CN1739902A - 采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置 - Google Patents
采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN1739902A CN1739902A CN 200510105425 CN200510105425A CN1739902A CN 1739902 A CN1739902 A CN 1739902A CN 200510105425 CN200510105425 CN 200510105425 CN 200510105425 A CN200510105425 A CN 200510105425A CN 1739902 A CN1739902 A CN 1739902A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- heat sink
- cooling
- pipe
- stirring
- cooling medium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Pressure Welding/Diffusion-Bonding (AREA)
Abstract
本发明涉及一种用于在焊接结构制造中控制焊接应力和变形的采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法及装置。本发明采用可跟随搅拌头移动的热沉，对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却。该热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，进气管被包围在抽气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管的末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴，能够喷出雾化冷却水，在焊接过程中对搅拌头后部的高温焊缝金属起到快速冷却作用，从而控制焊接应力与变形，抽气管将冷却介质蒸汽及多余的冷却介质抽走，防止其对焊接过程的干扰。本发明设备简单，操作方便，技术经济效益高，能保证各种薄板构件的焊接质量。
Description
技术领域：本发明涉及一种用于在焊接结构制造中控制焊接应力和变形的采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法及装置。
背景技术：搅拌摩擦焊接技术与常见的钨极氩弧焊相比，热输入比较低，焊接结构的宏观变形小。但是，实际产品应用或研究过程中发现，搅拌摩擦焊接薄板过程中，存在焊接变形和残余应力。目前，在搅拌摩擦焊工艺中控制和消除薄板构件的焊接应力和变形，主要靠的是夹具装夹和焊后矫形。这些方法有的需要繁杂庞大的设备，有的费力耗时，有的对焊接应力和变形的控制效果有限，并且都受结构焊缝形状复杂性的影响，应用范围受到限制。
由《北京航空工艺研究所》申请的《动态控制薄板构件低应力无变形焊接法及其装置》(中国专利号ZL93101690.8)，公开了一种采用可跟随焊接热源移动的热沉，对仍处于高温的焊缝进行局部冷却，有效控制了钨极氩弧焊焊接薄壁结构时出现的焊接残余应力与变形。此项专利所公开的内容虽然在钨极氩弧焊上得到了成功的应用，但是由于搅拌摩擦焊与钨极氩弧焊的区别，此项发明不能解决在搅拌摩擦焊中薄壁结构出现的应力与变形问题。
发明内容：本发明的目的在于提供一种能够控制搅拌摩擦焊接薄壁结构时出现的应力与变形的搅拌摩擦焊接方法及装置。
本发明的技术解决方案是，采用可跟随搅拌头移动的热沉，对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却。热沉装置由装夹机构固定在安装搅拌头的机座上，该热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，进气管被包围在抽气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管的末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴，能够喷出雾化冷却水，在焊接过程中对搅拌头后部的高温焊缝金属起到快速冷却作用，从而控制焊接应力与变形，抽气管的下方连接一个用柔性耐高温材料制成的屏蔽网，此材料可以是玻璃纤维布或石棉布或金属丝刷，抽气管将冷却介质蒸汽及多余的冷却介质抽走，防止其对焊接过程的干扰。固定热沉装置的装夹机构为一个三向可调机构，热沉支臂将搅拌头与热沉连接，并由锁紧镙母控制调节热沉沿X向滑移，压紧螺钉调节热沉在Z向的运动；同时，也可调节热沉在W向的运动，搅拌头与热沉之间保持15～100mm的距离，热沉的摆动角度在0～30度。
在焊接过程中，用热沉跟随搅拌头对仍处于高温状态的焊缝局部急冷来获得强烈的拉伸作用，“搅拌头-热沉”系统是本发明独具的特点。采用可跟随搅拌头移动的热沉装置，形成“搅拌头-热沉”多源系统，在搅拌头后适当位置，对焊缝高温区金属局部急冷。利用热沉对处于高温状态的焊缝区的局部急冷，使其局部急剧收缩，就会产生对该焊缝区的强烈拉伸效应，这样就在焊接过程中控制了焊接应力与变形，防止了薄板构件的失稳变形。这种采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法不受焊缝形状和专用夹具的限制，热沉可跟随搅拌头焊接任何长度的直线、非直线、非规则焊缝，实现对薄板构件焊接应力和变形的动态控制。热沉的强度和位置可根据材料和结构的特性优选确定。本发明设备简单，操作方便，技术经济效益高，能保证各种薄板构件的焊接质量。
