CN114083106A - 一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头及其安装方法，涉及双轴肩搅拌头技术领域，包括储磁搅拌头装置和下轴肩偏磁装置，储磁搅拌头装置通过搅拌针与下轴肩偏磁装置传动连接，储磁搅拌头装置内端设有双重冷却装置，储磁搅拌头装置外端套设有储水组件，双重冷却装置一端与储水组件相连接，通过双重冷却装置实现在高速旋转时，产生强气流通过括风冷组件直接带走磁铁表面温度，通过水冷组件遇到高温蒸发快速吸收热量，从而达到双重降温的目的；提高焊件底部的金属流动性以填充搅拌针后方的空腔时，弥补弥散分布的空洞缺陷，该工艺简单，成本低廉，焊接效率高，搅拌头使用寿命高，能使焊缝组织晶粒细化，综合性能显著提高。

Description

一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头及其安装方法

技术领域

本发明涉及双轴肩搅拌头技术领域，具体涉及到了一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头及其安装方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种绿色固相连接技术，近年来被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域。通过搅拌针和轴肩与工件间的摩擦热，在搅拌针的附件形成塑性软化层，软化层在搅拌头高速旋转的作用下填充入搅拌针后方形成的空腔内，从而实现可靠的连接，它具有焊接接头强度高、焊接工件变形小、绿色环保等优点。

CN213318311U公开了一种搅拌摩擦焊焊具、搅拌摩擦焊设备，其在搅拌头本体与轴肩结构的配合面设置有用于容纳搅拌摩擦焊废料的第一空腔结构，可避免轴肩与搅拌头之间的缝隙内部废料的积累，从而避免主轴消耗以及避免搅拌头与静止轴肩配合面的磨损，提高搅拌头的使用寿命，而且可降低不必要能量的消耗，但其在使用过程中存在诸多问题，搅拌头在长时间使用过程中，搅拌头内部磁铁以及搅拌针会产生较高的热量，而热量通常无法及时有效的排出搅拌头外，搅拌头内部部件在高温下运行，内部部件极易烧毁或故障，影响整体的使用，因此，亟需本领域技术人员设计出一种新型的搅拌头结构。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头以及焊接方法，通过双重冷却装置实现在高速旋转时，产生强气流通过括风冷组件直接带走磁铁表面温度，通过水冷组件遇到高温蒸发快速吸收热量，从而达到双重降温的目的；在焊接速度和转速一定的情况下，双轴肩搅拌头，可以提高焊核区尺寸，提高焊件底部的金属流动性以填充搅拌针后方的空腔时，弥补弥散分布的空洞缺陷。该工艺简单，成本低廉，焊接效率高，搅拌头使用寿命高，能使焊缝组织晶粒细化，综合性能显著提高。

为了解决上述问题，本发明提供了一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头，包括储磁搅拌头装置和下轴肩偏磁装置，所述储磁搅拌头装置通过搅拌针与下轴肩偏磁装置传动连接，所述储磁搅拌头装置内端设有双重冷却装置，所述储磁搅拌头装置外端套设有储水组件，所述双重冷却装置一端与储水组件相连接。

作为优选地，所述储磁搅拌头装置包括夹持组件、压紧隔磁盖和设于夹持组件内端的搅拌针；所述夹持组件与压紧隔磁盖呈旋转分离式连接。

作为优选地，所述夹持组件包括储磁套筒和磁铁，所述储磁套筒内套固定设有磁铁，所述磁铁底端设有隔热层，所述储磁套筒内壁设有螺纹凸起，所述压紧隔磁盖外部外侧开有螺纹凹槽，所述螺纹凹槽与螺纹凸起呈旋转分离式连接。

作为优选地，所述下轴肩偏磁装置是包括下轴肩、除磁孔和偏磁孔，所述下轴肩上开设有除磁孔和偏磁孔，所述除磁孔和偏磁孔内填充材料，所述下轴肩端面处设有三个大小和深度均不相同的圆孔，并且圆孔内填充材料可以根据不同情况选用不同的材料填充，使得通过焊件的磁场强度不均匀，达到偏磁的目的。

作为优选地，所述双重冷却装置包括风冷组件和水冷组件，所述风冷组件包括风冷窗口，所述储磁套筒的外壁均匀开设有风冷窗口，将磁铁的表面直接暴露于空气之中，搅拌针高速旋转时产生强大气流带走磁铁表面热量，所述水冷组件包括水泵、引水口、水冷通道、出水口，所述水泵与引水口相连接，所述引水口设于压紧隔磁盖内端，所述引水口另一端与水冷通道相连接，所述水冷通道设于储磁套筒内端，所述水冷通道另一端与出水口相接通，风冷组件通过储磁套筒外壁的风冷窗口在高速旋转时，产生强气流直接带走磁铁表面温度，从而达到降温的目的；水冷组件通过水泵将水从导水孔注入至储磁套筒的导水管路中，通过水泵将水从引水口注入至储磁套筒的水冷通道中，给磁铁降温，出水口快速带走多余的焊接热量，未蒸发的水从出水口流进储水环中。

