一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法,平面熱管裝置包括第一平面熱管組件和第二平面熱管組件,將平面熱管同時(shí)施加在焊縫兩側(cè)及其上表面,分別將其冷凝段伸出至試板外部并伸入到可調(diào)節(jié)流速的水槽內(nèi)。第一平面熱管可將已焊部位熱量傳導(dǎo)至待焊位置,強(qiáng)化對(duì)試板的事先預(yù)熱,第二平面熱管對(duì)仍處于高溫狀態(tài)下的焊縫進(jìn)行散熱降溫。本發(fā)明不需將液態(tài)介質(zhì)引入待焊工件表面或焊接區(qū)域,結(jié)構(gòu)緊湊、易于制作、可靠性高,可使熱源溫度控制在合理的溫升范圍內(nèi),可及時(shí)有效地對(duì)處于高溫狀態(tài)的焊縫進(jìn)行高效的散熱,并將焊接熱源的余熱有效傳導(dǎo)至待焊工件,降低攪拌工具的摩擦、磨損,同時(shí),達(dá)到改善焊縫組織,最終提高焊縫綜合性能的目的。
【專利說(shuō)明】一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法,屬于能源動(dòng)力及材料工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一種新型的固相連接技術(shù),克服了熔焊方法容易產(chǎn)生裂紋和氣孔等焊接缺陷的問(wèn)題,使得以往難于熔焊的某些材料實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)的焊接,并在焊接鋁、鎂及其合金等領(lǐng)域具有不可替代的明顯優(yōu)勢(shì)。在攪拌摩擦焊過(guò)程中,攪拌頭與被焊材料摩擦產(chǎn)生高溫,攪拌頭周?chē)牧线M(jìn)入熱塑化狀態(tài),并在熱和力的作用下發(fā)生擴(kuò)散與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。然而,通常條件下,攪拌摩擦焊過(guò)程都是在空氣等介質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行,環(huán)境介質(zhì)熱物理性質(zhì)較差,在焊接過(guò)程中難以充分吸收、散失摩擦產(chǎn)熱,不利于焊縫的快速冷卻和獲得均勻、較窄的焊接溫度場(chǎng)。同時(shí),在焊縫兩側(cè)形成了較寬的熱影響區(qū),極易造成焊縫組織的粗大與不均勻性,并導(dǎo)致較大的焊接殘余熱應(yīng)力,從而降低焊縫的力學(xué)性能。目前,研究人員通過(guò)引入冷卻介質(zhì)的方式來(lái)改變焊接熱循環(huán)以及溫度場(chǎng)分布狀況,從而達(dá)到改善攪拌摩擦焊焊縫成形、提高接頭力學(xué)性能的效果。其中,較為常見(jiàn)方法是采用浸入式攬拌摩擦焊(Submerged Friction Stir Welding-SFSW)(專利申請(qǐng)?zhí)?200810209844.1、200910072037.4),該方法中整個(gè)焊接過(guò)程都是在水中完成的,利用水冷作用使焊接接頭強(qiáng)制冷卻。此外,有研究者采用陣列式射流沖擊熱沉系統(tǒng)(專利申請(qǐng)?zhí)?00510105425.X),對(duì)仍處于高溫狀態(tài)的焊縫進(jìn)行局部冷卻,從而控制焊接應(yīng)力與變形,該發(fā)明主要適用于解決攪拌摩擦焊接薄壁構(gòu)件時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力與變形的等問(wèn)題。上述幾種冷卻方式都使焊件處于“潮濕”環(huán)境下,焊縫存在吸氫缺陷和腐蝕問(wèn)題,且其設(shè)備較為復(fù)雜。
