高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，所述攪拌頭包括與機床接觸部位和工作部位；所述與機床接觸部位包括攪拌頭裝夾柄(1)、裝夾柄端部(2)；所述工作部位包括軸肩(3)、攪拌針(4)；所述攪拌頭裝夾柄(1)、裝夾柄端部(2)、軸肩(3)、攪拌針(4)從上到下依次相互固定；所述攪拌頭裝夾柄(1)、裝夾柄端部(2)外表面分別設置熱障涂層(5)。
【專利說明】
高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種攪拌摩擦焊接用攪拌頭，尤其是一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭。
【背景技術】
[0002]攪拌摩擦焊(Frict1n Stir Welding，簡稱FSW)是一種在焊接過程中被焊材料不發(fā)生熔化的固相焊接技術，攪拌頭是攪拌摩擦焊接過程中的關鍵工具。攪拌摩擦焊完成焊接的原理是，機床主軸帶動攪拌摩擦焊攪拌頭高速旋轉，同時攪拌頭的攪拌針插入焊縫，攪拌頭軸肩與被焊材料表面產生劇烈摩擦產生焊接所需要的熱量，使被焊材料加熱到高塑性狀態(tài)，同時高速旋轉的攪拌針帶動焊縫周圍材料發(fā)生劇烈的塑性流動，焊縫因材料的劇烈攪動及軸肩對其施加的壓力下完成焊合。在焊接過程中焊縫周圍材料處于高塑性固體狀態(tài)而未發(fā)生熔化，因此其是一種區(qū)別于熔化焊的固態(tài)焊接技術，且相比于熔化焊，攪拌摩擦焊具有能量消耗少、焊縫美觀性能好、焊接過程中不產生有害氣體等優(yōu)點。
[0003]在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭處于高溫狀態(tài)，在焊接鋁合金材料時，攪拌頭與焊接金屬接觸部位的溫度約為400?500°C，而在焊接鋼材等高熔點金屬時，攪拌頭溫度可高達100tC以上。因攪拌頭在工作時裝夾在機床主軸上，攪拌頭在工作時產生的熱量會不可避免地傳向機床主軸，從而導致機床主軸溫度升高，而主軸溫度過高會嚴重影響主軸的壽命及加工精度，目前為防止主軸溫度過高，一般采用對主軸進行水冷散熱等方式進行降溫，該方法不僅設備復雜成本高，且其從主軸帶走的熱量也被浪費掉了，不利于能量的高效利用。
[0004]熱障涂層(Thermal barrier coatings，簡稱TBCs)，是一種通常用在金屬制品表面，用以降低基體金屬工作溫度、改善其熱疲勞和抗氧化、腐蝕、磨損性能的，具有良好隔熱效果的陶瓷涂層。熱障涂層技術最早被用于火箭發(fā)動機和燃氣渦輪機葉片，用以提高其耐高溫及耐腐蝕性能。目前，在渦輪機葉片應用熱障涂層，可降低基體金屬溫度達170°C左右。
【實用新型內容】
[0005]本實用新型為解決攪拌摩擦焊接過程中主軸溫度過高及對主軸采用水冷散熱時成本高且能量利用率低的問題，設計了一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭。該攪拌頭能有效減少攪拌頭向機床主軸傳遞的熱量，防止主軸溫度過高，同時避免了對主軸采用水冷散熱等方法進行降溫時產生的熱量損失。
[0006]為了解決上述技術問題，本實用新型提供一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，所述攪拌頭包括與機床接觸部位和工作部位;所述與機床接觸部位包括攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部;所述工作部位包括軸肩、攪拌針;所述攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部、軸肩、攪拌針從上到下依次相互固定;所述攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部外表面分別設置熱障涂層。
[0007]作為對本實用新型所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的改進:所述熱障涂層為導熱性能差的低熱導率材料。
[0008]作為對本實用新型所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進:所述熱障涂層的厚度為50?500μηι。
