CN113102874A - 一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，属于搅拌摩擦焊接领域。包括搅拌头及用于装夹待焊材料的固定底板；所述固定底板内设有与其上表面贯通的下循环控温腔，所述下循环控温腔顶部用于放置待焊材料，以对所述待焊材料的下表面进行温度调节；所述固定底板上方设有上循环控温腔，以对所述待焊材料的上表面进行温度调节；所述上循环控温腔及下循环控温腔内用于存储流体控温媒介。本发明公开的上述焊接装置焊接时，通过分区循环控温调节，可使流体控温媒介与待焊材料上、下表面直接接触，进而实现热量的及时、高效传输，极大程度上减缓搅拌摩擦焊对于焊缝处温度过高造成的焊缝强度损失的问题，同时还可以实现待焊材料上、下表面的单独控温。

Description

一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，具体涉及双循环控温搅拌摩擦焊接装置及焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接是一种固态塑化连接技术，主要利用带轴肩的搅拌头的高速旋转进行焊接。焊接过程中，在搅拌头和热传导的双重作用下，搅拌区域的晶粒组织得到细化，从而提高搅拌区域的力学性能。但焊接过程中，由于摩擦产生大量的热量，热量传导到非焊接区域，形成热影响区，造成晶粒组织粗化长大，产生热软化效应，降低焊接接头力学性能。

特别的，对于异种金属焊接，譬如AL、Mg的焊接来说，在两者的搅拌摩擦焊过程中，Al和Mg在较高的焊接温度作用下会发生反应生成脆性金属间化合物，且随着焊接温度升高，金属间化合物层的厚度越大，对于Al/Mg搅拌摩擦焊接头力学性能的不利影响越大。

针对上述问题，现有技术采用水下搅拌摩擦焊接技术，通过水带走焊接过程中产生的部分热量实现温度控制，可有效保证焊接处的强度，并且工件变形小，还能够在一定程度上解决搅拌头粘连的现象。但是，现有的水下搅拌摩擦焊接技术，待焊工件均为固定在底板上实现水下焊接，待焊工件的上表面能够得到较充分的冷却，温度降低幅度较大；而对于待焊工件下表面来说，水的流动性很小或几乎不流动，下表面的温度降低幅度小，降低焊接热导致的热损耗的作用较弱，对于接头的强度改善效果仍然有限。尤其对于铝/镁异种搅拌摩擦焊，进一步降低焊缝根部的温度，能够进一步提高整个接头的强度。

再者，现有技术还有通过上、下冷却板对待焊工件进行冷却，此种方式在待焊工件于冷却板之间存在间隙，此间隙对于热量传输来说会有很大的阻碍，传热效率低，对于待焊材料表面的散热效果明显弱于液体媒介。

针对上述问题，发明人提出本发明。

发明内容

针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于，提供一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置及通过此种焊接装置进行焊接的方法，实现对待焊材料焊接过程中上下表面温度的分区循环控制，提高焊缝整体的结构强度。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一方面，本发明提供一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头及用于装夹待焊材料的固定底板；其中所述固定底板内设有与其上表面贯通的下循环控温腔，所述下循环控温腔顶部用于放置待焊材料，以对所述待焊材料的下表面进行温度调节；所述固定底板上方设有上循环控温腔，以对所述待焊材料的上表面进行温度调节；所述上循环控温腔及下循环控温腔内用于存储流体控温媒介。

