轻产品重量以实现产品轻量化，解决工件内部加工隧道导致承力能力降低的问题；超声振动还有利于提高焊缝内部材料的均匀性，有利于提高接头的密封性能，成形后隧道具有良好的密封性能，充分满足使用条件，可以制备出尺寸均匀的隧道，工艺简单重复性好，适合批量生产，省时省力，提升生产效率，降低加工成本，实用性强，适合推广应用。

2、超声变幅杆和超声发生器同轴设置于搅拌头内部，可以节省驱动装置，结构紧凑，能够有效保证超声变幅杆与搅拌头同轴同步运动，加工精度更高，保证隧道加工质量；超声变幅杆和超声发生器与搅拌头同轴地顶靠设置于工件下方，超声变幅杆在工件下方进行顶锻，配合使用常规搅拌摩擦焊设备的搅拌头即可实现隧道成形，无需使用特制的搅拌头，结构简单，节省成本。

3、超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法可以使用多种类型型号的搅拌头，适用范围更广，减少设备更换投入，降低使用成本，充分满足实际使用需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法的沿隧道预制凹槽的示意图；

图2为本发明的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法的隧道成形的示意图；

图3为本发明的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法的超声变幅杆作用位置的示意图。

100-工件；101-隧道；102-凹槽；200-搅拌头；201-轴肩；202-搅拌针；300-超声变幅杆。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本发明的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。

如图1～图3所示，本发明的实施例提出了一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，包括以下步骤：

步骤1、在待加工隧道的工件100的表面沿着隧道101延伸路径加工凹槽102。

在一个具体实施例中，在加工凹槽102之前，还包括对待加工隧道的工件100的沿隧道101延伸路径上的表面进行机械或化学处理，以除去工件100表面的氧化膜的步骤。其中，根据散热使用要求，工件100选择铝合金、镁合金或者铜合金等具有较大散热系数的材料制成。

在一个具体实施例中，凹槽102采用机械加工成形。

具体地，凹槽102的宽度小于搅拌摩擦焊设备的搅拌头200的轴肩201直径的90％。轴肩201的直径大于凹槽102的宽度，保证轴肩201能够完全压紧封闭工件100的凹槽102，避免塑性材料从轴肩201边缘挤出和出现沟槽缺陷，保证隧道101的加工质量，实用性强。

具体地，当搅拌头200具有搅拌针202时，凹槽102的深度小于搅拌头200的搅拌针202长度的90％。搅拌针202的长度大于凹槽102的深度，保证搅拌针202能够接触并搅拌凹槽102底部的材料，搅拌针202尖端的材料在的搅拌摩擦作用下，更加容易向上流动，在焊缝中心形成隧道，实用性强。

在一个具体实施例中，凹槽102的宽度为0.1～30mm，凹槽102的深度为0.3～15mm。为了加工方便，通常将凹槽102加工于工件100的上表面。

步骤2、将工件100装夹固定放置于工作台上，并使凹槽102的槽口朝上。

具体地，采用夹具对工件100进行装夹，装夹更稳固，保证加工过程稳定。当工件100具有复杂表面时，采用特殊设计的与工件100外部轮廓相适配的夹具进行装夹。

步骤3、将搅拌摩擦焊设备的搅拌头200定位至工件100的凹槽102一端的槽口正上方，且搅拌头200的轴线与工件100表面的法线之间具有0～4°的夹角，超声变幅杆300和超声发生器与搅拌头200同轴设置。

其中，在一个实施例中，超声变幅杆300和超声发生器同轴设置于搅拌头200内部。可以节省驱动装置，结构紧凑，能够有效保证超声变幅杆200与搅拌头200同轴同步运动，加工精度更高，保证隧道101加工质量，实用性强。

在另一个实施例中，超声变幅杆300和超声发生器与搅拌头200同轴地顶靠设置于工件100下方。超声变幅杆300在工件100下方进行顶锻，配合使用常规搅拌摩擦焊设备的搅拌头200即可实现隧道成形，无需使用特制的搅拌头200，结构简单，节省成本，实用性强。

步骤4、启动搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头200转动，并使搅拌头200沿竖直方向向下并穿过凹槽102扎入工件100中，再启动超声发生器，并使搅拌头200停留预设时间。

其中，搅拌头200可以为无针搅拌头、圆柱针搅拌头、锥形带螺纹搅拌头或三铣平面带螺纹搅拌头。超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法可以使用多种类型型号的搅拌头200，适用范围更广，减少设备更换投入，降低使用成本，充分满足实际使用需求，实用性强。

在一个实施例中，无针搅拌头的轴肩201扎入工件100内的深度为0.5～8mm。加工过程中保证轴肩201与工件100表面接触并存在压力，能够保证焊接过程中无塑性材料从轴肩201与工件100之间的界面挤出。有利于搅拌头200将焊缝内部材料挤出焊缝，

在另一个实施例中，具有搅拌针202的搅拌头200的轴肩201扎入工件100内的深度为0～2mm。轴肩201可以压入工件100表面，使凹槽102内部材料在超声变幅杆300及搅拌头200的共同作用下以飞边的形式溢出焊缝。

在又一个实施例中，具有搅拌针202的搅拌头200的轴肩201与工件100的表面间隔开，轴肩201与工件100上表面之间的距离为0～2mm。使得轴肩201与工件100表面保持一定的距离，超声变幅杆300与搅拌头200的共同作用将凹槽102内部的材料沉积于工件100表面。

具体地，焊接参数对隧道成形质量有较大的影响，设置搅拌头200的旋转速度为5～8000rpm。当搅拌头200下扎上述设定深度后，搅拌头200停留的预设时间为2～15s，使得工件100的材料充分软化，能够促进塑性材料的流动，减小搅拌阻力，避免出现乱流，隧道101内部表面成形质量更好，实用性强。

具体地，设置有螺纹的搅拌头200的旋转方向与螺纹螺旋方向相反。例如，搅拌头200的螺纹为右螺旋时，搅拌摩擦过程中搅拌头200采用逆时针旋转方向；搅拌头200的螺纹为左螺旋时，搅拌摩擦过程中搅拌头200采用顺时针旋转方向。通过设置螺纹和搅拌头200反向旋转，使得焊缝底部材料有足够的空间可以向上流动，搅拌针202尖端材料在搅拌头200的搅拌摩擦作用下，更加容易向上流动，容易在焊缝中心内部形成隧道101，隧道101内部表面成形质量更好，同时工艺简单，省时省力，提升生产效率，降低加工成本，实用性强。

步骤5、驱动搅拌头200和超声变幅杆300沿凹槽102的延伸路径同步平移运动，超声发生器产生超声振动能够促进工件100的材料软化，搅拌头200转动使凹槽102内部的材料向上流动溢出凹槽102并沉积于工件100表面，从而在工件100内形成隧道101，搅拌头200和超声变幅杆300平移运动至凹槽102的另一端时，隧道101成形完成。

具体地，搅拌头200和超声变幅杆300的平移运动速度为5～6000mm/min。超声变幅杆300的移动速度及路线与搅拌头200的速度及路线相同。

具体地，超声发生器的超声功率为2000～8000W。较高的超声有利于促进材料流动，并使隧道材料顺利溢出焊缝表面，超声对材料流动的作用效果较好。超声辅助加热的作用，在焊接中增加超声会改变焊接温度场，可以通过调节超声功率控制隧道在焊缝内部的成形尺寸及深度。

步骤6、使搅拌头200上升远离工件100，停止搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头200转动，并关闭超声发生器。