[0009]作為對本實用新型所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進:所述熱障涂層的結構包括由粘結層及陶瓷層構成的雙層結構，由粘結層、封阻層、陶瓷層構成的多層結構，和由粘結層及成分連續(xù)變化的陶瓷層構成的梯度結構。
[0010]作為對本實用新型所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進:所述熱障涂層具有與攪拌頭裝夾柄、裝夾柄端部一體結構式或者可分離結構式兩種結合方式。
[0011]作為對本實用新型所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進:所述熱障涂層通過等離子噴涂法、電子束物理氣相沉積法、超音速火焰噴涂法、激光重熔法或者化學氣相沉積法設置。
[0012]作為對本實用新型所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的進一步改進:所述熱障涂層是用6?8 % Y2O3穩(wěn)定的ZrO2陶瓷熱障涂層。
[0013]—種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的熱障涂層加工方法，將攪拌頭裝夾柄去除一定厚度;對攪拌頭裝夾柄的金屬基體表面進行預處理;對攪拌頭進行預熱；用等離子噴涂法對攪拌頭裝夾柄均勻地噴涂一定厚度的熱障涂層。
[0014]作為對一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的熱障涂層加工方法的改進:所述攪拌頭裝夾柄去除的厚度為熱障涂層的厚度。
[0015]作為對一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的熱障涂層加工方法的進一步改進:所述預處理步驟包括清除表面油污、銹、氧化層等以及對表面進行粗化處理。
[0016]本實用新型在攪拌頭與機床主軸相接觸的部位噴涂一定厚度的熱障涂層，該熱障涂層的成分包含但不限于用6?8%Υ203穩(wěn)定的ZrO2陶瓷熱障涂層，對攪拌頭加工熱障涂層的方法包含但不限于等離子噴涂法、電子束物理氣相沉積法等，該熱障涂層的結構包含但不限于由粘結層及陶瓷層構成的雙層結構，由粘結層、封阻層、陶瓷層等構成的多層結構，和由粘結層及成分連續(xù)變化的陶瓷層構成的梯度結構。通過這種構造，形成的強效的隔熱層，使得在使用過程中產生的高溫在傳播過程中的速度極大的減緩，在加工過程中，不需要通過其他的降溫工序即實現(xiàn)降溫的效果，極大的延長相關設備的運行壽命，且不會增加加工工序的成本。
【附圖說明】
[0017]下面結合附圖對本實用新型的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0018]圖1是典型攪拌摩擦焊接用攪拌頭的結構示意；
[0019]圖2是本實用新型攪拌頭裝夾柄部位局部剖面圖。
【具體實施方式】
[0020]實施例1、圖1?圖2給出一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭及方法。
[0021]如圖1所示，為高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭的結構示意，包括攪拌頭裝夾柄1、裝夾柄端部2、軸肩3、攪拌針4。攪拌頭裝夾柄1、裝夾柄端部2、軸肩3、攪拌針4以從上到下的順序依次相互固定連接。其攪拌頭裝夾柄1、裝夾柄端部2是與機床主軸相接觸的部位。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭軸肩3的端面及攪拌針與材料發(fā)生劇烈摩擦產生焊接所需要的熱量，所產生熱量其中一部分傳遞到被焊工件，還有一部分通過攪拌頭(裝夾柄端部2、攪拌頭裝夾柄I)傳向機床主軸，傳向機床主軸的這部分熱量不僅對焊接不起促進作用，還會導致機床主軸溫度升高從而影響其壽命。
[0022]如圖2所示，本實用新型所述新型攪拌頭在圖1中攪拌頭裝夾柄1、裝夾柄端部2的部位噴涂熱障涂層5，該熱障涂層5因其熱導率低，可顯著減少攪拌摩擦焊接過程中由攪拌頭傳向機床主軸的熱量，從而避免因主軸溫度過高進而影響其壽命的問題。使用該實用新型所述攪拌摩擦焊接用攪拌頭進行焊接，由于從根本上避免了主軸溫度過高的問題，主軸無需再進行額外的冷卻，減少了主軸冷卻系統(tǒng)的投入及維護成本。同時，采用本實用新型實施焊接可減少因攪拌頭向主軸傳熱所造成的熱量損失，有利于提高焊接時的能量利用效率，從而在不降低焊接接頭性能的如提下減少能耗或提尚焊接效率。