本发明由于采用了冷却介质管比进气管略低，进气管的直径在冷却介质管的末端处发生由大到小的变化的结构形式，因而高压气体将冷却介质管射出的液体雾化，又由于进气管比冷却介质管略长些，因而对刚刚雾化的冷却介质具有一定的导向作用，使之更加有效地作用在需要冷却的焊缝上。
本发明的另一个特点还在于热沉装置具有更加广泛的运动方向。除了X、Y、Z三向可调，每一向可调范围与已有专利不同外，在搅拌头主轴和热沉轴线构成的XZ平面上，热沉还能进行一定角度的摆动，从而使热沉与搅拌头之间的距离调节更加方便。
附图说明：
图1为采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法装置示意图；
图2a为本发明装夹机构示意图，其中，B-B为热沉的侧视图；
图2b为热沉部位放大图；
图3为采用常规搅拌摩擦焊接方法和采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法焊接后，薄壁构件上纵向残余应力的分布。
图4为采用常规搅拌摩擦焊接方法和采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法焊接后，薄板构件的纵向残余塑性应变的分布。
具体实施方式：
图1是采用介质冷却的搅拌摩擦焊焊接方法装置示意图。根据本发明所述，该系统包括搅拌头和热沉两部分。热沉包括有输送冷却介质的管6和高压气管7组合形成的介质雾化射流喷嘴和抽气管8，10为焊接工件。
搅拌头2在绕其轴线1按照转动箭头5和向下运动方向12旋转及压力作用下，摩擦地进入到待焊接的工件表面10中，并在维持转动的情况下沿箭头3的方向运动。搅拌头2的纵轴线1向焊接方向的反方向从垂直线向后倾斜。搅拌头2的运动方式及其纵轴线1向后倾斜是常见的搅拌摩擦焊的方法特征。4为轴肩。
本发明中冷却介质可根据焊接件的材料选用水、液氮或液态二氧化碳及其它冷却液。在冷却介质喷嘴外部设置一个抽气管8，可防止冷却介质汽化对焊接过程的干扰，保证焊接正常进行。抽气管与真空泵相连接，在焊接过程中，真空泵能及时将冷却介质蒸汽及剩余的冷却介质抽走，抽气管下端采用柔性耐高温材料，根据具体情况选用玻璃纤维布、石棉布、金属丝刷等制成的屏蔽网9与工件接触，实现抽气管与焊件间的动态封严。这样，热沉可跟随搅拌头适应各种形式的焊缝，实现动态控制。
在同样热沉冷却强度下，热沉不同的冷却位置对焊接应力和变形的控制效果不同。本发明将冷却介质喷嘴和抽气管固定在一个三向可调的装夹机构上，可将热沉的冷却方便调节到一个最佳位置上，还可将热沉在其轴线11与搅拌头轴线1所处的XZ平面上沿其轴线11按箭头13摆动一个角度，从而可以更加精确地调节热沉与搅拌头之间的距离。图2为搅拌头与热沉连接的装夹机构示意图。由图中可见，通过热沉支臂19将床身20与热沉单元18连接，从而将搅拌头2与热沉单元18连接起来，并由锁紧镙母14控制调节热沉沿X向滑移，从而调节热沉与搅拌头2之间的距离。压紧螺钉21调节热沉18在Z向的运动，调节热沉的位置；同时，也可调节热沉18在W向的运动，即热沉与搅拌头之间摆动的角度，通过固定W向锁紧螺母22固定W向的位置。通过雾化气输入接口17进入热沉单元的气体将通过冷却介质输入接口15进入的冷却介质雾化，而后，由真空泵通过冷却介质回收接口16将冷却介质蒸汽及多余的冷却介质抽走，避免多余的冷却介质对焊接过程的干扰。
在同一热沉冷却位置，不同的热沉强度对焊接应力和变形的控制效果不同。本发明给冷却介质和高压气流均配置了流量计，可实现对热沉强度的定量调节。
热沉冷却效果的增强。为了增强热沉对焊缝高温区的局部急冷拉伸作用，必须加强冷却介质与焊缝高温区的换热。本发明采用高压气体通过高压气流喷嘴将冷却液先行雾化后，再喷射到焊缝高温区，这样，大大增加了冷却液与焊缝的接触面积，加强了冷却液的汽化，提高了换热系数，增强了热沉的冷却效果。冷却介质管包围在进气管中，进气管在冷却介质管末端直径由大变小，导致高压气流在此处作用于冷却介质使其雾化，随即雾化后的冷却介质沿进气管的尾端喷出，定向有效地作用于高温焊缝上。
实施例：选用厚度为3mm的铝合金板，分别用常规搅拌摩擦焊焊接和采用介质冷却的搅拌摩擦焊接，两种方法规范相同，均为搅拌头主轴转速1000rpm，焊接速度300mm/min。冷却介质选用水。焊后测定分析了板内残余应力和残余塑性应变的分布情况，由图3、图4可以看到，常规焊时，焊缝区有很大的残余压缩塑性变形量，相应残余应力水平很高；而采用冷却介质后，压缩塑性变形量得以补偿和控制，残余压缩塑性应变大大降低，焊缝区的残余拉应力水平大幅度下降。由此可以看出，采用冷却介质的搅拌摩擦焊接方法，焊接薄板内的残余应力水平与残余塑性应变都得以大大降低。
本发明的焊接方法及装置，可针对待焊工件的材料特性、几何尺寸、设计或制造工艺的要求，以及达到的控制最终残余应力和变形的容限值，通过对焊接热弹塑性过程分析和测试相结合的方法优选最佳的热沉冷却强度和热沉位置，控制薄板构件的应力和变形。本发明方法适合于各种有色金属、黑色金属、合金钢和耐热合金等结构材料。并且由于热沉的局部急冷作用，对一些材料的焊缝还可以达到改善结晶组织、细化晶粒、消除裂纹的效果。在各型号的搅拌摩擦焊设备上，装备上本发明的装置，即可实现控制薄板构件应力和变形的焊接。
Claims (4)
1.一种采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法，其特征是，在搅拌头之后跟随同步运动的热沉，热沉由装夹机构固定在搅拌头的机座上，根据被焊接材料的不同，调节装夹机构，使热沉与搅拌头之间保持相应的距离，将冷却介质雾化喷射至焊缝，动态控制焊接应力与变形。