作为优选地，所述搅拌针为非导磁材料制作，长度为优选25mm，半径优选3mm，该非导磁搅拌针中不存在磁感应强度，从储磁套筒中的磁铁给母材区、热影响区、热机影响区以及焊核区带来的的磁感应强度大小不一样，非导磁搅拌针对于焊核区的搅拌作用尤为明显。通过搅拌针连接储磁搅拌头装置和下轴肩偏磁装置。

作为优选地，所述储水组件包括储水环、销孔和冷却液回收口，所述储水环套接于储磁套筒外端，所述储水环上设有销孔和冷却液回收口，销钉穿过销孔从而将将储水环与储磁套筒固定。

作为优选地，动态偏磁场式双轴肩搅拌头的安装方法，包括如下步骤：

S1、先将磁铁放到储磁搅拌头装置的储磁套筒中预留位置；

S2、再将压紧隔磁盖按照引水口的位置安装好，储磁套筒向上延伸2mm，并且内壁开有螺纹凸起，通过螺纹凸起与压紧隔磁盖的螺纹凹槽紧密连接，将磁铁紧紧固定在储磁套筒内；

S3、磁铁103和压紧隔磁盖101安置完毕后，通过水泵将水从引水口注入至储磁套筒的水冷通道中，给磁铁降温，出水口快速带走多余的焊接热量，未蒸发的水从出水口流进储水环中；

S4、将储水环连接在储磁套筒外壁，让储水环安置在储磁套筒托台上并且要将储磁套筒外壁上的出水口与储水环内壁上的冷却液回收口相对应，使得流过磁铁的冷却液进入到储水环中。通过储磁套筒上的销孔和储水环上的销孔将储水环定位；

S5、将非磁式搅拌针的一端先通过螺纹拧入上轴肩中，磁铁的N极向下，磁力线方向由磁体N极指向导磁垫板，实现磁力线的汇聚，增强磁场的强度；

S6、下轴肩上的除磁孔和偏磁孔分别为大小，深度不一的圆孔，圆孔内填充材料可以根据不同情况选用不同的材料填充，使得通过焊件的磁场强度不均匀，达到偏磁的目的；

S7、不规则开孔下轴肩为高强耐热材料制作，通过与非磁式搅拌针的连接，直接顶在焊件下方。

采用上述结构，其有益效果在于：

本发明双重冷却装置包括风冷组件和水冷组件，所述风冷组件包括风冷窗口，所述储磁套筒的外壁均匀开设有风冷窗口，将磁铁的表面直接暴露于空气之中，搅拌针高速旋转时产生强大气流带走磁铁表面热量，所述水冷组件包括水泵、引水口、水冷通道、出水口，所述水泵与引水口相连接，所述引水口设于压紧隔磁盖内端，所述引水口另一端与水冷通道相连接，所述水冷通道设于储磁套筒内端，所述水冷通道另一端与出水口相接通，风冷组件通过储磁套筒外壁的风冷窗口在高速旋转时，产生强气流直接带走磁铁表面温度，从而达到降温的目的；水冷组件通过水泵将水从导水孔注入至储磁套筒的导水管路中，通过水泵将水从引水口注入至储磁套筒的水冷通道中，给磁铁降温，出水口快速带走多余的焊接热量，未蒸发的水从出水口流进储水环中，通过双重冷却装置实现在高速旋转时，产生强气流通过括风冷组件直接带走磁铁表面温度，通过水冷组件遇到高温蒸发快速吸收热量，从而达到双重降温的目的。

本动态偏磁场式双轴肩搅拌头可以大幅度降低焊接载荷，延长搅拌头使用寿命；焊接工程中施加强烈的旋转磁场，会出现电磁热效应，从而提高焊接区域工件的温度。高强度旋转磁场还可以产生金属原子、位错之间的交互作用，通过促进位错之间的增值和滑移，促进焊接区域材料的塑性流动性；可以有效提升焊缝质量；焊接区域材料的塑性提高，可以促进焊接区域材料塑性的流动，避免空洞等缺陷，在高强度磁场下产生的洛伦兹力，会增加形核率，避免晶粒粗大的现象出；强磁场可以改变相变温度，增加形核率，促进组织细化。