[0003]熱管技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種傳熱新技術(shù),其導(dǎo)熱能力超過(guò)任何已知金屬的導(dǎo)熱能力,主要依靠封閉在管內(nèi)的工質(zhì)液體反復(fù)相變(蒸發(fā)、冷凝)來(lái)進(jìn)行高效傳熱,可以在無(wú)需外加動(dòng)力的情況下將大量熱量通過(guò)其很小的截面積進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。熱管具有很高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性、優(yōu)良的熱響應(yīng)性以及熱二極管與熱開(kāi)關(guān)等性能,目前,在工業(yè)領(lǐng)域已獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0004]目前,攪拌摩擦焊在接頭質(zhì)量控制、裝置與方法等方面還存在不足,必須有效改善攪拌摩擦焊接頭熱量過(guò)于集中的問(wèn)題,同時(shí)對(duì)于焊接熱源處產(chǎn)生的過(guò)多熱量進(jìn)行有效利用。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本發(fā)明提供一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法,有效改善攪拌摩擦焊接頭熱量以及溫度場(chǎng)的不均勻分布狀況,以及針對(duì)焊接過(guò)程中的余熱進(jìn)行有效利用。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法,在焊接過(guò)程中利用熱管優(yōu)良的導(dǎo)熱性能實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的散熱并將熱量及時(shí)傳輸至試板待焊部位;同時(shí),對(duì)平面熱管的冷凝段進(jìn)行水冷,提高熱管的冷卻效率。具體方案如下:
一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,包括第一平面熱管組件和第二平面熱管組件,所述第一平面熱管組件包括一對(duì)第一平面熱管,該對(duì)第一平面熱管的第一蒸發(fā)段施加在試板焊縫起始端位置兩側(cè),該對(duì)第一平面熱管的第一冷凝段伸入至第一水槽內(nèi);所述第二平面熱管組件包括第二平面熱管,第二平面熱管的第二蒸發(fā)段緊貼于焊縫起始端上表面,第二平面熱管的第二冷凝段伸入至第二水槽內(nèi);所述第一蒸發(fā)段和第二蒸發(fā)段分別為第一平面熱管和第二平面熱管的熱量吸收端,所述第一冷凝段和第二冷凝段分別為第一平面熱管和第二平面熱管的熱量釋放端。
[0007]所述第一水槽和第二水槽均包括入水口閥門(mén)和出水口閥門(mén)。第一水槽和第二水槽均為腔型長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),并且采用鍍鋅鋼板制造,保證其有足夠的容量及耐腐蝕性能,在水槽前端面上加工有左、右對(duì)稱的長(zhǎng)方形開(kāi)口,用于將平面熱管冷凝段伸入水槽內(nèi)部。同時(shí),在水槽的左、右側(cè)面加工出相同直徑的通孔,并安裝入水口閥門(mén)和出水口閥門(mén)。
[0008]所述第一平面熱管和第二平面熱管均包括管殼和位于管殼內(nèi)的液體工質(zhì)與吸液芯,所述管殼為一封閉的具有矩形橫截面和上、下平面的空間腔體。管殼表面具有一定平整度,將管殼內(nèi)抽成負(fù)壓以后充以適量的液體工質(zhì)后封裝。
[0009]所述管殼為具有優(yōu)良導(dǎo)熱性的紫銅或銅合金制作而成,所述吸液芯為泡沫金屬材料制成,所述液體工質(zhì)為蒸餾水、甲醇或丙酮,液體工質(zhì)為也可以是溶有Si02、Al2O3或CuO納米等顆粒的蒸餾水、甲醇或丙酮的納米流體。
所述第一水槽和第二水槽內(nèi)靠近出水口閥門(mén)處設(shè)有溫度計(jì)。所述的溫度計(jì)用于測(cè)量水槽出水口附近的水溫,并根據(jù)出水口的水溫高低,調(diào)節(jié)進(jìn)、出水閥的水流速度。
[0010]一種基于上述用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置的方法,包括以下步驟:
1)將一對(duì)第一平面熱管的第一蒸發(fā)段分別施加在試板焊縫起始端位置兩側(cè),將第二平面熱管的第二蒸發(fā)段緊貼于焊縫起始端上表面;
2)將第一水槽和第二水槽分別置于試板的前、后兩端,再分別將第一冷凝段和第二冷凝段伸入至第一水槽和第二水槽內(nèi)部,打開(kāi)第一水槽和第二水槽的進(jìn)水口閥門(mén)和出水口閥門(mén),通過(guò)調(diào)節(jié)水流速度和入水流量,控制其出水溫度;