2.根据权利要求1所述的采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法，其特征是，搅拌头与热沉之间的距离保持在15～100mm，热沉的倾斜角度为0～30度。
3.一种实施权利要求1的方法的装置，其特征是，热沉由冷却介质管、高压进气管和抽气管等组成，冷却介质管被包围在进气管中，进气管被包围在抽气管中，且在热沉喷嘴出口处冷却介质管略短于进气管，进气管的末端直径变小，冷却介质管和进气管共同组成喷嘴，能够喷出雾化冷却水，抽气管的下方连接一个用柔性耐高温材料制成的屏蔽网。
4.根据权利要求1所述的采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法，其特征是，装夹机构在0～30度的角度范围内调节热沉的摆动角度。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200510105425 CN1739902A (zh) | 2005-09-28 | 2005-09-28 | 采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 200510105425 CN1739902A (zh) | 2005-09-28 | 2005-09-28 | 采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN1739902A true CN1739902A (zh) | 2006-03-01 |
Family
ID=36092512
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 200510105425 Pending CN1739902A (zh) | 2005-09-28 | 2005-09-28 | 采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN1739902A (zh) |
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100413635C (zh) * | 2006-09-29 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种随焊摩擦挤压控制焊接应力变形的装置 |
| CN100460131C (zh) * | 2007-04-24 | 2009-02-11 | 中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所 | 阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置 |
| CN102528268A (zh) * | 2010-12-17 | 2012-07-04 | 中国科学院金属研究所 | 一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺 |
| CN102615419A (zh) * | 2012-04-06 | 2012-08-01 | 江苏科技大学 | 一种搅拌摩擦焊缝干式冷却方装置及冷却方法 |
| WO2012101399A1 (en) * | 2011-01-26 | 2012-08-02 | The Boc Group Limited | Weld cooling apparatus and method using an expansible coolant and a refractory seal |
| CN102626823A (zh) * | 2012-04-24 | 2012-08-08 | 郑英 | 一种中心水冷的搅拌摩擦加工工具 |
| CN103639588A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-19 | 江苏科技大学 | 一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法 |
| CN103639587A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-19 | 江苏科技大学 | 一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法 |
| CN104014926A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-09-03 | 北京赛福斯特技术有限公司 | 无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接方法及工具 |
| CN107378228A (zh) * | 2017-07-13 | 2017-11-24 | 河海大学常州校区 | 一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法 |
| CN107414281A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-12-01 | 北京世佳博科技发展有限公司 | 降低搅拌摩擦焊接变形的装置及焊接方法 |
