一種用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置及其焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置及其焊接方法,固態(tài)熱沉裝置包括固態(tài)熱沉、與固態(tài)熱沉連接的推桿和冷卻水管，固態(tài)熱沉包括上底面、下底面和側(cè)面，下底面上設(shè)有散熱通槽，側(cè)面設(shè)有冷卻水道，冷卻水道與冷卻水管連接，固態(tài)熱沉上底面設(shè)有用于安裝推桿的安裝孔。固態(tài)熱沉裝置跟隨攪拌摩擦焊設(shè)備沿焊接方向同步移動(dòng)，下底面與焊件表面充分接觸以實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo),對(duì)仍處于高溫的焊縫進(jìn)行散熱降溫，有效降低焊縫的峰值溫度；同時(shí)，在熱沉內(nèi)部開設(shè)的水道內(nèi)通冷卻水進(jìn)行強(qiáng)制散熱降溫。本發(fā)明的方法可減少焊縫過熱，細(xì)化焊縫晶粒，提高組織均勻性，消除或減小焊接接頭的殘余應(yīng)力和變形，達(dá)到改善焊縫質(zhì)量、提高接頭綜合性能的目的。
【專利說明】一種用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置及其焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置與方法，可用于對(duì)攪拌摩擦焊焊件的散熱降溫和質(zhì)量控制，屬于機(jī)械技術(shù)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)。在攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭與被焊材料摩擦產(chǎn)生高溫，攪拌頭周圍材料進(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，攪拌摩擦焊過程都是在空氣等介質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行的。這樣氣氛的熱物理性質(zhì)決定了它們?cè)诤附舆^程中難以充分吸收摩擦產(chǎn)熱，不利于焊縫的快速冷卻和獲得較窄的焊接溫度場(chǎng)。同時(shí)，在焊縫兩側(cè)形成了熱影響區(qū)，極易造成焊縫組織的粗大與不均勻性，從而降低了焊縫的力學(xué)性能。
[0003]目前，有研究者通過引入冷卻介質(zhì)的方式來改變焊接熱循環(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，較為常見方法是采用浸入式攪拌摩擦焊(Submerged Friction Stir ffelding-SFSff)(專利申請(qǐng)?zhí)?200810209844.1,200910072037.4)。該方法中整個(gè)焊接過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。北京航空制造工程研究所采用陣列式射流沖擊熱沉系統(tǒng)(專利申請(qǐng)?zhí)?200510105425.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)明可有效解決攪拌摩擦焊接薄壁構(gòu)件時(shí)出現(xiàn)的應(yīng)力與變形等問題，但其仍舊處于一種“潮濕”環(huán)境下，且其設(shè)備裝置較為復(fù)雜。此外，有發(fā)明公開了一種攪拌摩擦焊縫干式冷卻裝置(專利申請(qǐng)?zhí)?201210099428.7)，可以實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)與焊縫不直接接觸條件下的干式冷卻。但該裝置中的散熱器與焊縫表面主要采用線接觸的形式，材料與散熱器的接觸面積相對(duì)較小、時(shí)間也較短，主要位于焊縫中心區(qū)域，并未覆蓋到焊縫兩側(cè)位置，因此，其冷卻效果相對(duì)有限。
[0004]由此可見，強(qiáng)制冷卻的引入雖然有利于改善焊接接頭的微觀組織和性能，以及控制應(yīng)力和變形，但一般的“濕法”冷卻方式，都可能存在焊縫吸氫缺陷和材料腐蝕等問題，而且相關(guān)裝置比較復(fù)雜、不易操作。另外，雖存在有關(guān)攪拌摩擦焊的“干法”冷卻裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用的發(fā)明，但由于其與焊縫的接觸面積有限等缺點(diǎn)，也未能起到良好的散熱與降溫效果。