进一步地，所述下循环控温腔内设有用于支撑待焊材料焊缝的支撑体，所述支撑体内设有贯通腔体的一组媒介通道。

进一步地，所述媒介通道的横截面呈为三角形或四边形或圆形或其他形状。

进一步地，所述固定底板上设有一组流体控温媒介进出口，用于实现下循环控温腔内流体控温媒介的循环。

进一步地，所述固定底板顶部周围设有挡板，以形成所述上循环控温腔，所述上循环控温腔上方成开放状态，且焊接过程中所述流体控温媒介包络所述待焊材料。

进一步地，所述挡板上设有一组流体控温媒介进出口，用于实现上循环控温腔内流体控温媒介的循环。

进一步地，所述固定底板上设有一组用于固定焊接材料的压块。

进一步地，所述固定底板上表面设有用于放置待焊材料的凹槽，并实现对上循环控温腔及下循环控温腔的隔绝密封。

进一步地，所述上循环控温腔及下循环控温腔内的流体控温媒介为同种媒介或异种媒介。

进一步地，所述流体控温媒介的种类包括：冷却媒介及加热媒介。

进一步地，所述冷却媒介为水。

第二方面，本发明提供一种双循环控温搅拌摩擦焊接方法，通过如第一方面所述的双循环控温搅拌摩擦焊接装置实现焊接，具体包括以下步骤：

步骤一：采用双循环控温搅拌摩擦焊接装置，将待焊材料装夹于固定底板上；

步骤二：开启上、下循环控温腔内的流体控温媒介进口，当流体控温媒介达到预设高度时，开启流体控温媒介出口，保持流体控温媒介稳定在预设高度；

步骤三：通过搅拌头对待焊材料进行搅拌摩擦焊接；

步骤四：焊接完成后，退出搅拌头，关闭流体控温媒介进口，待流体控温媒介完全流出后，打开夹具取出材料。

进一步地，步骤二中上、下循环控温腔内的流体控温媒介可预设温度，且上、下循环控温腔内的流体控温媒介的预设温度可相同，也可不同。

进一步地，步骤二中，下循环控温腔内的流体控温媒介预设高度为充满整个腔体，且与待焊材料下表面相抵触；上循环控温腔内的流体控温媒介预设高度为高出待焊材料上表面1-10cm。

对此，本发明的有益之处在于：

1、通过流体控温媒介均可与待焊工件上下表面直接接触的结构设计，能够有效的实现焊接过程中对焊接位置的温度调节，保证焊缝整体的结构强度。

2、上、下循环控温腔通过待焊材料实现分区控制，内部流体控温媒介可根据需求设定温度，并且上、下媒介可以为同种媒介也可以为异种媒介，提高了设备整体的适用性。

3、通过分区循环控温调节，可使流体控温媒介与待焊材料上、下表面直接接触，进而实现热量的及时、高效传输，极大程度上消除了搅拌摩擦焊对于焊缝处温度过高造成的焊缝强度损失的问题，提高了搅拌摩擦焊焊接质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置。

图2为一种双循环控温搅拌摩擦焊接方法原理图。

图3为一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置的俯视图。

图中，1-挡板，2-上循环控温腔，3-流体控温媒介进口，4-压板，5-支撑体，6-流体控温媒介进口，7-媒介通道，8-流体控温媒介出口，9-流体控温媒介出口，10-下循环控温腔，11-上流体控温媒介，12-下流体控温媒介，13-待焊材料Ⅰ，14-待焊材料Ⅱ，15-搅拌头，16-固定底板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

如图1-3所示，本实施例提供一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头15及用于装夹待焊材料的固定底板16；可以理解的是，本实施例中的搅拌头15还应含有驱动所述搅拌头15进行焊接的设备，可以列举：龙门式焊机、CNC机床驱动设备等。另外，本发明对搅拌头15不做详细描述，但应当理解的是，本发明所述的搅拌头15应当为可以实现搅拌摩擦焊接需求的搅拌头15。本实施例中的待焊材料(待焊材料Ⅰ13和待焊材料Ⅱ14)应当理解为两块材料，亦或两个待焊工件，更为具体的可以理解为两块焊接板材，两块焊接板材可以为同种材质的轻金属材料，例如：Al、Mg、铝镁合金等；也可以为两块异种金属材料，例如：铝合金与镁合金焊接等。

其中，本实施例的特殊之处在于，固定底板16内设有与其上表面贯通的下循环控温腔10，下循环控温腔10顶部用于放置待焊材料，以对所述待焊材料的下表面进行温度调节；固定底板16上方设有上循环控温腔2，以对所述待焊材料的上表面进行温度调节；上循环控温腔2及下循环控温腔10内用于存储流体控温媒介(上流体控温媒介11和下流体控温媒介12)。

本实施例为了更好的实现焊接过程中温度的控制，相比于现有的水下搅拌摩擦焊焊接设备来说，增加了下循环控温腔10，可以将流体控温媒介(下流体控温媒介12)直接与待焊材料下表面直接接触，能够保证热量的直接传输，无需通过中间媒介，减少了热量传输过程中的阻碍。同时上、下循环控温腔10均可实现内部流体控温媒介的循环流动。相比现有水下搅拌摩擦焊焊接铝、镁异种金属而言，能够有效的控制焊缝位置的整体结构强度，保证焊缝上下部位强度的一致性，提高焊接质量。

对于上述流体控温媒介：上流体控温媒介11和下流体控温媒介12，其种类应当至少包括：冷却媒介及加热媒介。其中冷却媒介应当理解为对待焊材料起到降温效果的流体媒介，例如低于待焊工件温度的水、冰水、变压器油、液氮、液态CO₂等；加热媒介应当理解为对待焊材料起到加热效果的流体媒介，例如高于待焊工件温度的水、热水等；本实施例中优选为水。

对于上循环控温腔2及下循环控温腔10内的流体控温媒介，可以为同种媒介或异种媒介。例如，上循环控温腔2内为设定温度的冷水其冷却作用，下循环控温腔10内为设定温度的热水起加热作用。当然上、下循环控温腔10内均可为热水或冷水。

对于流体控温媒介(上流体控温媒介11和下流体控温媒介12)还应当理解的是，其温度是可以预先设定调节的，可根据代加工焊接材料的不同，设定不同的温度，提高适用范围，优选为可在流体控温媒介进口处安装电子调温组件(图中未示出)，电子调温组件可根据预先设定的温度对流体控温媒介进行温度预调剂节，使得通过电子调温组件之后流入上下循环控温腔10的流体控温媒介达到预设的温度值；此电子控温组件可参考现有技术中小厨宝及热水器内的控温组件，并进行相应的参数调整，本发明对此不在详细阐述。

对于上述下循环控温腔10，作为本实施例的一种优选实施方式，所述下循环控温腔10内凹设于固定底板16中间位置，并且其内设有用于支撑待焊材料焊缝的支撑体5，支撑体5可以设置为沿焊缝方向设置的一道肋板，且肋板的顶端与焊缝相抵触(即待焊材料固定装夹后，连接部位刚好位于支撑体5上方，以便在焊接过程中支撑体5能够起到对焊缝的刚性支撑作用)，所述肋板将下循环控温腔10分割为两个小腔室，为了实现两个小腔室之间流体控温媒介的相互流通，所述支撑体5肋板内设有贯通两个小腔室的一组媒介通道7，媒介通道7应至少设置为两个，优选为4个或6个；并且在固定底板16的底部设有一组流体控温媒介进出口(如图3中的流体控温媒介进口6和流体控温媒介出口9)，用于实现下循环控温腔10内流体控温媒介的循环，优选的，进出口分别位于两个小腔室中，进而保证两个小腔室内的流体控温媒介能够充分的循环流通。

作为一种优选实施方式，上述支撑体5与固定底板16一体成型，并且支撑体5内媒介通道7的横截面呈为三角形或四边形或圆形；优选为四边形。

对于上述上循环控温腔2，作为本实施例的一种优选实施方式，如图1所示，其通过在固定底板16顶部周围设置挡板1形成，其中，挡板1可以与固定底板16可拆卸连接，也可以一体成型，因此，可以理解的是，在焊接过程中，上循环控温腔2内的流体控温媒介应当是包络所述待焊材料的，也可以说待焊材料浸没在上循环控温腔2内的流体控温媒介中。作为一种优选，焊接过程中，上循环控温腔2内的流体控温媒介高出待焊材料上表面1-10cm；更为优选为高出待焊材料上表面3cm。

作为上述一种优选实施方式，如图3所示，在挡板1上设有一组流体控温媒介进出口(流体控温媒介进口3和流体控温媒介出口8)，用于实现上循环控温腔2内流体控温媒介的循环，更为优选为流体控温媒介进出口设于挡板1相对应的两边上，进而保证循环控温腔内的流体控温媒介能够充分的循环流通。