| CN107570862A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-01-12 | 广西南南铝加工有限公司 | 一种6系铝合金搅拌摩擦焊接构件制备工艺 |
| CN107738066A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-02-27 | 广西南南铝加工有限公司 | 一种搅拌摩擦焊接铝合金构件制备工艺 |
| CN108637437A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-10-12 | 北京工业大学 | 一种减小形变强化铝合金弧焊接头软化的方法 |
| CN111618403A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-04 | 中车四方车辆有限公司 | 一种铝合金熔化焊装置 |
| CN112743203A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-04 | 南通大学 | 一种预置双向应力随焊激冷装置及降低薄板焊接变形的方法 |
| CN113319419A (zh) * | 2021-05-17 | 2021-08-31 | 东莞材料基因高等理工研究院 | 一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置及方法 |
| CN113967783A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-01-25 | 南京工业大学 | 一种同轴喷雾冷却耦合辅助fsw的装置及使用方法 |
| CN114535777A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-05-27 | 飞成技术(佛山)有限公司 | 一种封口方法和金属板体 |
-
2005
- 2005-09-28 CN CN 200510105425 patent/CN1739902A/zh active Pending
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN100413635C (zh) * | 2006-09-29 | 2008-08-27 | 哈尔滨工业大学 | 一种随焊摩擦挤压控制焊接应力变形的装置 |
| CN100460131C (zh) * | 2007-04-24 | 2009-02-11 | 中国航空工业第一集团公司北京航空制造工程研究所 | 阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置 |
| CN102528268A (zh) * | 2010-12-17 | 2012-07-04 | 中国科学院金属研究所 | 一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺 |
| CN102528268B (zh) * | 2010-12-17 | 2014-05-07 | 中国科学院金属研究所 | 一种增强接头力学性能的搅拌摩擦焊接工艺 |
| WO2012101399A1 (en) * | 2011-01-26 | 2012-08-02 | The Boc Group Limited | Weld cooling apparatus and method using an expansible coolant and a refractory seal |
| CN102615419A (zh) * | 2012-04-06 | 2012-08-01 | 江苏科技大学 | 一种搅拌摩擦焊缝干式冷却方装置及冷却方法 |
| CN102626823A (zh) * | 2012-04-24 | 2012-08-08 | 郑英 | 一种中心水冷的搅拌摩擦加工工具 |
| CN103639587B (zh) * | 2013-11-11 | 2015-10-28 | 江苏科技大学 | 一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法 |
| CN103639588A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-19 | 江苏科技大学 | 一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法 |
| CN103639587A (zh) * | 2013-11-11 | 2014-03-19 | 江苏科技大学 | 一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法 |
| CN103639588B (zh) * | 2013-11-11 | 2015-10-07 | 江苏科技大学 | 一种用于搅拌摩擦焊的固态热沉装置及其焊接方法 |
| CN104014926B (zh) * | 2014-05-30 | 2016-08-17 | 北京赛福斯特技术有限公司 | 无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接方法及工具 |
| CN104014926A (zh) * | 2014-05-30 | 2014-09-03 | 北京赛福斯特技术有限公司 | 无倾角自顶锻搅拌摩擦焊焊接方法及工具 |
| CN107414281A (zh) * | 2017-06-05 | 2017-12-01 | 北京世佳博科技发展有限公司 | 降低搅拌摩擦焊接变形的装置及焊接方法 |