附图说明

图1 为本发明动态偏磁场式双轴肩搅拌头的结构示意图。

图2为图1中B-B剖面图。

图3为图2中A-A的剖面图。

图4为储磁套筒的结构示意图。

图5为储水组件的结构示意图。

图中：1-储磁搅拌头装置，101-压紧隔磁盖，102-储磁套筒，103-磁铁，104-隔热层，105-搅拌针，2-下轴肩偏磁装置，201-下轴肩，202-除磁孔，203-偏磁孔，3-双重冷却装置，301-风冷组件，301-1风冷窗口，302-水冷组件，302-1引水口，302-2水冷通道，302-3出水口，4-储水组件，401-储水环，402-销孔，403-冷却液回收口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的解释说明。

如图1-图5所示，一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头，包括储磁搅拌头装置1和下轴肩偏磁装置2，所述储磁搅拌头装置1通过搅拌针与下轴肩偏磁装置2传动连接，所述储磁搅拌头装置1内端设有双重冷却装置3，所述储磁搅拌头装置1外端套设有储水组件4，所述双重冷却装置3一端与储水组件4相连接。

储磁搅拌头装置1包括夹持组件、压紧隔磁盖101和设于夹持组件内端的搅拌针105；所述夹持组件与压紧隔磁盖101呈旋转分离式连接。

所述夹持组件包括储磁套筒102和磁铁103，所述储磁套筒102内套固定设有磁铁103，所述磁铁103底端设有隔热层104，所述储磁套筒102内壁设有螺纹凸起，所述压紧隔磁盖101外部外侧开有螺纹凹槽，所述螺纹凹槽与螺纹凸起呈旋转分离式连接。

所述下轴肩偏磁装置是2包括下轴肩201、除磁孔202和偏磁孔203，所述下轴肩201上开设有除磁孔202和偏磁孔203，所述除磁孔202和偏磁孔203内填充材料，所述下轴肩端面处设有三个大小和深度均不相同的圆孔，并且圆孔内填充材料可以根据不同情况选用不同的材料填充，使得通过焊件的磁场强度不均匀，达到偏磁的目的。

所述双重冷却装置3包括风冷组件301和水冷组件302，所述风冷组件301包括风冷窗口301-1，所述储磁套筒的外壁均匀开设有风冷窗口301-1，将磁铁103的表面直接暴露于空气之中，搅拌针105高速旋转时产生强大气流带走磁铁103表面热量，所述水冷组件302包括水泵、引水口302-1、水冷通道302-2、出水口302-3，所述水泵与引水口302-1相连接，所述引水口302-1设于压紧隔磁盖101内端，所述引水口302-1另一端与水冷通道302-2相连接，所述水冷通道302-2设于储磁套筒102内端，所述水冷通道302-2另一端与出水口302-3相接通，风冷组件301通过储磁套筒外壁的风冷窗口在高速旋转时，产生强气流直接带走磁铁表面温度，从而达到降温的目的；水冷组件通过水泵将水从导水孔注入至储磁套筒的导水管路中，通过水泵将水从引水口302-1注入至储磁套筒的水冷通道302-2中，给磁铁103降温，出水口302-3快速带走多余的焊接热量，未蒸发的水从出水口302-3流进储水环401中。

所述储水组件4包括储水环401、销孔402和冷却液回收口403，所述储水环401套接于储磁套筒102外端，所述储水环401上设有销孔402和冷却液回收口403，销钉穿过销孔402从而将将储水环401与储磁套筒102固定。

为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体的安装方式对本发明的上述技术方案进行详细说明。

具体安装过程为：先将磁铁103放到储磁搅拌头装置1的储磁套筒102中预留位置；再将压紧隔磁盖101按照引水口302-3的位置安装好，储磁套筒102向上延伸2mm，并且内壁开有螺纹凸起，通过螺纹凸起与压紧隔磁盖的螺纹凹槽紧密连接，将磁铁103紧紧固定在储磁套筒102内；磁铁103和压紧隔磁盖101安置完毕后，通过水泵将水从引水口302-1注入至储磁套筒的水冷通道302-2中，给磁铁103降温，出水口302-3快速带走多余的焊接热量，未蒸发的水从出水口302-3流进储水环401中；将储水环401连接在储磁套筒102外壁，让储水环401安置在储磁套筒102托台上并且要将储磁套筒102外壁上的出水口302-3与储水环401内壁上的冷却液回收口403相对应，使得流过磁铁的冷却液进入到储水环401中。通过储磁套筒102上的销孔和储水环上的销孔402将储水环定位；将非磁式搅拌针105的一端先通过螺纹拧入上轴肩中，磁铁103的N极向下，磁力线方向由磁体N极指向导磁垫板，实现磁力线的汇聚，增强磁场的强度；下轴肩201上的除磁孔202和偏磁孔203分别为大小，深度不一的圆孔，圆孔内填充材料可以根据不同情况选用不同的材料填充，使得通过焊件的磁场强度不均匀，达到偏磁的目的；不规则开孔下轴肩为高强耐热材料制作，通过与非磁式搅拌针105的连接，直接顶在焊件下方，完成安装。

