CN207272424U - 一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，包括焊机主轴、安装在焊机主轴上的夹持装置和安装在夹持装置上的搅拌头；所述的搅拌头包括圆柱形的夹持部和设置在夹持部一端端面上的搅拌针，所述的夹持部与焊机主轴同轴设置，所述的焊机主轴内设置有冷却孔；所述的冷却孔内设置有进水管和出水管。本实用新型的有益效果是：本实用新型能够在焊接的过程中，对主轴进行实时冷却，从而能够及时的降低主轴的温度，并使主轴的工作温度保持在安全的范围内，避免主轴过热而停转，有利于实现连续加工。

Description

一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具

技术领域

本实用新型涉及搅拌摩擦焊领域，具体的说，是一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具。

背景技术

搅拌摩擦焊（FSW）是世界范围内最新型的固相连接技术，也是世界焊接技术发展史上自发明到应用时间跨度最短的连接技术。从发明至今，搅拌摩擦焊技术已经成功应用于铝、镁等低熔点材料的焊接并取得了很好的效果。为扩大该技术的应用范围，人们正在开展诸如钢、钛等高熔点材料的搅拌摩擦焊接研究，所遇到的主要挑战就是焊具结构设计问题。焊具结构不合适，会造成搅拌头过度磨损和焊接主轴过热停转等问题，严重影响搅拌摩擦焊接过程的稳定性和焊接质量的可靠性。

针对钛合金等高熔点材料搅拌摩擦焊接所面临的问题，人们主要从搅拌头材料的选择进行了改进，认为钨基合金或聚晶立方氮化硼是合适的搅拌头材料。但即使搅拌头材料选择合适，由于钛合金的焊接温度较高，仍然存在搅拌头的高温磨损和焊接主轴因过热而停转的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种能够有效防止主轴过热而导致停机、减小高温磨损的钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具。

本实用新型通过下述技术方案实现：一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，包括焊机主轴、安装在焊机主轴上的夹持装置和安装在夹持装置上的搅拌头；所述的搅拌头包括圆柱形的夹持部和设置在夹持部一端端面上的搅拌针，所述的夹持部与焊机主轴同轴设置，所述的焊机主轴内设置有冷却孔；所述的冷却孔内设置有进水管和出水管。本方案利用进水管向冷却孔通入冷却液，再从出水管排出，能够在焊机主轴转动的过程中对焊机主轴实时冷却，从而降低焊机主轴工作温度，避免了焊机主轴的高温磨损以及过热停转等问题，由于焊机主轴与夹持装置、夹持装置与搅拌头之间的热传导，还能够间接地降低夹持装置和搅拌头的温度，而避免夹持装置和搅拌头高温磨损。有利于延长焊机主轴、夹持装置和搅拌头的使用寿命，并且能够适用于焊接温度较高的场所，提高了搅拌摩擦焊的适用范围。

所述的冷却孔与焊机主轴同轴设置。以此便于使焊机主轴能够均匀的冷却，并避免焊机主轴质量分布不均匀而导致的窜动现象。

所述的焊机主轴上设置有与冷却孔同轴的主轴安装孔，所述的夹持装置安装在主轴安装孔内；所述的夹持装置上设置有与主轴安装孔同轴的夹持安装孔，所述的搅拌头安装在夹持安装孔内。以此有利于使焊机主轴、夹持装置和搅拌头同轴设置，并且使质量均匀分布，有利于防止质量分布不均匀而导致的窜动现象，通过轴与孔的配合还能够提高焊机主轴与夹持装置之间、夹持装置与搅拌头之间的连接强度，有利于保证焊机主轴、夹持装置和搅拌头同步转动，避免相互之间产生摩擦而导致磨损。

所述的夹持装置内设置有与冷却孔同轴、等径且连通的夹持冷却孔。以此能够使冷却液进入到夹持冷却孔内而使冷却液直接与夹持装置接触，使得冷却液能够对夹持装置进行冷却，从而提高夹持装置的冷却效果，有利于避免夹持装置高温磨损而延长使用寿命。

所述的夹持冷却孔与夹持安装孔连通；所述的夹持安装孔的长度小于搅拌头的长度。以此能够实现搅拌头伸入到夹持冷却孔内，从而使搅拌头能够与冷却液直接接触，从而使冷却液直接对搅拌头进行冷却，有利于提高搅拌头的冷却效果。

所述的夹持部与搅拌针之间设置有轴肩。以此在工作时，能够利用轴肩将工件对搅拌针的压力传递至夹持装置，并对搅拌针进行限位，有利于提高搅拌针的位置精度从而保证搅拌摩擦焊接时的焊接精度。