3)對(duì)試板進(jìn)行攪拌摩擦焊接,將緊貼在焊縫起始端上表面位置的第二平面熱管緊隨攪拌工具,跟蹤焊縫移動(dòng),同時(shí),整個(gè)第二平面熱管組件隨攪拌工具移動(dòng);通過(guò)第一平面熱管將焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)至試板待焊部位實(shí)現(xiàn)焊前預(yù)熱,通過(guò)第二平面熱管對(duì)焊縫進(jìn)行冷卻散熱。
[0011]在所述步驟I)中,首先在第一平面熱管和第二平面熱管的管殼下底面刷涂一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂,然后再分別放置在試板焊縫起始端兩側(cè)位置以及焊縫起始端上表面位置。
[0012]有益效果:本發(fā)明的一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置及其方法,與現(xiàn)有技術(shù)相比,具有以下優(yōu)點(diǎn):
(I)將傳熱效能極高的熱管技術(shù)應(yīng)用于攪拌摩擦焊,位于焊縫上表面的平面熱管可及時(shí)地對(duì)焊縫(包括熱影響區(qū))實(shí)現(xiàn)高效的冷卻降溫,加快焊接過(guò)程的冷卻速度,降低焊接峰值溫度,縮小和減弱了焊接熱影響區(qū)的寬度和軟化程度,細(xì)化了焊縫區(qū)的晶粒,減小焊接應(yīng)力,提高接頭的綜合力學(xué)性能。[0013](2)利用熱管的導(dǎo)熱迅速的特性,對(duì)焊接過(guò)程中產(chǎn)生的余熱加以利用。位于焊縫兩側(cè)的平面熱管可對(duì)試板的待焊(材料)部位進(jìn)行焊前預(yù)熱軟化,大大降低了焊接過(guò)程中攪拌工具的行進(jìn)及旋轉(zhuǎn)阻力,尤其對(duì)攪拌摩擦焊焊接高熔點(diǎn)材料以及對(duì)提高焊接速度、生產(chǎn)效率,降低能耗具有積極的指導(dǎo)意義。
[0014](3)裝置的冷卻系統(tǒng)具有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)功能,通過(guò)改變冷卻水的流速,可對(duì)不同材料、不同參數(shù)下的攪拌摩擦焊接工藝產(chǎn)熱進(jìn)行冷卻調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫質(zhì)量的優(yōu)化控制。
[0015](4)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作方便,實(shí)用性強(qiáng),在保證尺寸匹配的條件下,能適合不同材料、不同尺寸試板攪拌摩擦焊焊縫散熱以及質(zhì)量控制。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置示意圖;
圖2為平面熱管橫截面示意圖;
圖中,I第一平面熱管,2第一平面熱管,3第一水槽,4第二水槽,5入水口閥門(mén),6出水口閥門(mén),9焊縫起始端,10液體工質(zhì),11吸液芯,12管殼,13第一蒸發(fā)段,14第二蒸發(fā)段,15第一冷凝段,16第二冷凝段,17長(zhǎng)方形開(kāi)口,18溫度計(jì),19攪拌工具,20試板。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0018]如圖1和2所示,一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,包括第一平面熱管組件和第二平面熱管組件,第一平面熱管組件包括一對(duì)第一平面熱管I,該對(duì)第一平面熱管I的第一蒸發(fā)段13施加在試板20焊縫起始端9位置兩側(cè),該對(duì)第一平面熱管I的第一冷凝段15伸入至第一水槽3內(nèi);第二平面熱管組件包括第二平面熱管2,第二平面熱管2的第二蒸發(fā)段14緊貼于焊縫起始端9上表面,第二平面熱管2的第二冷凝段16伸入至第二水槽4內(nèi);第一蒸發(fā)段13和第二蒸發(fā)段14分別為第一平面熱管I和第二平面熱管2的熱量吸收端,第一冷凝段15和第二冷凝段16分別為第一平面熱管I和第二平面熱管2的熱量釋放端。