最后，卸载夹具，取出工件100，即可得到加工有隧道101的工件100。

本发明的超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，通过在隧道成形的焊接路径上预制凹槽102，使得焊缝底部材料有足够的空间可以向上流动，隧道成形过程中通过搅拌头200的搅拌作用，将焊缝内部材料搅拌挤压至焊缝外部，便于在焊缝内部形成贯通的隧道101，可以在产品工件100表面直接加工出隧道101，不需要额外附加零部件，解决产品结构比较复杂时使用附加水冷板降温难度较大的问题；通过采用超声辅助工艺，利用超声波的强振动以及热效应，不仅可以使焊缝内部受到额外的热作用，而且振动对于材料流动具有促进作用，在超声强振动作用下增加材料的塑性和流动性，超声发生器产生的强振动效果和搅拌头200的搅拌作用的共同作用下能够将焊缝内部的材料挤压出焊缝，便于材料顺利流出焊缝，促进材料溢出焊缝表面，在焊核内部形成隧道101，加工效率高，稳定性好，解决搅拌摩擦隧道成形材料溢出困难的问题；同时超声具有细化晶粒的作用，可以细化焊核区域的晶粒尺寸，提升焊缝材料的剪切拉伸强度以及塑性性能，提高接头强度，避免隧道101降低接头的有效承载面积和降低加工后产品的强度，可以降低产品厚度，进而减轻产品重量以实现产品轻量化，解决工件100内部加工隧道101导致承力能力降低的问题；超声振动还有利于提高焊缝内部材料的均匀性，有利于提高接头的密封性能，成形后隧道101具有良好的密封性能，充分满足使用条件，可以制备出尺寸均匀的隧道101，工艺简单重复性好，适合批量生产，省时省力，提升生产效率，降低加工成本，实用性强，适合推广应用。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明。对于本领域技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在待加工隧道的工件的表面沿着隧道延伸路径加工凹槽；

步骤2、将工件装夹固定放置于工作台上，并使凹槽的槽口朝上；

步骤3、将搅拌摩擦焊设备的搅拌头定位至工件的凹槽一端的槽口正上方，且搅拌头的轴线与工件表面的法线之间具有0～4°的夹角，超声变幅杆和超声发生器与搅拌头同轴设置；

步骤4、启动搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头转动，并使搅拌头沿竖直方向向下通过凹槽扎入工件中，再启动超声发生器，并使搅拌头停留预设时间；

步骤5、驱动搅拌头和超声变幅杆沿凹槽的延伸路径同步平移运动，超声发生器产生超声振动能够促进工件的材料软化，搅拌头转动使凹槽内部的材料向上流动溢出凹槽并沉积于工件表面，从而在工件内形成隧道，搅拌头和超声变幅杆平移运动至凹槽的另一端时，隧道成形完成；

步骤6、使搅拌头上升远离工件，停止搅拌摩擦焊设备的主轴驱动搅拌头转动，并关闭超声发生器。

2.根据权利要求1所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，凹槽的宽度小于搅拌头的轴肩直径的90％；和/或，凹槽的深度小于搅拌头的搅拌针长度的90％。

3.根据权利要求1所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，超声变幅杆和超声发生器同轴设置于搅拌头内部；或者，超声变幅杆和超声发生器与搅拌头同轴地顶靠设置于工件下方。

4.根据权利要求1所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，所述步骤4中搅拌头的旋转速度为5～8000rpm；和/或，所述步骤4中设置有螺纹的搅拌头的旋转方向与螺纹螺旋方向相反。

5.根据权利要求1所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，所述步骤4中搅拌头停留的设定时间为2～15s。

6.根据权利要求1所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，所述步骤5中搅拌头和超声变幅杆的平移运动速度为5～6000mm/min。

7.根据权利要求1所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，超声发生器的超声功率为2000～8000W。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，搅拌头为无针搅拌头、圆柱针搅拌头、锥形带螺纹搅拌头或三铣平面带螺纹搅拌头。

9.根据权利要求8所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，所述步骤4中无针搅拌头的轴肩扎入工件内的深度为0.5～8mm。

10.根据权利要求8所述的一种超声辅助搅拌摩擦隧道成形方法，其特征在于，所述步骤4中具有搅拌针的搅拌头的轴肩扎入工件内的深度为0～2mm；或者，所述步骤4中具有搅拌针的搅拌头的轴肩与工件的表面间隔开，轴肩与工件上表面之间的距离为0～2mm。

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