【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過程中的“干法”固態(tài)熱沉裝置與方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫溫度場(chǎng)的有效控制，解決“濕法”冷卻需要復(fù)雜的配套設(shè)備和技術(shù)條件、操作較復(fù)雜等問題，并從根本上消除“濕法”冷卻導(dǎo)致的焊縫增氫、材料腐蝕等缺陷。同時(shí)解決了一般的“干法”冷卻存在的散熱器與焊縫接觸面積小、冷卻時(shí)間短的問題，從而獲得明顯的散熱效果，達(dá)到提高焊接質(zhì)量的目的。[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的固態(tài)熱沉裝置，包括固態(tài)熱沉、與固態(tài)熱沉連接的推桿和冷卻水管，所述固態(tài)熱沉包括上底面、下底面和側(cè)面，下底面上沿著焊接方向設(shè)有散熱通槽，固態(tài)熱沉內(nèi)部與焊接方向垂直的方向開設(shè)有若干冷卻水道，冷卻水道貫穿兩側(cè)面，冷卻水道與冷卻水管連接，上底面設(shè)有用于安裝推桿的安裝孔。
[0007]其中，冷卻水道為在固態(tài)熱沉側(cè)面均勻加工出的一排通孔形成的冷卻水道。固態(tài)熱沉裝置跟隨在焊機(jī)主軸及攪拌工具后面，對(duì)已形成的焊縫進(jìn)行隨焊跟蹤冷卻。所述固態(tài)熱沉由高儲(chǔ)熱系數(shù)b Cb=，其中:c為材料比熱，λ為材料導(dǎo)熱系數(shù)，P為材料密度)的純銅或銅合金材料制成。
[0008]所述固態(tài)熱沉選用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的純銅或銅合金材料制成，固態(tài)熱沉為長(zhǎng)方體，其主要幾何尺寸為長(zhǎng)度、寬度、厚度，根據(jù)焊接件的材料、尺寸大小、冷卻控制強(qiáng)度確定固態(tài)熱沉的長(zhǎng)度、寬度、厚度，保證其具有高的儲(chǔ)熱能力，固態(tài)熱沉的長(zhǎng)度方向與焊接方向一致。固態(tài)熱沉下底面具有較高的平整度，且能覆蓋焊縫及其兩側(cè)一定范圍(包括熱機(jī)械影響區(qū)和熱影響區(qū))。
[0009]所述安裝孔為在上底面的中心位置加工出來的帶螺紋的安裝孔，推桿一端設(shè)有與安裝孔配合的外螺紋。
[0010]所述散熱通槽有兩條，兩條散熱通槽位于固態(tài)熱沉長(zhǎng)度方向中心線兩側(cè)一定距離范圍內(nèi)，且具有一定的深度與寬度，應(yīng)能覆蓋焊縫兩邊可能產(chǎn)生的飛邊。
[0011]所述推桿為一根L形圓棒，由純銅或銅合金材料制成。所述冷卻水管包括主管和支管，由純銅或銅合金材料制成，通過主管引入或?qū)С隼鋮s水，支管與冷卻水道相配合。
[0012]一種基于上述固態(tài)熱沉裝置的焊接方法，將組裝好的固態(tài)熱沉裝置用于焊接過程，固態(tài)熱沉裝置跟隨在焊機(jī)主軸及攪拌工具后面，對(duì)已形成的焊縫進(jìn)行隨焊跟蹤冷卻；在固態(tài)熱沉的下底面均勻刷涂導(dǎo)熱硅脂作為間隙填充劑以及導(dǎo)熱劑，使固態(tài)熱沉與焊件焊縫密切接觸；同時(shí)，冷卻水道內(nèi)通以冷卻水，進(jìn)行強(qiáng)制散熱降溫，并可根據(jù)焊接溫度的高低，調(diào)整冷卻水的冷卻強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程中焊縫溫度的有效控制。
[0013]上述焊接方法，具體包括以下步驟:
首先，將推桿的下端旋入至固態(tài)熱沉上底面的推桿安裝孔內(nèi)，冷卻水管的支管分別與固態(tài)熱沉側(cè)面上的冷卻水道一一連接，將導(dǎo)熱硅脂均勻刷涂在固態(tài)熱沉下底面；
焊接開始時(shí)，手持推桿將固態(tài)熱沉緊緊貼在焊縫上表面，同時(shí)注意使兩條散熱通槽位于焊縫兩側(cè)的飛邊上方；
隨著焊接的進(jìn)行，利用推桿將固態(tài)熱沉隨焊接方向推行，保證整個(gè)固態(tài)熱沉裝置緊跟在焊機(jī)主軸及攪拌工具后面，同時(shí)通過冷卻水主管把冷卻水注入或排出冷卻水道，直到焊接完成。
[0014]有益效果:本發(fā)明的一種用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置及其焊接方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)固態(tài)熱沉裝置跟隨攪拌工具同步移動(dòng)，對(duì)焊縫及時(shí)冷卻，可有效降低焊縫溫度和溫度分布的不均勻性，改善焊縫組織，提高焊縫綜合性能；
(2)固態(tài)熱沉裝置實(shí)現(xiàn)了“干法”冷卻，可消除水浸冷卻等“濕法”熱沉控制方式存在的吸氫缺陷和材料腐蝕問題。同時(shí)，增加了熱沉與墊板的接觸面積，延長(zhǎng)了冷卻時(shí)間，獲得更為優(yōu)良的“干法”冷卻效果；
(3)固態(tài)熱沉裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、操作方便，實(shí)用性與適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于不同尺寸焊件的攪拌摩擦焊，進(jìn)行有效的焊接質(zhì)量控制。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為采用固態(tài)熱沉裝置條件下的攪拌摩擦焊接示意圖；
圖2為固態(tài)熱沉上底面結(jié)構(gòu)不意圖；
圖3為固態(tài)熱沉下底面結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為冷卻水管結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0017]如圖1至圖4所示，本發(fā)明的一種用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置，包括固態(tài)熱沉1、與固態(tài)熱沉I連接的推桿2和冷卻水管3，固態(tài)熱沉I包括上底面1-1、下底面1-2和側(cè)面1-3，下底面1-2上沿著焊接方向設(shè)有散熱通槽1-4，固態(tài)熱沉I內(nèi)部與焊接方向垂直的方向開設(shè)有若干冷卻水道1-6，冷卻水道1-6貫穿兩側(cè)面1-3，冷卻水道1-6與冷卻水管3連接，固態(tài)熱沉上底面1-1設(shè)有安裝孔1-5，推桿2 —端位于安裝孔1-5內(nèi)，冷卻水道1-6為固態(tài)熱沉側(cè)面1-3均勻加工出的一排通孔。
[0018]本實(shí)施例中，固態(tài)熱沉I選用熱導(dǎo)率和比熱高的的純銅或銅合金材料制成，固態(tài)熱沉I為長(zhǎng)方體，其主要幾何尺寸為長(zhǎng)度、寬度、厚度，根據(jù)焊接件的材料、尺寸大小、冷卻控制強(qiáng)度確定固態(tài)熱沉I的長(zhǎng)度、寬度、厚度，保證其具有高的儲(chǔ)熱能力，固下底面1-2具有較高的平整度，且能覆蓋焊縫及其兩側(cè)一定范圍(包括熱機(jī)械影響區(qū)和熱影響區(qū))。
[0019]其中，安裝孔1-5為在上底面1-1的中心位置加工出來的帶螺紋的安裝孔，推桿2一端設(shè)有與安裝孔1-5內(nèi)螺紋配合的外螺紋，散熱通槽1-4有兩條，兩條散熱通槽1-4貫穿下底面(1-2)并沿固態(tài)熱沉I長(zhǎng)度方向中心線對(duì)稱分布，散熱通槽1-4覆蓋焊縫兩邊可能產(chǎn)生的飛邊，推桿2為一根L形圓棒，由純銅或銅合金材料制成。冷卻水管3成對(duì)使用，每個(gè)冷卻水管3包括主管3-1和支管3-2，由純銅或銅合金材料制成，通過主管3-1引入或?qū)С隼鋮s水，支管3-2與冷卻水道1-6相配合。
[0020]一種基于上述固態(tài)熱沉裝置的焊接方法，具體包括以下步驟:
首先，將推桿2的下端旋入至固態(tài)熱沉上底面1-1的推桿安裝孔1-5內(nèi)，冷卻水管3的支管3-2分別與固態(tài)熱沉側(cè)面1-3上的冷卻水道1-6 —一連接(可根據(jù)具體情況和條件，進(jìn)行焊接或螺紋連接)，將導(dǎo)熱硅脂均勻刷涂在固態(tài)熱沉下底面1-2 ；
焊接開始時(shí)，手持推桿2將固態(tài)熱沉I緊緊貼在焊縫上表面，下底面1-2與焊件表面充分接觸以實(shí)現(xiàn)熱傳導(dǎo)，對(duì)仍處于高溫的焊縫進(jìn)行散熱降溫，有效降低焊縫的峰值溫度；同時(shí)注意使兩條散熱通槽1-4位于焊縫兩側(cè)的飛邊上方，以避免飛邊對(duì)固態(tài)熱沉I造成接觸不良和運(yùn)動(dòng)受阻等問題；
隨著焊接的進(jìn)行，利用推桿2將固態(tài)熱沉I隨焊接方向推行，保證整個(gè)固態(tài)熱沉裝置緊跟在焊機(jī)主軸4及攪拌工具5后面，同時(shí)通過冷卻水主管3-1把冷卻水注入或排出固態(tài)熱沉I內(nèi)部的冷卻水道1-6，冷卻水道1-6內(nèi)通冷卻水可以進(jìn)行強(qiáng)制散熱降溫，直到焊接完成。[0021]在焊接過程中，可以根據(jù)焊接溫度的高低，調(diào)整冷卻水的冷卻強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程中焊縫溫度的有效控制。
[0022]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)人員來說，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的固態(tài)熱沉裝置，其特征在于:包括固態(tài)熱沉(I)、與固態(tài)熱沉(I)連接的推桿(2)和冷卻水管(3)，所述固態(tài)熱沉(I)包括上底面(1-1)、下底面(1-2)和側(cè)面(1-3)，下底面(1-2)上沿著焊接方向設(shè)有散熱通槽(1-4)，固態(tài)熱沉(I)內(nèi)部與焊接方向垂直的方向開設(shè)有若干冷卻水道(1-6)，冷卻水道(1-6)貫穿兩側(cè)面(1-3)，冷卻水道(1-6)與冷卻水管(3)連接，上底面(1-1)設(shè)有用于安裝推桿(2)的安裝孔(1-5)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置，其特征在于:所述固態(tài)熱沉(I)選用具有高導(dǎo)熱系數(shù)的純銅或銅合金材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置，其特征在于:所述安裝孔(1-5)為在上底面(1-1)的中心位置加工出來的帶螺紋的安裝孔，推桿(2) —端設(shè)有與安裝孔(1-5)配合的外螺紋。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置，其特征在于:所述散熱通槽(1-4)有兩條，兩條散熱通槽(1-4)位于固態(tài)熱沉(I)長(zhǎng)度方向中心線兩側(cè)，散熱通槽(1-4)覆蓋焊縫兩邊可能產(chǎn)生的飛邊。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置，其特征在于:所述推桿(2)為一根L形圓棒，由純銅或銅合金材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于攪拌摩擦焊的固態(tài)熱沉裝置，其特征在于:所述冷卻水管(3)由純銅或銅合金材料制成,冷卻水管(3)包括主管(3-1)和支管(3-2),所述主管(3-1)引入或?qū)С隼鋮s水，所述支管(3-2)與冷卻水道(1-6)相配合。
7.一種基于權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的固態(tài)熱沉裝置的焊接方法，其特征在于:將組裝好的固態(tài)熱沉裝置用于焊接過程，固態(tài)熱沉裝置跟隨在焊機(jī)主軸(4)及攪拌工具(5)后面，對(duì)已形成的焊縫進(jìn)行隨焊跟蹤冷卻，冷卻水道(1-6)內(nèi)通以冷卻水，進(jìn)行強(qiáng)制散熱降溫，并可根據(jù)焊接溫度的高低，調(diào)整冷卻水的冷卻強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過程中焊縫溫度的有效控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: 首先，將推桿(2)的下端旋入至固態(tài)熱沉(I)上底面(1-1)的推桿安裝孔(1-5)內(nèi)，冷卻水管(3)的支管(3-2)分別與固態(tài)熱沉(I)側(cè)面(1-3)上的冷卻水道(1-6)—一連接，將導(dǎo)熱硅脂均勻刷涂在固態(tài)熱沉下底面(1-2)； 焊接開始時(shí)，手持推桿(2)將固態(tài)熱沉(I)緊緊貼在焊縫上表面，同時(shí)注意使兩條散熱通槽(1-4)位于焊縫兩側(cè)的飛邊上方； 隨著焊接的進(jìn)行，利用推桿(2)將固態(tài)熱沉(I)隨焊接方向推行，保證整個(gè)固態(tài)熱沉裝置緊跟在焊機(jī)主軸(4)及攪拌工具(5)后面，同時(shí)通過冷卻水主管(3-1)把冷卻水注入或排出冷卻水道(1-6)，直到焊接完成。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK103639588SQ201310555279
【公開日】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, 陳書錦, 陳靜 申請(qǐng)人:江蘇科技大學(xué)