所述的焊机主轴与夹持装置之间、夹持装置与搅拌头之间均设置有密封圈。以此能够提高密封性能，避免冷却液泄漏而影响焊接精度。

所述的焊机主轴与夹持装置螺纹连接，夹持装置与搅拌头螺纹连接。以此能够使焊机主轴、夹持装置和搅拌头同步转动，从而使得密封圈保持静态密封，避免密封圈因为摩擦而损坏，有利于延长密封圈的使用寿命并保证良好的密封性能。

所述的进水管在冷却孔内的伸入长度大于出水管在冷却孔内的伸入长度。以此能够延长冷却液在冷却孔内的滞留时间，从而使得冷却能够充分进行，提高冷却液的利用效率。

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本实用新型能够在焊接的过程中，对主轴进行实时冷却，从而能够及时的降低主轴的温度，并使主轴的工作温度保持在安全的范围内，避免主轴过热而停转，有利于实现连续加工。

附图说明

图1为本方案的结构示意图；

图2为搅拌头的结构示意图；

图3为夹持装置的结构示意图；

图4为焊机主轴的结构示意图；

其中1-搅拌头，11-夹持部，12-轴肩，13-搅拌针，2-夹持装置，21-夹持冷却孔，22-夹持安装孔，3-焊机主轴，31-冷却孔，32-主轴安装孔，4-进水管，5-出水管。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1：

本实施例中，一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，包括焊机主轴3、安装在焊机主轴3上的夹持装置2和安装在夹持装置2上的搅拌头1。所述的搅拌头1包括圆柱形的夹持部11和设置在夹持部11一端端面上的搅拌针13，所述的夹持部11与焊机主轴3同轴设置，所述的焊机主轴3内设置有冷却孔31。所述的冷却孔31内设置有进水管4和出水管5。使搅拌针13与待焊接的零件接触，其接触处位于两个零件之间的焊缝处，利用机床的传动机构带动焊机主轴3转动，焊机主轴3通过夹持装置2带动搅拌头1相对工件转动摩擦，从而使工件与搅拌头1接触的地方热熔而焊在一起，利用机床的传动机构带动焊机主轴3沿焊缝的方向移动即可实现两个工件的焊接。在焊接的过程中，由于搅拌针13与工件高速摩擦而产生大量的热量，搅拌针13的转速越快产生的热量越高，经过热传导，搅拌针13将热量转移到搅拌头1、夹持装置2以及焊机主轴3上，本实施例中，通过在焊机主轴3内设置冷却孔31，能够利用进水管4向冷却孔31通入冷却液，使用冷却液对焊机主轴3通过热交换的方式进行冷却，再将冷却后变热的冷却液从出水管5排出。以此能够在焊机主轴3转动的过程中对焊机主轴3进行实时冷却，从而降低焊机主轴3工作温度，避免了焊机主轴3的高温磨损以及过热停转等问题。由于焊机主轴3与夹持装置2、夹持装置2与搅拌头1之间的热传导，还能够间接地降低夹持装置2和搅拌头1的温度，而避免夹持装置2和搅拌头1高温磨损。以此能够使焊机主轴3、夹持装置2和搅拌头1在安全的温度范围内持续工作，有利于延长焊机主轴3、夹持装置2和搅拌头1的使用寿命，并且能够适用于焊接温度较高的场所，提高了搅拌摩擦焊的适用范围。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的冷却孔31与焊机主轴3同轴设置。以此便于使焊机主轴3能够均匀的冷却，并避免焊机主轴3质量分布不均匀而导致的窜动现象。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例3：

在上述实施例的基础上，本实施例中，如图4所示，所述的焊机主轴3上设置有与冷却孔31同轴的主轴安装孔32，所述的夹持装置2安装在主轴安装孔32内。所述的夹持装置2上设置有与主轴安装孔32同轴的夹持安装孔22，所述的搅拌头1安装在夹持安装孔22内。如图1所示，以此有利于使焊机主轴3、夹持装置2和搅拌头1同轴设置，并且使质量均匀分布，有利于防止质量分布不均匀而导致的窜动现象，通过轴与孔的配合还能够提高焊机主轴3与夹持装置2之间、夹持装置2与搅拌头1之间的连接强度，有利于保证焊机主轴3、夹持装置2和搅拌头1同步转动，避免相互之间产生摩擦而导致磨损。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例4：

如图3所示，在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的夹持装置2内设置有与冷却孔31同轴、等径且连通的夹持冷却孔21。以此能够使冷却液进入到夹持冷却孔21内而使冷却液直接与夹持装置2接触，使得冷却液能够对夹持装置2进行冷却，从而提高夹持装置2的冷却效果，有利于避免夹持装置2高温磨损而延长使用寿命。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例5：

在上述实施例4的基础上，本实施例中，所述的夹持冷却孔21与夹持安装孔22连通；所述的夹持安装孔22的长度小于搅拌头1的长度。以此能够实现搅拌头1伸入到夹持冷却孔21内，从而使搅拌头1能够与冷却液直接接触，从而使冷却液直接对搅拌头1进行冷却，有利于提高搅拌头1的冷却效果。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例6：

如图2所示，在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的夹持部11与搅拌针13之间设置有轴肩12。以此在工作时，能够利用轴肩12将工件对搅拌针13的压力传递至夹持装置2，并对搅拌针13进行限位，有利于提高搅拌针13的位置精度从而保证搅拌摩擦焊接时的焊接精度。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例7：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的焊机主轴3与夹持装置2之间、夹持装置2与搅拌头1之间均设置有密封圈。以此能够提高密封性能，避免冷却液泄漏而影响焊接精度。密封圈的设置为本领域技术人员的惯用手段，此处不对密封圈的具体结构和工作原理进行赘述。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例8：

在上述实施例7的基础上，本实施例中，所述的焊机主轴3与夹持装置2螺纹连接，夹持装置2与搅拌头1螺纹连接。以此能够使焊机主轴3、夹持装置2和搅拌头1同步转动，从而使得密封圈保持静态密封，避免密封圈因为摩擦而损坏，有利于延长密封圈的使用寿命并保证良好的密封性能。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例9：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的进水管4在冷却孔31内的伸入长度大于出水管5在冷却孔31内的伸入长度。以此能够延长冷却液在冷却孔31内的滞留时间，从而使得冷却能够充分进行，提高冷却液的利用效率。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例10：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的搅拌头1采用钨铼合金制成，钨铼合金具有良好的强度性能，并且其熔点为3360℃，高于大多数的金属，能够在加工的过程中保证自身不会熔化而融入到被焊接的零件中，有利于保证搅拌头1的使用寿命。使夹持部11、轴肩12和搅拌针13一体成型有利于保证搅拌头1整体的强度以及刚性，有利于保证搅拌头1的使用寿命。并且由于钨铼合金的熔点高，使得搅拌头1耐高温性能良好，有利于降低加工后搅拌头1内的残余应力，避免搅拌头1因应力而损坏。所述的夹持装置2采用镍基合金制成，以此能够提高夹持装置2的耐高温性能。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例11：

在上述实施例的基础上，本实施例中，搅拌针13的直径为工件厚度的2~5倍，以此能够增加搅拌针13与工件的接触面积，从而增加工件的热熔区域，能够使工件表面更多的金属熔化而焊接在一起，从而增加工件焊接强度。搅拌针长度比工件的厚度小0.1~0.3mm，以此减小搅拌针13折断的风险，并减少制造搅拌针13的材料，从而降低加工成本。本实施例中，其他未描述的部分与上述实施例的内容相同，故不赘述。

实施例12：

在上述实施例的基础上，本实施例中，所述的主轴安装孔32的长度为夹持装置2整体长度的二分之一，以此在保证焊机主轴3与夹持装置2具有足够连接强度以及刚性的条件下，减少材料的浪费，降低加工成本。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例，并非对本实用新型做任何形式上的限制，凡是依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，包括焊机主轴（3）、安装在焊机主轴（3）上的夹持装置（2）和安装在夹持装置（2）上的搅拌头（1）；所述的搅拌头（1）包括圆柱形的夹持部（11）和设置在夹持部（11）一端端面上的搅拌针（13），所述的夹持部（11）与焊机主轴（3）同轴设置，其特征在于：所述的焊机主轴（3）内设置有冷却孔（31）；所述的冷却孔（31）内设置有进水管（4）和出水管（5）。

2.根据权利要求1所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的冷却孔（31）与焊机主轴（3）同轴设置。

3.根据权利要求2所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的焊机主轴（3）上设置有与冷却孔（31）同轴的主轴安装孔（32），所述的夹持装置（2）安装在主轴安装孔（32）内；所述的夹持装置（2）上设置有与主轴安装孔（32）同轴的夹持安装孔（22），所述的搅拌头（1）安装在夹持安装孔（22）内。

4.根据权利要求3所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的夹持装置（2）内设置有与冷却孔（31）同轴、等径且连通的夹持冷却孔（21）。

5.根据权利要求4所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的夹持冷却孔（21）与夹持安装孔（22）连通；所述的夹持安装孔（22）的长度小于搅拌头（1）的长度。

6.根据权利要求1、2、3、4、5中任一项所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的夹持部（11）与搅拌针（13）之间设置有轴肩（12）。

7.根据权利要求6所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的焊机主轴（3）与夹持装置（2）之间、夹持装置（2）与搅拌头（1）之间均设置有密封圈。

8.根据权利要求7所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的焊机主轴（3）与夹持装置（2）螺纹连接，夹持装置（2）与搅拌头（1）螺纹连接。

9.根据权利要求1、2、3、4、5、7、8中任一项所述的一种钛合金搅拌摩擦焊接用组合式水冷焊具，其特征在于：所述的进水管（4）在冷却孔（31）内的伸入长度大于出水管（5）在冷却孔（31）内的伸入长度。