CN114083107B - 一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具及其安装方法，涉及搅拌摩擦焊具技术领域，包括搅拌头，搅拌头内套接环绕式磁场装置，环绕式磁场装置底部安装有磁力线引导装置，环绕式磁场装置内设有水冷装置，搅拌头上下两端端固定设有磁场增强装置，在焊接速度和转速一定的情况下，加装一种环绕式磁场装置、磁力线引导装置以及磁场增强装置，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。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

一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具及其安装方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊具技术领域，具体涉及到一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具及其安装方法。

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：搅拌摩擦焊焊接过程中产生了大量的摩擦热和塑性变形热，塑性变形后的细小晶粒容易长大变成粗晶粒，使焊接接头存在明显的热软化效应，导致焊接接头强度和塑性降低。因此，亟需一种有效方法解决目前常规搅拌摩擦焊所面临的主要问题，以获得晶粒细小，综合性能优好的搅拌摩擦焊具。

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磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具以及其安装方法，在焊接速度和转速一定的情况下，加装一种环绕式磁场装置、磁力线引导装置以及磁场增强装置，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。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，本发明提供了一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，包括搅拌头，所述搅拌头内套接环绕式磁场装置，所述搅拌头带动环绕式磁场装置呈同步高度运动，所述环绕式磁场装置底部安装有磁力线引导装置，所述环绕式磁场装置内设有水冷装置，所述搅拌头上下两端固定设有磁场增强装置；

所述环绕式磁场装置包括强力磁铁和外置储磁套筒，所述强力磁铁设于外置储磁套筒内部，所述强力磁铁N极朝下，焊接时，搅拌头携带外置储磁套筒进行同步高速运动，使得强力磁铁在高速旋转时同时产生强空间旋转磁场，通过磁感应矢量在空间内的旋转与变化，形成电能与转动机械能之间相互转化，在焊件内部形成方向与搅拌针旋转方向相同的电磁力，强化搅拌针的搅拌作用，能有效提高塑性金属流动速度，增加焊缝热影响区宽度，提高焊缝成型效率与质量。

所述磁力线引导装置为磁耳，所述磁力线引导装置呈T型结构，所述磁力线引导装置的偏置角度为30-35°，偏离距离为3-8mm，通过多次有效的试验及设计，保持此角度和距离时，可以最大限度地保证磁感线穿过焊缝的焊核区，而不是将磁作用于热影响区等其他区域，对磁力线引导效果极佳。

所述水冷装置包括螺旋式冷却槽和集水器，所述螺旋式冷却槽设于强力磁铁外壁，所述外置储磁套筒内设有集水器，所述集水器一端与螺旋式冷却槽相连接，所述外置储磁套筒内壁向外开设有放水口，所述集水器出水口一端管道设于放水口内，所述搅拌头上端开有设向内的输水内孔，所述输水内孔呈倒T型结构，所述输水内孔向下的两端端部开设有出水管，所述出水管与螺旋式冷却槽相连接，通过水泵将水注入软管，输水内孔以及螺旋式冷却槽中，最后流入集水器中，可以带走多余的焊接热量，散热效果极佳。

所述磁场增强装置包括高温磁环和垫板组件，所述高温磁环设于搅拌头上端并轴向充磁，高温磁环和搅拌头通过磁帽固定，所述磁帽下端通过定位销钉将磁帽与搅拌头固定，所述高温磁环N极朝上，所述垫板组件设于搅拌头下端，搅拌头的搅拌针附近为S极，可以与磁力线引导装置附近N极磁感线联通。底部垫板是由不锈钢和低碳钢拼接而成，两侧是不锈钢构成，中间夹住的是宽度比搅拌针宽2mm的低碳钢，通过中间的低碳钢将磁力再次增强。

作为优选地，所述垫板组件包括一级垫板和二级垫板，所述二级垫板两侧焊接有一级垫板。

作为优选地，所述外置储磁套筒上均开设有填充孔，填充孔内设有开孔填充结构，所述强力磁铁上设有隔磁盖板，所述开孔填充结构设有至少四个，半径为6mm，深度为8mm。

作为优选地，所述强力磁铁呈圆柱形结构。所述强力磁铁为钕铁硼磁铁，轴向充磁，表面镀铬，半径与储磁套筒内壁的半径一致，但磁铁比储磁套筒高出2mm，而隔磁盖板内凹2mm，可将强力磁铁紧紧固定在储磁套筒内。

