CN205551782U

CN205551782U - 高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头

Info

Publication number: CN205551782U
Application number: CN201520983596.1U
Authority: CN
Inventors: 李红军; 刘迪
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-09-07
Anticipated expiration: 2025-12-02

Abstract

本实用新型公开了一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，所述搅拌头包括与机床接触部位和工作部位；所述与机床接触部位包括搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)；所述工作部位包括轴肩(3)、搅拌针(4)；所述搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)、轴肩(3)、搅拌针(4)从上到下依次相互固定；所述搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)外表面分别设置热障涂层(5)。

Description

高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头

技术领域

本实用新型涉及一种搅拌摩擦焊接用搅拌头，尤其是一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)是一种在焊接过程中被焊材料不发生熔化的固相焊接技术，搅拌头是搅拌摩擦焊接过程中的关键工具。搅拌摩擦焊完成焊接的原理是，机床主轴带动搅拌摩擦焊搅拌头高速旋转，同时搅拌头的搅拌针插入焊缝，搅拌头轴肩与被焊材料表面产生剧烈摩擦产生焊接所需要的热量，使被焊材料加热到高塑性状态，同时高速旋转的搅拌针带动焊缝周围材料发生剧烈的塑性流动，焊缝因材料的剧烈搅动及轴肩对其施加的压力下完成焊合。在焊接过程中焊缝周围材料处于高塑性固体状态而未发生熔化，因此其是一种区别于熔化焊的固态焊接技术，且相比于熔化焊，搅拌摩擦焊具有能量消耗少、焊缝美观性能好、焊接过程中不产生有害气体等优点。

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头处于高温状态，在焊接铝合金材料时，搅拌头与焊接金属接触部位的温度约为400～500℃，而在焊接钢材等高熔点金属时，搅拌头温度可高达1000℃以上。因搅拌头在工作时装夹在机床主轴上，搅拌头在工作时产生的热量会不可避免地传向机床主轴，从而导致机床主轴温度升高，而主轴温度过高会严重影响主轴的寿命及加工精度，目前为防止主轴温度过高，一般采用对主轴进行水冷散热等方式进行降温，该方法不仅设备复杂成本高，且其从主轴带走的热量也被浪费掉了，不利于能量的高效利用。

热障涂层(Thermal barrier coatings,简称TBCs)，是一种通常用在金属制品表面，用以降低基体金属工作温度、改善其热疲劳和抗氧化、腐蚀、磨损性能的，具有良好隔热效果的陶瓷涂层。热障涂层技术最早被用于火箭发动机和燃气涡轮机叶片，用以提高其耐高温及耐腐蚀性能。目前，在涡轮机叶片应用热障涂层，可降低基体金属温度达170℃左右。

实用新型内容

本实用新型为解决搅拌摩擦焊接过程中主轴温度过高及对主轴采用水冷散热时成本高且能量利用率低的问题，设计了一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头。该搅拌头能有效减少搅拌头向机床主轴传递的热量，防止主轴温度过高，同时避免了对主轴采用水冷散热等方法进行降温时产生的热量损失。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，所述搅拌头包括与机床接触部位和工作部位；所述与机床接触部位包括搅拌头装夹柄、装夹柄端部；所述工作部位包括轴肩、搅拌针；所述搅拌头装夹柄、装夹柄端部、轴肩、搅拌针从上到下依次相互固定；所述搅拌头装夹柄、装夹柄端部外表面分别设置热障涂层。

作为对本实用新型所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的改进：所述热障涂层为导热性能差的低热导率材料。

作为对本实用新型所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的进一步改进：所述热障涂层的厚度为50～500μm。

作为对本实用新型所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的进一步改进：所述热障涂层的结构包括由粘结层及陶瓷层构成的双层结构，由粘结层、封阻层、陶瓷层构成的多层结构，和由粘结层及成分连续变化的陶瓷层构成的梯度结构。

作为对本实用新型所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的进一步改进：所述热障涂层具有与搅拌头装夹柄、装夹柄端部一体结构式或者可分离结构式两种结合方式。

作为对本实用新型所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的进一步改进：所述热障涂层通过等离子喷涂法、电子束物理气相沉积法、超音速火焰喷涂法、激光重熔法或者化学气相沉积法设置。

作为对本实用新型所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的进一步改进：所述热障涂层是用6～8％Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷热障涂层。

一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的热障涂层加工方法，将搅拌头装夹柄去除一定厚度；对搅拌头装夹柄的金属基体表面进行预处理；对搅拌头进行预热；用等离子喷涂法对搅拌头装夹柄均匀地喷涂一定厚度的热障涂层。

作为对一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的热障涂层加工方法的改进：所述搅拌头装夹柄去除的厚度为热障涂层的厚度。

作为对一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的热障涂层加工方法的进一步改进：所述预处理步骤包括清除表面油污、锈、氧化层等以及对表面进行粗化处理。

本实用新型在搅拌头与机床主轴相接触的部位喷涂一定厚度的热障涂层，该热障涂层的成分包含但不限于用6～8％Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷热障涂层，对搅拌头加工热障涂层的方法包含但不限于等离子喷涂法、电子束物理气相沉积法等，该热障涂层的结构包含但不限于由粘结层及陶瓷层构成的双层结构，由粘结层、封阻层、陶瓷层等构成的多层结构，和由粘结层及成分连续变化的陶瓷层构成的梯度结构。通过这种构造，形成的强效的隔热层，使得在使用过程中产生的高温在传播过程中的速度极大的减缓，在加工过程中，不需要通过其他的降温工序即实现降温的效果，极大的延长相关设备的运行寿命，且不会增加加工工序的成本。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是典型搅拌摩擦焊接用搅拌头的结构示意；

图2是本实用新型搅拌头装夹柄部位局部剖面图。

具体实施方式

实施例1、图1～图2给出一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头及方法。

如图1所示，为高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头的结构示意，包括搅拌头装夹柄1、装夹柄端部2、轴肩3、搅拌针4。搅拌头装夹柄1、装夹柄端部2、轴肩3、搅拌针4以从上到下的顺序依次相互固定连接。其搅拌头装夹柄1、装夹柄端部2是与机床主轴相接触的部位。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头轴肩3的端面及搅拌针与材料发生剧烈摩擦产生焊接所需要的热量，所产生热量其中一部分传递到被焊工件，还有一部分通过搅拌头(装夹柄端部2、搅拌头装夹柄1)传向机床主轴，传向机床主轴的这部分热量不仅对焊接不起促进作用，还会导致机床主轴温度升高从而影响其寿命。

如图2所示，本实用新型所述新型搅拌头在图1中搅拌头装夹柄1、装夹柄端部2的部位喷涂热障涂层5，该热障涂层5因其热导率低，可显著减少搅拌摩擦焊接过程中由搅拌头传向机床主轴的热量，从而避免因主轴温度过高进而影响其寿命的问题。使用该实用新型所述搅拌摩擦焊接用搅拌头进行焊接，由于从根本上避免了主轴温度过高的问题，主轴无需再进行额外的冷却，减少了主轴冷却系统的投入及维护成本。同时，采用本实用新型实施焊接可减少因搅拌头向主轴传热所造成的热量损失，有利于提高焊接时的能量利用效率，从而在不降低焊接接头性能的前提下减少能耗或提高焊接效率。

如图2所示，本实用新型在图1中1和2的部位增加热障涂层5。

具体的，该热障涂层5的材料为用6～8％Y₂O₃稳定的ZrO₂陶瓷热障涂层5；该涂层的喷涂方法为等离子喷涂法；该涂层的厚度为50～500μm。

其具体加工方法为：

1.用车床等将图1中搅拌头装夹柄1、装夹柄端部2部位去除一定厚度以给喷涂热障涂层5留出空间，或直接加工出适合喷涂尺寸的搅拌头；

2.对图2中需要喷涂热障涂层5的金属基体表面进行预处理，该预处理包括清除表面油污、锈、氧化层等以及对表面进行粗化处理以满足喷涂要求；

3.在喷涂前对搅拌头进行预热；

4.用等离子喷涂法对搅拌头图2中1所示的部位均匀地喷涂一定厚度的热障涂层5。

以上所述的热障涂层5的一定厚度与在搅拌头装夹柄1、装夹柄端部2上去除的一定厚度为相一致，通过这种方式使得可以现有的搅拌头进行改装，使其适应这种设置隔热层的加工环境，并且不必要为了适应该搅拌头而改进相关设备。

对比于现有技术上的摩擦焊搅拌头，本实用新型的搅拌头由于采用的隔热层技术，阻止在搅拌头实际使用过程中产生的高温向机床主轴传递，延长机床主轴的使用寿命，且在不增加外置的降温设备的前提下，就可以达到外置降温设备的相同技术效果。而本实用新型中，针对隔热层的厚度设置为50～500μm，这种厚度的隔热层处理时不会对搅拌头产生机械损伤，且在具体的时候时候，也不会由于隔热层导致搅拌头的金属特性发生巨大变化而导致原先的装夹设备无法完全匹配该搅拌头的情况出现。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本实用新型的一个具体实施例。显然，本实用新型不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本实用新型公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是：所述搅拌头包括与机床接触部位和工作部位；

所述与机床接触部位包括搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)；

所述工作部位包括轴肩(3)、搅拌针(4)；

所述搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)、轴肩(3)、搅拌针(4)从上到下依次相互固定；

所述搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)外表面分别设置热障涂层(5)。

2.根据权利要求1所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是：所述热障涂层(5)为导热性能差的低热导率材料。

3.根据权利要求2所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是：所述热障涂层(5)的厚度为50～500μm。

4.根据权利要求3所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是：所述热障涂层(5)的结构包括由粘结层及陶瓷层构成的双层结构，由粘结层、封阻层、陶瓷层构成的多层结构，和由粘结层及成分连续变化的陶瓷层构成的梯度结构。

5.根据权利要求4所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是：所述热障涂层(5)具有与搅拌头装夹柄(1)、装夹柄端部(2)一体结构式或者可分离结构式两种结合方式。

6.根据权利要求5所述的高效、隔热的搅拌摩擦焊搅拌头，其特征是：所述热障涂层(5)通过等离子喷涂法、电子束物理气相沉积法、超音速火焰喷涂法、激光重熔法或者化学气相沉积法设置。