[0019]本實(shí)施例中,第一水槽3和第二水槽4均包括入水口閥門(mén)5和出水口閥門(mén)6。第一水槽3和第二水槽4均為腔型長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu),并且采用鍍鋅鋼板制造,保證其有足夠的容量及耐腐蝕性能,在水槽前端面上加工有左、右對(duì)稱的長(zhǎng)方形開(kāi)口 17,用于將平面熱管冷凝段伸入水槽內(nèi)部。同時(shí),在水槽的左、右側(cè)面加工出相同直徑的通孔,并安裝入水口閥門(mén)5和出水口閥門(mén)6。第一平面熱管I和第二平面熱管2均包括管殼12和位于管殼12內(nèi)的液體工質(zhì)10與吸液芯11,管殼12為一封閉的具有矩形橫截面和上、下平面的空間腔體。管殼12表面具有一定平整度,將管殼12內(nèi)抽成負(fù)壓以后充以適量的液體工質(zhì)10后封裝。管殼12為具有優(yōu)良導(dǎo)熱性的紫銅或銅合金制作而成,吸液芯11為泡沫金屬材料制成,液體工質(zhì)10為蒸餾水、甲醇或丙酮,液體工質(zhì)10為也可以是溶有Si02、Al2O3或CuO納米等顆粒的蒸餾水、甲醇或丙酮的納米流體。第一水槽3和第二水槽4內(nèi)靠近出水口閥門(mén)6處設(shè)有溫度計(jì)18。溫度計(jì)18用于測(cè)量水槽出水口附近的水溫,并根據(jù)出水口的水溫高低,調(diào)節(jié)進(jìn)、出水閥的水流速度。
[0020]按照以下方法對(duì)攪拌摩擦過(guò)程中焊縫(及兩側(cè))金屬進(jìn)行冷卻降溫以及焊前試板20預(yù)熱:
首先,將試板20按攪拌摩擦焊的夾持要求進(jìn)行裝配,并在焊件待焊接頭位置留出一定寬度的空間,保證攪拌頭的行進(jìn)以及平面熱管的放置。
[0021]然后,選用兩根規(guī)格一致的平面熱管,即第一平面熱管1,并將其第一冷凝段15分別通過(guò)第一水槽3的左、右位置的冷凝段入口,即長(zhǎng)方形開(kāi)口 17,伸入到第一水槽3內(nèi)。根據(jù)試板20長(zhǎng)度(待冷卻焊縫長(zhǎng)度),將第一平面熱管I的第一蒸發(fā)段13預(yù)留在第一水槽3外。另選用第三根平面熱管,即第二平面熱管2,采用同樣方式,將第二冷凝段16伸入第二水槽4內(nèi),第二蒸發(fā)段14留在第二水槽4外部。
[0022]之后,采用防水粘合劑或其他密封膠水對(duì)水槽長(zhǎng)方形開(kāi)口 17進(jìn)行密封。當(dāng)平面熱管與水槽固定配合成一體之后,將留在水槽外部的平面熱管下底面均勻刷涂一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂,再將兩根第一平面熱管I分別平行放置在待焊試板20接頭中心線兩側(cè)位置以及待焊焊縫的上表面,保證第一熱管的底面與試板20充分貼合,兩個(gè)水槽分別放置在待焊試板20前、后方的焊接平臺(tái)上。
[0023]最后,開(kāi)啟第一水槽3和第二水槽4的入水口閥門(mén)5,注入冷卻水,待冷卻水沒(méi)過(guò)冷凝段后打開(kāi)出水口閥門(mén)6,控制合適、穩(wěn)定的水流速度。以上冷卻系統(tǒng)組裝并正常工作以后,即可對(duì)待焊試板20進(jìn)行施焊,并在焊接過(guò)程中,再將第二平面熱管2的第二蒸發(fā)段14緊貼于焊縫前端的上表面,隨攪拌工具19 一起移動(dòng)。整個(gè)焊接過(guò)程中,根據(jù)焊接的產(chǎn)熱大小,以及溫度計(jì)18測(cè)量水溫高低,分別調(diào)節(jié)第一水槽3和第二水槽4冷卻水的流量大小,實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程中焊縫金屬熱量的傳輸與冷卻。
[0024]本實(shí)施例中,通過(guò)改變進(jìn)出第一水槽3和第二水槽4的水流大小,可以有效控制第一水槽3和第二水槽4內(nèi)冷卻水對(duì)第一平面熱管I和第二平面熱管2的第一冷凝段15和第二冷凝段16的散熱效果,從而可以保證整個(gè)第一平面熱管I和第二平面熱管2處在較低溫度條件下,使得兩組熱管的第一蒸發(fā)段13和第二蒸發(fā)段14可將焊接熱源處的熱量持續(xù)不斷傳導(dǎo)出去,使第一平面熱管I和第二平面熱管2始終保持高效的冷卻散熱,從而對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程起到良好的散熱冷卻作用。
[0025]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō),在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,其特征在于:包括第一平面熱管組件和第二平面熱管組件,所述第一平面熱管組件包括一對(duì)第一平面熱管(I ),該對(duì)第一平面熱管(O的第一蒸發(fā)段(13)施加在試板(20)焊縫起始端(9)位置兩側(cè),該對(duì)第一平面熱管(I)的第一冷凝段(15)伸入至第一水槽(3)內(nèi);所述第二平面熱管組件包括第二平面熱管(2),第二平面熱管(2)的第二蒸發(fā)段(14)緊貼于焊縫起始端(9)上表面,第二平面熱管(2)的第二冷凝段(16)伸入至第二水槽(4)內(nèi);所述第一蒸發(fā)段(13)和第二蒸發(fā)段(14)分別為第一平面熱管(I)和第二平面熱管(2 )的熱量吸收端,所述第一冷凝段(15 )和第二冷凝段(16)分別為第一平面熱管(I)和第二平面熱管(2)的熱量釋放端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,其特征在于:所述第一水槽(3 )和第二水槽(4 )均包括入水口閥門(mén)(5 )和出水口閥門(mén)(6 )。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,其特征在于:所述第一平面熱管(I)和第二平面熱管(2)均包括管殼(12)和位于管殼(12)內(nèi)的液體工質(zhì)(10)與吸液芯(11),所述管殼(12)為一封閉的具有矩形橫截面和上、下平面的空間腔體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,其特征在于:所述管殼(12)為具有優(yōu)良導(dǎo)熱性的紫銅或銅合金制作而成,所述吸液芯(11)為泡沫金屬材料制成,所述液體工質(zhì)(10)為蒸餾水、甲醇或丙酮。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,其特征在于:所述液體工質(zhì)(10)為溶有SiO2、Al2O3或CuO納米顆粒的蒸餾水、甲醇或丙酮的納米流體。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置,其特征在于:所述第一水槽(3)和第二水槽(4)內(nèi)靠近出水口閥門(mén)(6)處設(shè)有溫度計(jì)(18)。
7.一種基于權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的用于攪拌摩擦焊接中的平面熱管裝置的方法,其特征在于,包括以下步驟: 1)將一對(duì)第一平面熱管(I)的第一蒸發(fā)段(13)分別施加在試板(20)焊縫起始端(9)位置兩側(cè),將第二平面熱管(2)的第二蒸發(fā)段(14)緊貼于焊縫起始端(9)上表面; 2)將第一水槽(3)和第二水槽(4)分別置于試板(8)的前、后兩端,再分別將第一冷凝段(15)和第二冷凝段(16)伸入至第一水槽(3)和第二水槽(4)內(nèi)部,打開(kāi)第一水槽(3)和第二水槽(4 )的進(jìn)水口閥門(mén)(5 )和出水口閥門(mén)(6 ),通過(guò)調(diào)節(jié)水流速度和入水流量,控制其出水溫度; 3)對(duì)試板(8)進(jìn)行攪拌摩擦焊接,將緊貼在焊縫起始端(9)上表面位置的第二平面熱管(2)緊隨攪拌工具(19),跟蹤焊縫移動(dòng),同時(shí),整個(gè)第二平面熱管組件隨攪拌工具(19)移動(dòng);通過(guò)第一平面熱管(I)將焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱量迅速傳導(dǎo)至試板(20)待焊部位實(shí)現(xiàn)焊前預(yù)熱,通過(guò)第二平面熱管(2)對(duì)焊縫進(jìn)行冷卻散熱。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法,其特征在于:在所述步驟I)中,首先在第一平面熱管(I)和第二平面熱管(2)的管殼(12)下底面刷涂一層薄薄的導(dǎo)熱硅脂,然后再分別放置在試板(20)焊縫起始端(9)兩側(cè)位置以及焊縫起始端(9)上表面位置。
【文檔編號(hào)】B23K20/26GK103639587SQ201310555276
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】蘆笙, 楊代立, 陳書(shū)錦, 陳靜 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)