作为优选地，一级垫板由不锈钢铸造为一体成型结构，所述二级垫板由低碳钢铸造为一体成型结构。

作为优选地，所述的磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具的安装方法，包括如下步骤：

S1、先将高温磁环吸在搅拌头上端，安装时N极朝上；

S2、再将磁力线引导装置安装到外置储磁套筒的底部；

S3、接着安装集水器，并且通过集水器上端螺丝，将磁力线引导装置固定；

S4、在储磁套筒的开孔填充结构处安放强力磁铁；

S5、将外置储磁套筒套入搅拌头，并且注意搅拌头内部T型输水内孔两端的出水管要与外置储磁套筒内部的螺旋式冷却槽接口对应；

S6、再使用隔磁盖板将强力磁铁压紧并固定；

S7、使用磁帽把搅拌头上端的高温磁环和搅拌头固定在一起；

S8、在磁帽下端使用定位销钉将磁帽与搅拌头固定在一起，完成安装。

采用上述结构，其有益效果在于：

1、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。

2、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现。

3、强磁场可以改变相变温度，增加形核率，促进组织细化。

4、结构简单、实用性强。该磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具装配简单、成本低、焊接效果好，这对实现磁化式单轴肩搅拌摩擦焊的推广与应用具有重要的现实意义。

附图说明

图一为一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具结构示意图。

图二为图一中A-A的剖面图。

图三为搅拌头示意图。

图四为隔磁盖板的结构示意图。

图中：1-搅拌头，2-环绕式磁场装置，201-强力磁铁，202-外置储磁套筒，3-磁力线引导装置，4-水冷装置，401-螺旋式冷却槽，402-集水器，403-放水口，404-输水内孔，405-出水管，5-磁场增强装置，501-高温磁环，502-垫板组件，503-一级垫板，504-二级垫板，6-开孔填充结构，7-隔磁盖板，8-磁帽，9-定位销钉。

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4所示，一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，包括搅拌头1，所述搅拌头1内套接环绕式磁场装置2，所述搅拌头1带动环绕式磁场装置2呈同步高度运动，所述环绕式磁场装置2底部安装有磁力线引导装置3，所述环绕式磁场装置2内设有水冷装置4，所述搅拌头1上下两端固定设有磁场增强装置5。

环绕式磁场装置2包括强力磁铁201和外置储磁套筒202，所述强力磁铁设于外置储磁套筒202内部，所述强力磁铁201N极朝下，焊接时，搅拌头携带外置储磁套筒进行同步高速运动，使得强力磁铁在高速旋转时同时产生强空间旋转磁场，通过磁感应矢量在空间内的旋转与变化，形成电能与转动机械能之间相互转化，在焊件内部形成方向与搅拌针旋转方向相同的电磁力，强化搅拌针的搅拌作用，能有效提高塑性金属流动速度，增加焊缝热影响区宽度，提高焊缝成型效率与质量。

磁力线引导装置3为磁耳，所述磁力线引导装置3呈T型结构，所述磁力线引导装置3的偏置角度为30-35°，偏离距离为3-8mm，通过多次有效的试验及设计，保持此角度和距离时，可以最大限度地保证磁感线穿过焊缝的焊核区，而不是将磁作用于热影响区等其他区域，对磁力线引导效果极佳。

水冷装置4包括螺旋式冷却槽401和集水器402，所述螺旋式冷却槽401设于强力磁铁201外壁，所述外置储磁套筒202内设有集水器402，所述集水器402一端与螺旋式冷却槽401相连接，所述外置储磁套筒202内壁向外开设有放水口403，所述集水器402出水口一端管道设于放水口403内，所述搅拌头1上端开有设向内的输水内孔404，所述输水内孔404呈倒T型结构，所述输水内孔404向下的两端端部开设有出水管405，所述出水管405与螺旋式冷却槽401相连接，通过水泵将水注入软管，输水内孔以及螺旋式冷却槽中，最后流入集水器中，可以带走多余的焊接热量，散热效果极佳。

磁场增强装置5包括高温磁环501和垫板组件502，所述高温磁环501设于搅拌头1上端并轴向充磁，高温磁环501和搅拌头1通过磁帽8固定，所述磁帽8下端通过定位销钉9将磁帽8与搅拌头1固定，所述高温磁环501N极朝上，所述垫板组件502设于搅拌头1下端，所述垫板组件502包括一级垫板503和二级垫板504，所述二级垫板504两侧焊接有一级垫板503，一级垫板503由不锈钢铸造为一体成型结构，所述二级垫板504由低碳钢铸造为一体成型结构，搅拌头的搅拌针附近为S极，可以与磁力线引导装置附近N极磁感线联通。底部垫板是由不锈钢和低碳钢拼接而成，两侧是不锈钢构成，中间夹住的是宽度比搅拌针宽2mm的低碳钢，通过中间的低碳钢将磁力再次增强。