| CN107378228A (zh) * | 2017-07-13 | 2017-11-24 | 河海大学常州校区 | 一种纯铜的快速冷却搅拌摩擦焊接方法 |
| CN107570862A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-01-12 | 广西南南铝加工有限公司 | 一种6系铝合金搅拌摩擦焊接构件制备工艺 |
| CN107738066A (zh) * | 2017-10-20 | 2018-02-27 | 广西南南铝加工有限公司 | 一种搅拌摩擦焊接铝合金构件制备工艺 |
| CN107570862B (zh) * | 2017-10-20 | 2019-10-29 | 广西南南铝加工有限公司 | 一种6系铝合金搅拌摩擦焊接构件制备工艺 |
| CN108637437A (zh) * | 2018-03-21 | 2018-10-12 | 北京工业大学 | 一种减小形变强化铝合金弧焊接头软化的方法 |
| CN111618403A (zh) * | 2020-05-28 | 2020-09-04 | 中车四方车辆有限公司 | 一种铝合金熔化焊装置 |
| CN112743203A (zh) * | 2020-12-29 | 2021-05-04 | 南通大学 | 一种预置双向应力随焊激冷装置及降低薄板焊接变形的方法 |
| CN113319419A (zh) * | 2021-05-17 | 2021-08-31 | 东莞材料基因高等理工研究院 | 一种提高铝合金线性摩擦焊接接头力学性能的装置及方法 |
| CN113967783A (zh) * | 2021-10-22 | 2022-01-25 | 南京工业大学 | 一种同轴喷雾冷却耦合辅助fsw的装置及使用方法 |
| CN114535777A (zh) * | 2022-03-25 | 2022-05-27 | 飞成技术(佛山)有限公司 | 一种封口方法和金属板体 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN1739902A (zh) | 采用介质冷却搅拌摩擦焊接方法及装置 | |
| CN1739901A (zh) | 采用介质冷却的激光焊接方法及装置 | |
| CN1075277A (zh) | 动态控制薄板构件低应力无变形焊接法及其装置 | |
| Sun et al. | Investigation of droplet transfer behaviours in cold metal transfer (CMT) process on welding Ti-6Al-4V alloy | |
| CN106493574B (zh) | 一种套接空心铜管的激光熔钎焊复合焊接方法及装置 | |
| CN100460131C (zh) | 阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊接方法及装置 | |
| CN107160029A (zh) | 一种附加热源辅助搅拌摩擦焊接方法及装置 | |
| CN104801829A (zh) | 一种双向随焊超声波控制焊接变形及热裂纹的方法 | |
| CN104801830A (zh) | 一种双向随焊超声波激振装置 | |
| CN104722883A (zh) | 一种超声波随焊控制热裂纹的新方法及装置 | |
| Fan et al. | Residual stress and microstructure properties by trailing cooling of argon gas of wire and arc additive manufacturing | |
| CN106141474A (zh) | 随焊加速冷却的焊接方法及装置 | |
| Wang et al. | Experimental study of arc bubble growth and detachment from underwater wet FCAW | |
| CN113909503B (zh) | 基于微振动辅助金属零件激光增材制造装置及方法 | |
| Lei et al. | Melt flow and grain refining in laser oscillating welding of β-21S titanium alloy | |
| CN113084379A (zh) | 一种焊后残余应力和变形的调控装置及方法 | |
| CN103692063A (zh) | 一种新型焊接装置 | |
| CN203649621U (zh) | 一种新型焊接装置 | |
| WO2021174561A1 (zh) | 一种金属材料焊轧一体化复合成形方法及装置 | |
| CN217193382U (zh) | 一种随焊水冷激光拼焊装置 | |
| CN110977142B (zh) | 一种用于镁-铝合金异质工件连接的冲击搅拌摩擦焊接装置 | |
| CN108971687B (zh) | 一种薄钢板角接接头的焊接方法 | |
| CN113547215B (zh) | 基于自配分的超高强钢焊接接头强韧化的焊接装置 | |
| CN214212516U (zh) | 一种钎焊炉内局部温度控制装置 | |
| CN207309273U (zh) | 一种船用铝合金t型结构可旋转夹紧装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |