CN114289852B - 一种半潜式水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具及安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具及安装方法，涉及水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具技术领域，包括搅拌头本体，搅拌头本体包括磁铁偏磁装置、夹装组件和水冷组件，所述磁铁偏磁装置一端套接于夹装组件内，所述磁铁偏磁装置内设有水冷组件；所述磁铁偏磁装置包括搅拌头上轴肩组件和通过电机旋转主轴与搅拌头上轴肩组件相连接的搅拌头下轴肩组件，本发明在焊接速度和转速一定的情况下，加装一种非对称的偏磁场磁力可调节搅拌头，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，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

一种半潜式水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具及安装方法

技术领域

本发明涉及水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具技术领域，具体涉及到了一种半潜式水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具及安装方法。

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。 CN207824176U公开了一种搅拌摩擦焊电主轴，通过搅拌摩擦焊电主轴，通过主轴内开设的特殊管道以及和电主轴外壳内冷却管路之间的配合，利用自然离心力作为动力，使冷却液不仅能在主轴内带走焊接时产生的热量，并且能够在出来后化作雾状喷洒在主轴和电主轴外壳表面，进一步提高了降温的效果和效率，但其在使用时候存在诸多问题，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，急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，综合性能优好的焊接接头。

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在焊接速度和转速一定的情况下，加装一种非对称的偏磁场磁力可调节搅拌头，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，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，综合性能显著提高的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具。

为了解决上述问题，本发明提供了一种半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，包括搅拌头本体，所述搅拌头本体包括磁铁偏磁装置、夹装组件和水冷组件，所述磁铁偏磁装置一端套接于夹装组件内，所述磁铁偏磁装置内设有水冷组件；所述磁铁偏磁装置包括搅拌头上轴肩组件和通过电机旋转主轴与搅拌头上轴肩组件相连接的搅拌头下轴肩组件。

作为优选地，所述搅拌头上轴肩组件包括搅拌头上轴肩、非对称式打孔填充结构和上轴肩磁铁，所述搅拌头上轴肩设有非对称式打孔填充结构，所述非对称式打孔填充结构内设有上轴肩磁铁。

作为优选地，所述非对称式打孔填充结构为大小深度均不相同的圆孔，所述圆孔内部一半填充上轴肩磁铁，另一半填充等重量的非导磁合金材料；或者圆孔内全部填充上轴肩磁铁，可根据具体情况，圆孔内部一半填充圆柱体导磁材料，另一半填充等重量的非导磁合金材料；或者圆孔内全部填充圆柱形强力磁铁，搅拌摩擦头转动时，可以产生旋转变化的磁通量。

作为优选地，所述搅拌头下轴肩组件包括搅拌头下轴肩、独立打孔填充结构和下轴肩磁铁，所述搅拌头下轴肩设有独立打孔填充结构，所述独立打孔填充结构内设有下轴肩磁铁，所述搅拌头下轴肩下安装盖子，独立打孔填充结构的圆孔内部可以填充圆柱体强力磁铁，也可以填充等重量的导磁合金材料，搅拌摩擦头转动时，可以产生旋转变化的磁通量。

作为优选地，所述夹装组件包括ER夹头和ER螺母；ER夹头和ER螺母通过螺纹紧密连接，ER夹头和磁铁偏磁装置之间通过定位销钉固定连接。

作为优选地，所述水冷组件包括上轴肩冷却液通道和下轴肩冷却液通道，所述上轴肩冷却液通道设于搅拌头上轴肩内端，所述下轴肩冷却液通道设于搅拌头下轴肩内端，所述搅拌头上轴肩上设有横纹通水口，冷却系统主要通过冷却液通道进行冷却，在搅拌头的上轴肩和下轴肩进行横向打孔，并且两边贯穿，在焊接过程中，将搅拌头在ER夹头部分以下完全浸入在冷却液中，冷却液通过两侧贯通的横向圆孔注入搅拌头内部，使得圆柱形强力磁铁或者导磁合金材料完全浸入在水冷液中。从而达到降温的目的，避免出现强力磁铁的温度超过居里点而出现退磁的情况。

作为优选地，上轴肩磁铁和下轴肩磁铁均为钕铁硼磁铁，所述上轴肩磁铁和下轴肩磁铁均为轴向充磁结构，所述上轴肩磁铁和下轴肩磁铁均为表面镀铬。

作为优选地，上轴肩磁铁和下轴肩磁铁均为圆柱形磁体，圆柱形磁体的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。

作为优选地，搅拌摩擦焊具的安装方法如下：

S1、将上轴肩磁铁或者圆柱形导磁材料放在非对称填充结构中，填充上轴肩磁铁时要注意上轴肩磁铁的N极向下；

S2、将下轴肩磁铁放到下轴肩圆孔预留位置，安放下轴肩磁铁时，下轴肩磁铁的S极向下，磁力线方向上轴肩的磁铁N极指向下轴肩磁铁的S极，实现磁力线的汇聚，增强磁场的强度；

S3、在下轴肩下安装盖子，固定下轴肩磁铁；

S4、将上轴肩上端顶入ER夹头中，通过定位销钉固定；

S5、焊接前，将搅拌头放置在冷却液中，在水箱中完成焊接；

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，装配简单、成本低、焊接效果好，这对实现磁化式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1 为半潜式水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具的结构示意图。

图2为图1A-A的剖面图。

图3为图1B-B的剖面图。

图4为半潜式水下旋转磁化双轴肩搅拌摩擦焊具安装方法的步骤流程图。

图中：1-搅拌头本体，2-磁铁偏磁装置，201-搅拌头上轴肩组件，202-搅拌头上轴肩，203-非对称式打孔填充结构，204-上轴肩磁铁，210-搅拌头下轴肩组件，211-搅拌头下轴肩，212-独立打孔填充结构，213-下轴肩磁铁，214-盖子，3-夹装组件，301-ER夹头，4-水冷组件，401-上轴肩冷却液通道，402-下轴肩冷却液通道，403-横纹通水口，5-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2、图3所示，一种半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，包括搅拌头本体1，所述搅拌头本体1包括磁铁偏磁装置2、夹装组件3和水冷组件4，所述磁铁偏磁装置2一端套接于夹装组件3内，所述磁铁偏磁装置2内设有水冷组件4；所述磁铁偏磁装置2包括搅拌头上轴肩组件201和通过电机旋转主轴与搅拌头上轴肩组件201相连接的搅拌头下轴肩组件210，磁铁偏磁装置2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，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，强磁场可以改变相变温度，增加形核率，促进组织细化。

所述搅拌头上轴肩组件201包括搅拌头上轴肩202、非对称式打孔填充结构203和上轴肩磁铁204，所述搅拌头上轴肩202设有非对称式打孔填充结构203，所述非对称式打孔填充结构203内设有上轴肩磁铁204。

所述非对称式打孔填充结构203为大小深度均不相同的圆孔，所述圆孔内部一半填充上轴肩磁铁204，另一半填充等重量的非导磁合金材料；或者圆孔内全部填充上轴肩磁铁204，可根据具体情况，圆孔内部一半填充圆柱体导磁材料，另一半填充等重量的非导磁合金材料；或者圆孔内全部填充圆柱形强力磁铁，搅拌摩擦头转动时，可以产生旋转变化的磁通量。

所述搅拌头下轴肩组件210包括搅拌头下轴肩211、独立打孔填充结构212和下轴肩磁铁213，所述搅拌头下轴肩211设有独立打孔填充结构212，所述独立打孔填充结构212内设有下轴肩磁铁213，所述搅拌头下轴肩211下安装盖子214，独立打孔填充结构的圆孔内部可以填充圆柱体强力磁铁，也可以填充等重量的导磁合金材料，搅拌摩擦头转动时，可以产生旋转变化的磁通量。

所述夹装组件3包括ER夹头301和ER螺母；ER夹头301和ER螺母通过螺纹紧密连接，ER夹头301和磁铁偏磁装置2之间通过定位销钉5固定连接。

所述水冷组件4包括上轴肩冷却液通道401和下轴肩冷却液通道402，所述上轴肩冷却液通道401设于搅拌头上轴肩202内端，所述下轴肩冷却液通道402设于搅拌头下轴肩211内端，所述搅拌头上轴肩202上设有横纹通水口403，冷却系统主要通过冷却液通道进行冷却，在搅拌头的上轴肩和下轴肩进行横向打孔，并且两边贯穿，在焊接过程中，将搅拌头在ER夹头部分以下完全浸入在冷却液中，冷却液通过两侧贯通的横向圆孔注入搅拌头内部，使得圆柱形强力磁铁或者导磁合金材料完全浸入在水冷液中。从而达到降温的目的，避免出现强力磁铁的温度超过居里点而出现退磁的情况。

上轴肩磁铁204和下轴肩磁铁213均为钕铁硼磁铁，所述上轴肩磁铁204和下轴肩磁铁213均为轴向充磁结构，所述上轴肩磁铁204和下轴肩磁铁213均为表面镀铬。

上轴肩磁铁204和下轴肩磁铁213均为圆柱形磁体，圆柱形磁体的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。

如图4所示，所述的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具的安装方法：

S1、将上轴肩磁铁204或者圆柱形导磁材料放在非对称填充结构中，填充上轴肩磁铁204时要注意上轴肩磁铁204的N极向下；

S2、将下轴肩磁铁213放到下轴肩圆孔预留位置，安放下轴肩磁铁213时，下轴肩磁铁213的S极向下，磁力线方向上轴肩的磁铁N极指向下轴肩磁铁213的S极，实现磁力线的汇聚，增强磁场的强度；

S3、在下轴肩下安装盖子214，固定下轴肩磁铁213；

S4、将上轴肩上端顶入ER夹头301中，通过定位销钉5固定；

S5、焊接前，将搅拌头放置在冷却液中，在水箱中完成焊接。

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)

1.一种半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，包括搅拌头本体(1)，其特征在于：所述搅拌头本体(1)包括磁铁偏磁装置(2)、夹装组件(3)和水冷组件(4)，所述磁铁偏磁装置(2)一端套接于夹装组件(3)内，所述磁铁偏磁装置(2)内设有水冷组件(4)；所述磁铁偏磁装置(2)包括搅拌头上轴肩组件(201)和通过电机旋转主轴与搅拌头上轴肩组件(201)相连接的搅拌头下轴肩组件(210)；

所述搅拌头上轴肩组件(201)包括搅拌头上轴肩(202)、非对称式打孔填充结构(203)和上轴肩磁铁(204)，所述搅拌头上轴肩(202)设有非对称式打孔填充结构(203)，所述非对称式打孔填充结构(203)内设有上轴肩磁铁(204)；

所述搅拌头下轴肩组件(210)包括搅拌头下轴肩(211)、独立打孔填充结构(212)和下轴肩磁铁(213)，所述搅拌头下轴肩(211)设有独立打孔填充结构(212)，所述独立打孔填充结构(212)内设有下轴肩磁铁(213)，所述搅拌头下轴肩(211)下安装盖子(214)；

所述水冷组件(4)包括上轴肩冷却液通道(401)和下轴肩冷却液通道(402)，所述上轴肩冷却液通道(401)设于搅拌头上轴肩(202)内端，所述下轴肩冷却液通道(402)设于搅拌头下轴肩(211)内端，所述搅拌头上轴肩(202)上设有横纹通水口(403)。

2.根据权利要求1所述的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述非对称式打孔填充结构(203)为大小深度均不相同的圆孔，所述圆孔内部一半填充上轴肩磁铁(204)，另一半填充等重量的非导磁合金材料；或者圆孔内全部填充上轴肩磁铁(204)。

3.根据权利要求2所述的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述夹装组件(3)包括ER夹头(301)和ER螺母；ER夹头(301)和ER螺母通过螺纹紧密连接，ER夹头(301)和磁铁偏磁装置(2)之间通过定位销钉(5)固定连接。

4.根据权利要求3所述的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，其特征在于：上轴肩磁铁(204)和下轴肩磁铁(213)均为钕铁硼磁铁，所述上轴肩磁铁(204)和下轴肩磁铁(213)均为轴向充磁结构，所述上轴肩磁铁(204)和下轴肩磁铁(213)均为表面镀铬。

5.根据权利要求4所述的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具，其特征在于：上轴肩磁铁(204)和下轴肩磁铁(213)均为圆柱形磁体，圆柱形磁体的N极向下，磁力线方向由磁体N极指向导磁垫板。

6.根据权利要求5所述的半潜式水下旋转磁化搅拌摩擦焊具的安装方法，其特征在于，搅拌摩擦焊具的安装方法如下：

S1、将上轴肩磁铁(204)或者圆柱形导磁材料放在非对称填充结构中，填充上轴肩磁铁(204)时要注意上轴肩磁铁(204)的N极向下；

S2、将下轴肩磁铁(213)放到下轴肩圆孔预留位置，安放下轴肩磁铁(213)时，下轴肩磁铁(213)的S极向下，磁力线方向上轴肩的磁铁N极指向下轴肩磁铁(213)的S极，实现磁力线的汇聚，增强磁场的强度；

S3、在下轴肩下安装盖子(214)，固定下轴肩磁铁(213)；

S4、将上轴肩上端顶入ER夹头(301)中，通过定位销钉(5)固定；

S5、焊接前，将搅拌头放置在冷却液中，在水箱中完成焊接。

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