專利名稱：一種局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于技術(shù)材料加工焊接技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及水冷卻攪拌摩擦焊接裝置。
背景技術(shù)：
攪拌摩擦焊(FSW)自1991年TWI發(fā)明以來得到了廣泛的研究和應(yīng)用，特別是在低熔點易氧化的鋁、鎂及其合金焊接方面優(yōu)勢明顯，并在銅、鈦、復(fù)合材料及異種材料的焊接等領(lǐng)域得到廣泛研究與推廣應(yīng)用。但是攪拌摩擦焊接過程實質(zhì)是一個不均勻、不穩(wěn)定、動態(tài)的熱力學(xué)、塑性流變學(xué)和傳熱、傳質(zhì)與相變過程，從根本上導(dǎo)致接頭溫度、流變、組織和性能的非對稱、非均勻和非連續(xù)性，從而使接頭多因“弱連接”而破壞并導(dǎo)致接頭強度系數(shù)下降。為了解決“弱連接”現(xiàn)象，有很多學(xué)者和研究人員研究通過水浸或水霧冷卻的措施來給焊縫降溫，從而提高了 FSW焊接各層的強度、硬度及整體均勻性；或采用動態(tài)控制低應(yīng)力無變形焊接法原理，涉及水霧化熱沉系統(tǒng)，一定程度上控制FSW過程的熱塑性應(yīng)力應(yīng)變場。但水浸和水霧冷卻都存在不足之處，那就是使焊接操作變得更加復(fù)雜，更為嚴(yán)重的是易產(chǎn)生吸氫缺陷和腐蝕，影響了焊接接頭質(zhì)量。

因此尋找一種既能發(fā)揮水冷卻效果、又能避免吸氫缺陷和腐蝕的措施或裝置，成為了一個新的重要任務(wù)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，在水浸冷卻的同時能實現(xiàn)局部排水半干狀態(tài)下進(jìn)行攪拌摩擦，從而避免吸氫和易腐蝕缺陷。技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，包括導(dǎo)氣桿、攪拌摩擦頭、風(fēng)葉和氣罩，所述導(dǎo)氣桿為內(nèi)部設(shè)有風(fēng)道的圓柱體，上端設(shè)有進(jìn)氣孔，下端固接有所述攪拌摩擦頭，風(fēng)道側(cè)壁設(shè)有出氣孔；所述風(fēng)葉設(shè)在導(dǎo)氣桿下端的圓周上；所述氣罩與導(dǎo)氣桿側(cè)壁連接，且風(fēng)葉和出氣孔處于氣罩與導(dǎo)氣桿之間的內(nèi)部腔體中。作為優(yōu)選，所述氣罩為上窄下寬的軸對稱結(jié)構(gòu)，且氣罩下端緣高于攪拌摩擦頭的最下端。在焊接過程中，氣罩能隨導(dǎo)氣桿高速平穩(wěn)旋轉(zhuǎn)，且氣罩局部浸入水中時氣流浸入氣罩的內(nèi)部腔體時更加利于氣體從氣罩邊緣排出；同時罩下端緣高于攪拌摩擦頭的最下端能防止氣罩下端緣與被焊工件接觸磨損。進(jìn)一步改進(jìn)，所述風(fēng)葉有兩組，分兩層設(shè)在導(dǎo)氣桿的圓周上。將本焊接裝置浸入水中時，初始時下層風(fēng)葉浸入水中，而上層風(fēng)葉則在液面以上，當(dāng)導(dǎo)氣桿開始旋轉(zhuǎn)時下層風(fēng)葉旋轉(zhuǎn)能快速將氣罩內(nèi)腔部分水排出，同時上層風(fēng)葉產(chǎn)生氣體推力協(xié)同使氣罩內(nèi)腔的水向下運動并將全部水排出。進(jìn)一步的，所述出氣孔為斜向下方式，從而利用導(dǎo)氣桿氣道內(nèi)的氣流迅速排出進(jìn)入氣罩內(nèi)腔。有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:這是一種新式的攪拌摩擦焊具，不需要額外的壓縮空氣源，利用攪拌摩擦焊具自身的裝置即可在焊接位置附近形成局部空氣環(huán)境；形成的局部空氣環(huán)境可有效避免水分進(jìn)入焊縫，這有利于進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量；結(jié)構(gòu)簡單、實用性強。該局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具部件較少、成本低廉、容易實現(xiàn)且裝配方便，這對于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。


圖1為本發(fā)明所述局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，導(dǎo)氣桿1、攪拌摩擦頭2、氣罩3、上層風(fēng)葉4、下層風(fēng)葉5、進(jìn)氣孔6、出氣孔7、被焊工件8、液面9。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。如圖1所示，一種局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，主要包括以下結(jié)構(gòu)部件:氣罩3、導(dǎo)氣桿1、攪拌摩擦頭2、上層風(fēng)葉4和下層風(fēng)葉5，其中導(dǎo)氣桿I可采用常規(guī)低碳鋼或合金鋼材料制成的圓柱體，其內(nèi)部為局部空心，該空心部分作為氣道，圓柱體一端為進(jìn)氣孔6，氣道尾端的圓柱體側(cè)壁上設(shè)有多個斜向下的出氣孔7。所述氣罩3采用輕質(zhì)合金或塑料制成的上窄下寬的軸對稱鐘形結(jié)構(gòu)，該氣罩3通過螺栓緊固在導(dǎo)氣桿I的外壁上，并將出氣孔7罩入其內(nèi)部空腔中。上層風(fēng)葉4和下層風(fēng)葉5采用輕質(zhì)合金或塑料制成，并通過螺栓或螺釘固定在導(dǎo)氣桿I下端的圓周上。

在焊接過程中，氣罩3的局部浸入水中；對氣罩3的安裝應(yīng)滿足以下條件:使氣罩3的下端略高于攪拌摩擦頭2的位置，以避免氣罩3在焊接過程中與被焊工件8接觸而磨損；氣罩3的上部與導(dǎo)氣桿I相配合，使用螺釘即可實現(xiàn)兩者的緊固連接。上層風(fēng)葉4和下層風(fēng)葉5位于氣罩3的內(nèi)部空腔，用于產(chǎn)生氣體推力，促使空氣經(jīng)過進(jìn)氣孔6、出氣孔7、流過氣罩3后排出；該攪拌摩擦頭2在工作時，浸入水中的部分不能過深，以液面9略超過下層風(fēng)葉5為宜，原因在于浸入液面9過深，會增加排水量以及排水所需要的風(fēng)壓，而風(fēng)葉一旦制造完畢，在最高轉(zhuǎn)速條件下，所能產(chǎn)生的風(fēng)壓是一定的。該攪拌摩擦焊具在工作時，使上層風(fēng)葉4和下層風(fēng)葉5產(chǎn)生向下氣流的旋轉(zhuǎn)方向即是旋轉(zhuǎn)方向。由于初始狀態(tài)下，液面9位于下層葉片和上層葉片之間；當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)之后，下層葉片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的推力使氣罩3內(nèi)的部分水向下運動并被迅速擠出氣罩3，而上層葉片旋轉(zhuǎn)則能產(chǎn)生氣體推力，在這兩個葉片所產(chǎn)生的氣體推力作用下，氣罩3內(nèi)的水被完全排出；一段時間后，當(dāng)風(fēng)葉達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速時，就會產(chǎn)生更強的氣流流過氣罩3，并從氣罩3的底部溢出，從而在攪拌摩擦頭2周圍形成一個局部空氣環(huán)境，此時即可開始正式焊接。由于攪拌摩擦焊時，焊接區(qū)的溫度很高(可達(dá)到600°C)，殘留在被焊工件8與攪拌摩擦頭2接觸位置的水滴被迅速汽化，在流經(jīng)的氣流帶動下，迅速被排出氣罩3，從而保證焊接區(qū)域內(nèi)保持干燥的空氣環(huán)境。
本發(fā)明所述的攪拌摩擦焊具的安裝方法如下:(I)將攪拌摩擦頭2安裝于導(dǎo)氣桿I的下端；(2)將上層風(fēng)葉4和下層風(fēng)葉5安裝于導(dǎo)氣桿I上；(3)將導(dǎo)氣桿I從下往上穿過氣罩3，并采用螺栓將兩者緊固連接；(4)通過導(dǎo)氣桿I將整個攪拌摩擦焊具安裝在攪拌摩擦焊機的機頭上，從而結(jié)束安裝。該攪拌摩擦焊具準(zhǔn)備焊接的主要流程與步驟:(I)安裝攪拌摩擦焊具；(2)將被焊工件8固定于水中，在水中的深度以下一步中攪拌摩擦焊具進(jìn)入水中后、液面9位于上層葉片和下層葉片之間為宜；(3)焊機機頭向下運動，使攪拌摩擦焊具逐漸浸入水中；(4)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)；(5)當(dāng)氣罩3中水被吹空后，可以正式開始焊接；
(6)焊接結(jié)束后，為了防止冷卻太快導(dǎo)致攪拌摩擦頭2粘在被焊工件8上，需要逐漸提升并繼續(xù)旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊具，一段時間后，停止旋轉(zhuǎn)焊接結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，其特征在于:包括導(dǎo)氣桿、攪拌摩擦頭、風(fēng)葉和氣罩，所述導(dǎo)氣桿為內(nèi)部設(shè)有風(fēng)道的圓柱體，上端設(shè)有進(jìn)氣孔，下端固接有所述攪拌摩擦頭，風(fēng)道側(cè)壁設(shè)有出氣孔；所述風(fēng)葉設(shè)在導(dǎo)氣桿下端的圓周上；所述氣罩與導(dǎo)氣桿側(cè)壁連接，且風(fēng)葉和出氣孔處于氣罩與導(dǎo)氣桿之間的內(nèi)部腔體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述氣罩為上窄下寬的軸對稱結(jié)構(gòu)，且氣罩下端緣高于攪拌摩擦頭的最下端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述風(fēng)葉有兩組，分兩層設(shè)在導(dǎo)氣桿的圓周上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，其特征在于:出氣孔為斜向下 方式。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種局部排水-半干式水下攪拌摩擦焊具，包括導(dǎo)氣桿、攪拌摩擦頭、風(fēng)葉和氣罩，所述導(dǎo)氣桿為內(nèi)部設(shè)有風(fēng)道的圓柱體，上端設(shè)有進(jìn)氣孔，下端固接有所述攪拌摩擦頭，風(fēng)道側(cè)壁設(shè)有出氣孔；所述風(fēng)葉設(shè)在導(dǎo)氣桿下端的圓周上；所述氣罩與導(dǎo)氣桿側(cè)壁連接，且風(fēng)葉和出氣孔處于氣罩與導(dǎo)氣桿之間的內(nèi)部腔體中。本發(fā)明的水下攪拌摩擦焊具，結(jié)構(gòu)簡單、實用性強；不需要額外的壓縮空氣源，利用攪拌摩擦焊具自身的裝置即可在焊接位置附近形成局部空氣環(huán)境；形成的局部空氣環(huán)境可有效避免水分進(jìn)入焊縫，這有利于進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量。
文檔編號B23K20/12GK103212780SQ20131015630
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者陳書錦, 胡森, 蘆笙, 王斐 申請人:江蘇科技大學(xué)