CN113967783B - 一种同轴喷雾冷却耦合辅助fsw的装置及使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置及使用方法，包括搅拌摩擦焊设备、雾化喷嘴、环绕盘管、测温仪、冷却液进管和试板，环绕盘管围绕在焊机主轴的外侧，与搅拌摩擦焊设备外壳相连，使环绕盘管与搅拌轴同步移动，在环绕盘管下侧的后半部均匀设置多个雾化喷嘴，并与环绕盘管相垂直。本发明通过雾化喷嘴喷射冷却液，将焊接过程产生的热量迅速带走，有效降低焊接接头的峰值温度，提高焊后冷却速率，晶粒没有充足的能量长大，抑制了晶粒的生长，在接头内得到细小均匀的晶粒，减少或消除焊接接头的残余应力和变形，提高接头的力学性能。

Description

一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置及使用方法
技术领域
本发明涉及一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置及使用方法，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，具有焊接变形小、焊接质量高、绿色环保等优点，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，但由于热输入过高导致焊接接头冷却速率降低，产生较宽的热影响区，严重恶化焊接接头的力学性能，影响了焊接接头的可靠性。
目前，有研究者通过外加冷却条件辅助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接接头成形、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冷却(专利申请号：20089208844.1、20089072037.4)和固态热沉式辅助冷却(专利申请号：201310555279.5、202010211313.7)。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,相关装置比较复杂、不易操作。固态热沉冷却则是对焊接接头进行冷却，可以实现冷却介质与焊接接头不直接接触条件下的干式冷却。但由于焊接接头存在飞边和凸起，导致固态热沉底面不能与焊接接头以及试板紧密贴合，从而降低了冷却效果。
发明内容
本发明目的是为了克服现有技术中存在的不足，提供一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置及使用方法，实现对搅拌摩擦焊焊件的精准降温和质量控制，解决“湿法”冷却导致的焊接接头增氢、材料腐蚀等问题，同时解决了“干法”冷却不能与焊接接头紧密贴合，冷却效果相对较低等问题。使用雾化喷嘴喷射冷却液，将焊接过程产生的热量迅速带走，有效降低焊接接头的峰值温度，提高焊后冷却速率，晶粒没有充足的能量长大，抑制了晶粒的生长，在接头内得到细小均匀的晶粒，减少或消除焊接接头的残余应力和变形，提高接头的力学性能。
本发明采用的技术方案：一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置，包括雾化喷嘴、环绕盘管、冷却液进管、搅拌摩擦焊设备、试板和红外测温仪；
所述环绕盘管围绕在搅拌摩擦焊设备的主轴的外侧，并与搅拌摩擦焊设备的外壳相连，使环绕盘管与所述主轴同步移动，所述主轴上设有搅拌工具，所述环绕盘管为高度可调节的环绕盘管；
所述雾化喷嘴与环绕盘管相连，在环绕盘管下侧的后半部均匀设置多个雾化喷嘴，并与环绕盘管相垂直；
所述试板焊接接头两侧设有测量试板两侧的温度曲线的K型热电偶，所述环绕盘管后侧设有实时测量焊接接头温度的红外测温仪，通过监测的实时温度调整喷雾的喷射流量，从而实现对焊接接头的精准控温；
所述冷却液进管与环绕盘管相连，冷却液进管设置在环绕盘管上侧，用来引入冷却液。