作为一种优选实施方式，如图1，图3所示，固定底板16上设有一组用于固定焊接材料的压块4，压块4数量为2个或4个或6个，且对边等量分布。优选为4个压块4，两两分布于焊缝的左右两边，且与固定底板16可拆卸活动安装。

作为上述压块4，如图1和3所示，图中示出了4个压块4且两两分布于焊缝的左右两边的情况，其中压块4包括压块4本体及压头，压头设于压块4本体的一端，且朝向待焊材料设置，压块4本体上设有装夹调节孔，装夹调节孔为长孔，贯通设于压块4本体内，且朝压头方向分布；装夹调节孔内设有调节螺母，对应的固定底板16上设有与调节螺母相匹配的螺纹孔，装夹待焊材料时，通过调节调节螺母在装夹调节孔内的位置，使得压头处于压紧待焊材料的合适位置，然后拧紧调节螺母实现对待焊材料的装夹。

优选地，调节螺母的锁紧过程应当至少分为两个步骤：预锁紧和完全锁紧过程；以图3为例，其中，预锁紧过程为先调节4个压块4到合适的压紧位置，然后预紧调节螺母，实现对待焊材料的预锁紧，待四个压块4完全预紧后，查看待焊材料是否有变形、移位；若没有即可进行完全锁紧；若发现待焊材料发生了变形移位，应当先调整待焊材料的位置，再进行完全锁紧。

更为优选地，如图1所示，在固定底板16上表面设有用于放置待焊材料的凹槽(未标出)，并实现对上循环控温腔2及下循环控温腔10的隔绝密封，特别的，凹槽的各条边均应位于下循环控温腔10边沿的外围，即下循环控温腔10位于凹槽的内部，作为一种优选实施方式，可在凹槽与下循环控温腔10边沿的台阶处设置环形槽(图中未示出)，环型槽内设置密封圈(图中未示出)，以便实现良好的密封。

需要说明的是，本实施例上述的上循环控温腔2与下循环控温腔10之间实现密封只是一种特殊情况下的优选实施方式，由于待焊材料的拼接处(即焊缝处)本身就存在间隙，因此要实现完全密封，在本实施例中是很难实现的，但在特殊的精密焊接材料焊接时，由于待焊材料的加工精度本身比较高，因此拼接处的缝隙可以忽略不计，因此上述描述的密封应当理解为近似完全密封的效果。

当然，在大多数情况下，本实施例中上循环控温腔2与下循环控温腔10之间可以不用密封，譬如常规的水下搅拌摩擦焊接，即上循环控温腔2与下循环控温腔10内的流体控温媒介均为水，上下腔体之间的水交换不会对焊接本身产生较大的影响，因此可以不用密封；进一步的即便上下腔体内的水温度不同，但在焊接过程中，由于上下腔体之间的水为循环流动的，因此在不密封的情况下，短暂的热量交换不会对焊接本身造成影响，本实施例可以忽略不计。

本发明通过上、下循环控温腔分开设置，并且通过分区循环控温调节，可使流体控温媒介与待焊材料上、下表面直接接触，进行热量传递，进而实现热量的及时、高效传输，极大程度上消除了搅拌摩擦焊对于焊缝处温度过高造成的焊缝强度损失的问题，提高了搅拌摩擦焊焊接质量。