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，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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

需要说明的是，在本发明中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所述发明的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种动态偏磁场式双轴肩搅拌头，包括储磁搅拌头装置（1）和下轴肩偏磁装置（2），所述储磁搅拌头装置（1）通过搅拌针与下轴肩偏磁装置（2）传动连接，其特征在于：所述储磁搅拌头装置（1）内端设有双重冷却装置（3），所述储磁搅拌头装置（1）外端套设有储水组件（4），所述双重冷却装置（3）一端与储水组件（4）相连接。

2.根据权利要求1所述的动态偏磁场式双轴肩搅拌头，其特征在于：所述储磁搅拌头装置（1）包括夹持组件、压紧隔磁盖（101）和设于夹持组件内端的搅拌针（105）；所述夹持组件与压紧隔磁盖（101）呈旋转分离式连接。

3.根据权利要求2所述的动态偏磁场式双轴肩搅拌头，其特征在于：所述夹持组件包括储磁套筒（102）和磁铁（103），所述储磁套筒（102）内套固定设有磁铁（103），所述磁铁（103）底端设有隔热层（104），所述储磁套筒（102）内壁设有螺纹凸起，所述压紧隔磁盖（101）外部外侧开有螺纹凹槽，所述螺纹凹槽与螺纹凸起呈旋转分离式连接。

4.根据权利要求1所述的动态偏磁场式双轴肩搅拌头，其特征在于：所述下轴肩偏磁装置是（2）包括下轴肩（201）、除磁孔（202）和偏磁孔（203），所述下轴肩（201）上开设有除磁孔（202）和偏磁孔（203），所述除磁孔（202）和偏磁孔（203）内填充材料。

5.根据权利要求3所述的动态偏磁场式双轴肩搅拌头，其特征在于：所述双重冷却装置（3）包括风冷组件（301）和水冷组件（302），所述风冷组件（301）包括风冷窗口（301-1），所述储磁套筒的外壁均匀开设有风冷窗口（301-1），将磁铁（103）的表面直接暴露于空气之中，搅拌针（105）高速旋转时产生强大气流带走磁铁（103）表面热量，所述水冷组件（302）包括水泵、引水口（302-1）、水冷通道（302-2）、出水口（302-3），所述水泵与引水口（302-1）相连接，所述引水口（302-1）设于压紧隔磁盖（101）内端，所述引水口（302-1）另一端与水冷通道（302-2）相连接，所述水冷通道（302-2）设于储磁套筒（102）内端，所述水冷通道（302-2）另一端与出水口（302-3）相接通。

6.根据权利要求5所述的动态偏磁场式双轴肩搅拌头，其特征在于：所述储水组件（4）包括储水环（401）、销孔（402）和冷却液回收口（403），所述储水环（401）套接于储磁套筒（102）外端，所述储水环（401）上设有销孔（402）和冷却液回收口（403），销钉穿过销孔（402）从而将将储水环（401）与储磁套筒（102）固定。

7.根据权利要求1所述的动态偏磁场式双轴肩搅拌头的安装方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、先将磁铁（103）放到储磁搅拌头装置（1）的储磁套筒（102）中预留位置；

S2、再将压紧隔磁盖（101）按照引水口（302-3）的位置安装好，储磁套筒（102）向上延伸2mm，并且内壁开有螺纹凸起，通过螺纹凸起与压紧隔磁盖的螺纹凹槽紧密连接，将磁铁（103）紧紧固定在储磁套筒（102）内；

S3、磁铁103和压紧隔磁盖101安置完毕后，通过水泵将水从引水口（302-1）注入至储磁套筒的水冷通道（302-2）中，给磁铁（103）降温，出水口（302-3）快速带走多余的焊接热量，未蒸发的水从出水口（302-3）流进储水环（401）中；

S4、将储水环（401）连接在储磁套筒（102）外壁，让储水环（401）安置在储磁套筒（102）托台上并且要将储磁套筒（102）外壁上的出水口（302-3）与储水环（401）内壁上的冷却液回收口（403）相对应，使得流过磁铁的冷却液进入到储水环（401）中,通过储磁套筒（102）上的销孔和储水环上的销孔（402）将储水环定位；

S5、将搅拌针（105）的一端先通过螺纹拧入上轴肩中，磁铁（103）的N极向下，磁力线方向由磁体N极指向导磁垫板，实现磁力线的汇聚，增强磁场的强度；

S6、下轴肩（201）上的除磁孔（202）和偏磁孔（203）分别为大小，深度不一的圆孔，圆孔内填充材料可以根据不同情况选用不同的材料填充，使得通过焊件的磁场强度不均匀，达到偏磁的目的；

S7、不规则开孔下轴肩为高强耐热材料制作，通过与搅拌针（105）的连接，直接顶在焊件下方。

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