作为优选，所述冷却液主要包括水、液氮等，根据所需要冷却的峰值温度和焊后降温速率选择合适的冷却液。
作为优选，所述冷却液进管包裹保温材料，防止冷却液在管道内气化。
上述一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置的使用方法，包括以下步骤：
1)将环绕盘管与搅拌摩擦焊设备的外壳相连，并与主轴同轴配合，将冷却液进管连接到环绕盘管后侧的安装孔内，将雾化喷嘴连接到环绕盘管下端的安装孔内；
所述环绕盘管的高度根据需要冷却的宽度进行调整，使喷雾能覆盖焊接接头及其两侧的热机械影响区和热影响区；所述雾化喷嘴的个数根据实验所需要的冷却要求进行调整；
2)焊接开始时，使整个喷雾装置与主轴及搅拌工具同步移动，同时输入冷却液，通过雾化喷嘴将冷却液喷射到待冷却板表面，进行强制散热降温，并根据焊接温度的高低和焊后降温速率，调整冷却液的喷射流量，实现对焊接接头温度的精准控制，从而减少焊接接头过热，细化焊接接头晶粒，提高组织均匀性，减少或消除焊接接头的残余应力和变形。
有益效果：本发明的一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置设计及使用方法，与现有技术相比，具有以下优点：
(1)喷雾冷却装置跟随搅拌工具同步移动，对焊接接头及时冷却，可有效降低焊接接头温度，改善焊接接头组织，提高焊接接头力学性能；
(2)采用同轴喷雾冷却装置，将冷却液先进行雾化，使冷却液到达试板时可以快速气化，进而带走试板的热量，比固态热沉冷却效果更明显；
(3)采用实时测温的方法，及时调整喷雾的喷射流量，避免焊接接头形成冷裂纹的问题；
(4)同轴喷雾冷却耦合辅助FSW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为本发明同轴喷雾冷却耦合辅助FSW装置结构示意图；
图2为本发明环绕盘管示意图；
图3为以水为冷却介质时不同喷射流速下焊接接头处的温度曲线；
图4为以液氮为冷却介质时不同喷射流速下焊接接头处的温度曲线；
图5为常规FSW监测点的温度曲线图；
图6为液氮冷却辅助FSW监测点的温度曲线图。
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2所示，一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置，包括搅拌摩擦焊设备的主轴1和外壳3、雾化喷嘴2、环绕盘管4、红外测温仪5、冷却液进管6。所述环绕盘管4包括与搅拌摩擦焊设备的外壳3连接的螺纹安装孔4-1、与雾化喷嘴2连接的螺纹安装孔4-2、与红外测温仪5连接安装孔4-3和与冷却液进管6连接的安装孔4-4。
本实施例中，雾化喷嘴2、环绕盘管4、冷却液进管6均由不锈钢制成，环绕盘管4围绕在主轴1的外侧，与搅拌摩擦焊设备的外壳3相连，使环绕盘管与主轴1同步移动，对已形成的焊接接头进行随焊跟踪冷却，且能覆盖焊接接头及其两侧一定范围，环绕盘管4的高度可根据需要冷却的宽度进行调整，是喷雾能覆盖焊接接头及其两侧的热机械影响区和热影响区，雾化喷嘴2设置在环绕盘管4下端面的后半部，并与环绕盘管4相垂直。
一种基于上述同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置的使用方法，具体包括以下步骤：
首先，将环绕盘管4与搅拌摩擦焊设备外壳2相连，与主轴1同轴配合，将雾化喷嘴2连接到环绕盘管下端的安装孔4-2内，将冷却液进管6包裹保温材料并连接到环绕盘管后侧的安装孔4-4内，根据需要冷却的宽度对环绕盘管4的高度进行调整；
在焊接过程中，使整个喷雾装置与焊机主轴1同步移动，同时打开冷却液进管6，通过冷却液入口和压缩空气入口将冷却液和压缩空气同时输入，使冷却液雾化，通过雾化喷嘴2将冷却液喷射到待冷却板表面，直到焊接完成。
在焊接过程中，利用红外测温仪对焊接接头温度进行实时监测并反馈，根据焊接接头温度的高低，调整喷雾的喷射流量，进而实现对焊接接头的精准控温。
实施例1
采用流体软件模拟在以水为冷却介质时不同喷射流速下对FSW焊接接头的冷却效果，提取焊接接头处的温度曲线，如图3所示，从图中可以看出，水的喷射流量在0.01kg/s和0.001kg/s时，流量较小，当水接触到试板上表面时全部蒸发，但由于搅拌头的产热率远高于喷雾的散热率，所以对焊接接头冷却效果较差，当喷射流量提高到0.1kg/s时，喷雾对焊接接头起到一定的冷却效果。
实施例2
采用Fluent流体软件模拟在以液氮为冷却介质时不同喷射流速下对FSW焊接接头的冷却效果，提取焊接接头处的温度曲线，如图4所示，从图中可以看出，喷射流量的大小对喷雾冷却的效果影响很大，当液氮的喷射流量在0.001kg/s时，其对焊接接头的冷却效果不明显，随着质量流率提高时，冷却效果越明显，当液氮的喷射流量在0.01kg/s时，液氮冷却可以使焊接接头的高温区得到快速降温，但质量流率更大时，会使焊接接头瞬间冷却到室温，这种情况容易导致冷裂纹的产生，结合实际情况和模拟结果，选取喷射流量为0.01kg/s来进行喷雾冷却较为合适。
实施例3
结合模拟结果，采用喷射流量为0.01kg/s来进行实验，由于实验无法直接测得焊接接头的温度，所以采用K型热电偶分别对前进侧和后退侧距离焊接接头中心25mm、30mm和35mm的六个点进行测温，常规FSW监测点的温度曲线如图5所示，液氮冷却辅助FSW的温度曲线如图6所示，从图中可以看出，采用液氮对焊接接头进行冷却可以有效降低峰值温度和提高焊后冷却速率。
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 (1)

1.一种同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置的使用方法，其特征在于：
所述同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置包括雾化喷嘴、环绕盘管、冷却液进管、搅拌摩擦焊设备、试板和红外测温仪；
所述环绕盘管围绕在搅拌摩擦焊设备的主轴的外侧，并与搅拌摩擦焊设备的外壳相连，使环绕盘管与所述主轴同步移动，所述主轴上设有搅拌工具，所述环绕盘管为高度可调节的环绕盘管；
所述雾化喷嘴与环绕盘管相连，在环绕盘管下侧的后半部均匀设置多个雾化喷嘴，并与环绕盘管相垂直；
所述试板焊接接头两侧设有测量试板两侧的温度曲线的K型热电偶，所述环绕盘管后侧设有实时测量焊接接头温度的红外测温仪；
所述冷却液进管与环绕盘管相连，冷却液进管设置在环绕盘管上侧，用来引入冷却液；
所述冷却液主要包括水和液氮；
所述冷却液进管包裹保温材料；
所述同轴喷雾冷却耦合辅助FSW的装置的使用方法，包括以下步骤：
1）将环绕盘管与搅拌摩擦焊设备的外壳相连，并与主轴同轴配合，将冷却液进管连接到环绕盘管后侧的安装孔内，将雾化喷嘴连接到环绕盘管下端的安装孔内；
所述环绕盘管的高度根据需要冷却的宽度进行调整，使喷雾能覆盖焊接接头及其两侧的热机械影响区和热影响区；所述雾化喷嘴的个数根据实验所需要的冷却要求进行调整；
2）焊接开始时，使整个喷雾装置与主轴及搅拌工具同步移动，同时输入冷却液，通过雾化喷嘴将冷却液喷射到待冷却板表面，进行强制散热降温，并根据焊接温度的高低和焊后降温速率，调整冷却液的喷射流量，实现对焊接接头温度的精准控制，从而减少焊接接头过热，细化焊接接头晶粒，提高组织均匀性，减少或消除焊接接头的残余应力和变形；
当水为冷却液时，喷射流量为0.1 kg/s；当液氮为冷却液时，喷射流量为0.01 kg/s；所述K型热电偶分别对前进侧和后退侧距离焊接接头中心25 mm、30 mm和35 mm的六个点进行测温。
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