另外，上下表面分区温度控制，使得搅拌摩擦焊在针对不同材料的工件焊接时，均能表现出较高的焊接质量，提高了设备的通用性及适用范围。

实施例2

本实施例提供一种双循环控温搅拌摩擦焊接方法，其采用如实施例1所述的双循环控温搅拌摩擦焊接装置实现焊接，具体包括以下步骤：

步骤一：采用双循环控温搅拌摩擦焊接装置，将待焊材料装夹于固定底板16上；

步骤二：开启上、下循环控温腔10内的流体控温媒介进口，当流体控温媒介达到预设高度时，开启流体控温媒介出口，保持流体控温媒介稳定在预设高度；

步骤三：通过搅拌头15对待焊材料进行搅拌摩擦焊接；

步骤四：焊接完成后，退出搅拌头15，关闭流体控温媒介进口，待流体控温媒介完全流出后，打开夹具取出材料。

优选地，在上述步骤二中，上、下循环控温腔10内的流体控温媒介可事先预设温度，且上、下循环控温腔10内的流体控温媒介的预设温度可相同，也可不同。

作为本实施例的一种优选实施方式，在上述步骤二中，下循环控温腔10内的流体控温媒介预设高度为充满整个腔体，且与待焊材料下表面相抵触；下循环控温腔10内的流体控温媒介预设高度为充满整个腔体高出待焊材料上表面1-10cm，更为优选为高出待焊材料上表面3cm。

值得注意的是，步骤二中，流体控温媒介出口的流量优选的要小于等于流体控温媒介进口的流量，优选为流体控温媒介出口的流量优选的要等于流体控温媒介进口的流量，以保证待焊材料下表面在焊接过程中能够持续与下循环控温腔10内的流体控温媒介进行热量交换。

另外，本实施例步骤四之后，还应当包括对焊接件的清洁、烘干、去毛刺等工艺步骤，对此本发明不在详细阐述。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，包括搅拌头及用于装夹待焊材料的固定底板；其特征在于：

所述固定底板内设有与其上表面贯通的下循环控温腔，所述下循环控温腔顶部用于放置待焊材料，以对所述待焊材料的下表面进行温度调节；

所述固定底板上方设有上循环控温腔，以对所述待焊材料的上表面进行温度调节；

所述上循环控温腔及下循环控温腔内用于存储流体控温媒介。

2.根据权利要求1所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述下循环控温腔内设有用于支撑待焊材料焊缝的支撑体，所述支撑体内设有贯通腔体的一组媒介通道。

3.根据权利要求2所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述媒介通道的横截面呈为三角形或四边形或圆形。

4.根据权利要求2所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述固定底板上设有一组流体控温媒介进出口，用于实现下循环控温腔内流体控温媒介的循环。

5.根据权利要求1所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述固定底板顶部周围设有挡板，以形成所述上循环控温腔，所述上循环控温腔上方成开放状态，且焊接过程中所述流体控温媒介包络所述待焊材料。

6.根据权利要求5所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述挡板上设有一组流体控温媒介进出口，用于实现上循环控温腔内流体控温媒介的循环。

7.根据权利要求1所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述固定底板上设有一组用于固定焊接材料的压块。

8.根据权利要求1所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述固定底板上表面设有用于放置待焊材料的凹槽，并实现对上循环控温腔及下循环控温腔的隔绝密封。

9.根据权利要求1所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上循环控温腔及下循环控温腔内的流体控温媒介为同种媒介或异种媒介。

10.根据权利要求9所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述流体控温媒介的种类包括：冷却媒介及加热媒介。

11.根据权利要求10所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述冷却媒介为水。

12.一种双循环控温搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，通过如权利要求1-11任意一项所述的双循环控温搅拌摩擦焊接装置实现焊接，具体包括以下步骤：

步骤一：采用双循环控温搅拌摩擦焊接装置，将待焊材料装夹于固定底板上；

步骤二：开启上、下循环控温腔内的流体控温媒介进口，当流体控温媒介达到预设高度时，开启流体控温媒介出口，保持流体控温媒介稳定在预设高度；

步骤三：通过搅拌头对待焊材料进行搅拌摩擦焊接；

步骤四：焊接完成后，退出搅拌头，关闭流体控温媒介进口，待流体控温媒介完全流出后，打开夹具取出材料。

13.根据权利要求12所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，步骤二中上、下循环控温腔内的流体控温媒介可预设温度，且上、下循环控温腔内的流体控温媒介的预设温度可相同，也可不同。

14.根据权利要求12所述的一种双循环控温搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，步骤二中，下循环控温腔内的流体控温媒介预设高度为充满整个腔体，且与待焊材料下表面相抵触；上循环控温腔内的流体控温媒介预设高度为高出待焊材料上表面1-10cm。

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