外置储磁套筒202上均开设有填充孔，填充孔内设有开孔填充结构6，所述强力磁铁201上设有隔磁盖板7，所述开孔填充结构6设有至少四个，半径为6mm，深度为8mm。

强力磁铁201呈圆柱形结构。所述强力磁铁为钕铁硼磁铁，轴向充磁，表面镀铬，半径与储磁套筒内壁的半径一致，但磁铁比储磁套筒高出2mm，而隔磁盖板内凹2mm，可将强力磁铁紧紧固定在储磁套筒内。

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法对本发明的上述技术方案进行详细说明。

具体安装过程为：先将高温磁环501吸在搅拌头1上端，安装时N极朝上；再将磁力线引导装置3安装到外置储磁套筒202的底部；接着安装集水器402，并且通过集水器402上端螺丝，将磁力线引导装置3固定；在储磁套筒的开孔填充结构处安放强力磁铁201；将外置储磁套筒202套入搅拌头1，并且注意搅拌头1内部T型输水内孔两端的出水管405要与外置储磁套筒202内部的螺旋式冷却槽401接口对应；6、再使用隔磁盖板7将强力磁铁201压紧并固定；使用磁帽8把搅拌头上端的高温磁环501和搅拌头1固定在一起；S8、在磁帽8下端使用定位销钉2将磁帽与搅拌头固定在一起，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 (6)

1.一种磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，包括搅拌头（1），其特征在于：所述搅拌头（1）内套接环绕式磁场装置（2），所述搅拌头（1）带动环绕式磁场装置（2）呈同步高度运动，所述环绕式磁场装置（2）底部安装有磁力线引导装置（3），所述环绕式磁场装置（2）内设有水冷装置（4），所述搅拌头（1）上下两端固定设有磁场增强装置（5）；

所述环绕式磁场装置（2）包括强力磁铁（201）和外置储磁套筒（202），所述强力磁铁设于外置储磁套筒（202）内部，所述强力磁铁（201）N极朝下；

所述磁力线引导装置（3）为磁耳，所述磁力线引导装置（3）呈T型结构，所述磁力线引导装置（3）的偏置角度为30-35°，偏离距离为3-8mm；

所述水冷装置（4）包括螺旋式冷却槽（401）和集水器（402），所述螺旋式冷却槽（401）设于强力磁铁（201）外壁，所述外置储磁套筒（202）内设有集水器（402），所述集水器（402）一端与螺旋式冷却槽（401）相连接，所述外置储磁套筒（202）内壁向外开设有放水口（403），所述集水器（402）出水口一端管道设于放水口（403）内，所述搅拌头（1）上端开有设向内的输水内孔（404），所述输水内孔（404）呈倒T型结构，所述输水内孔（404）向下的两端端部开设有出水管（405），所述出水管（405）与螺旋式冷却槽（401）相连接；

所述磁场增强装置（5）包括高温磁环（501）和垫板组件（502），所述高温磁环（501）设于搅拌头（1）上端并轴向充磁，高温磁环（501）和搅拌头（1）通过磁帽（8）固定，所述磁帽（8）下端通过定位销钉（9）将磁帽（8）与搅拌头（1）固定，所述高温磁环（501）N极朝上，所述垫板组件（502）设于搅拌头（1）下端。

2.根据权利要求1所述的磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述垫板组件（502）包括一级垫板（503）和二级垫板（504），所述二级垫板（504）两侧焊接有一级垫板（503）。

3.根据权利要求1所述的磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述外置储磁套筒（202）上均开设有填充孔，填充孔内设有开孔填充结构（6），所述强力磁铁（201）上设有隔磁盖板（7），所述开孔填充结构（6）设有至少四个，半径为6mm，深度为8mm。

4.根据权利要求1所述的磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述强力磁铁（201）呈圆柱形结构。

5.根据权利要求2所述的磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具，其特征在于：一级垫板（503）由不锈钢铸造为一体成型结构，所述二级垫板（504）由低碳钢铸造为一体成型结构。

6.根据权利要求1所述的磁力环绕式双轴肩搅拌摩擦焊具的安装方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、先将高温磁环（501）吸在搅拌头（1）上端，安装时N极朝上；

S2、再将磁力线引导装置（3）安装到外置储磁套筒（202）的底部；

S3、接着安装集水器（402），并且通过集水器（402）上端螺丝，将磁力线引导装置（3）固定；

S4、在储磁套筒的开孔填充结构（6）处安放强力磁铁（201）；

S5、将外置储磁套筒（202）套入搅拌头（1），并且注意搅拌头（1）内部T型输水内孔两端的出水管（405）要与外置储磁套筒（202）内部的螺旋式冷却槽（401）接口对应；

S6、再使用隔磁盖板（7）将强力磁铁（201）压紧并固定；

S7、使用磁帽（8）把搅拌头上端的高温磁环（501）和搅拌头（1）固定在一起；

S8、在磁帽（8）下端使用定位销钉（9）将磁帽与搅拌头固定在一起，完成安装。

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