[0023]如圖2所示，本實用新型在圖1中I和2的部位增加熱障涂層5。
[0024]具體的，該熱障涂層5的材料為用6?8%Y203穩(wěn)定的ZrO2陶瓷熱障涂層5;該涂層的噴涂方法為等離子噴涂法;該涂層的厚度為50?500μπι。
[0025]其具體加工方法為:
[0026]1.用車床等將圖1中攪拌頭裝夾柄1、裝夾柄端部2部位去除一定厚度以給噴涂熱障涂層5留出空間，或直接加工出適合噴涂尺寸的攪拌頭；
[0027]2.對圖2中需要噴涂熱障涂層5的金屬基體表面進行預處理，該預處理包括清除表面油污、銹、氧化層等以及對表面進行粗化處理以滿足噴涂要求；
[0028]3.在噴涂前對攪拌頭進行預熱；
[0029]4.用等離子噴涂法對攪拌頭圖2中I所示的部位均勻地噴涂一定厚度的熱障涂層5。
[0030]以上所述的熱障涂層5的一定厚度與在攪拌頭裝夾柄1、裝夾柄端部2上去除的一定厚度為相一致，通過這種方式使得可以現(xiàn)有的攪拌頭進行改裝，使其適應這種設置隔熱層的加工環(huán)境，并且不必要為了適應該攪拌頭而改進相關設備。
[0031]對比于現(xiàn)有技術上的摩擦焊攪拌頭，本實用新型的攪拌頭由于采用的隔熱層技術，阻止在攪拌頭實際使用過程中產生的高溫向機床主軸傳遞，延長機床主軸的使用壽命，且在不增加外置的降溫設備的前提下，就可以達到外置降溫設備的相同技術效果。而本實用新型中，針對隔熱層的厚度設置為50?500μπι，這種厚度的隔熱層處理時不會對攪拌頭產生機械損傷，且在具體的時候時候，也不會由于隔熱層導致攪拌頭的金屬特性發(fā)生巨大變化而導致原先的裝夾設備無法完全匹配該攪拌頭的情況出現(xiàn)。
[0032]最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本實用新型的一個具體實施例。顯然，本實用新型不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本實用新型公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本實用新型的保護范圍。
【主權項】
1.一種高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，其特征是:所述攪拌頭包括與機床接觸部位和工作部位； 所述與機床接觸部位包括攪拌頭裝夾柄(I)、裝夾柄端部(2); 所述工作部位包括軸肩(3)、攪拌針(4); 所述攪拌頭裝夾柄(I)、裝夾柄端部(2)、軸肩(3)、攪拌針(4)從上到下依次相互固定； 所述攪拌頭裝夾柄(I)、裝夾柄端部(2)外表面分別設置熱障涂層(5)。2.根據權利要求1所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，其特征是:所述熱障涂層(5)為導熱性能差的低熱導率材料。3.根據權利要求2所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，其特征是:所述熱障涂層(5)的厚度為50?500μπι。4.根據權利要求3所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，其特征是:所述熱障涂層(5)的結構包括由粘結層及陶瓷層構成的雙層結構，由粘結層、封阻層、陶瓷層構成的多層結構，和由粘結層及成分連續(xù)變化的陶瓷層構成的梯度結構。5.根據權利要求4所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，其特征是:所述熱障涂層(5)具有與攪拌頭裝夾柄(I)、裝夾柄端部(2) 一體結構式或者可分離結構式兩種結合方式。6.根據權利要求5所述的高效、隔熱的攪拌摩擦焊攪拌頭，其特征是:所述熱障涂層(5)通過等離子噴涂法、電子束物理氣相沉積法、超音速火焰噴涂法、激光重熔法或者化學氣相沉積法設置。
【文檔編號】B05D1/02GK205551782SQ201520983596
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2015年12月2日
【發(fā)明人】李紅軍, 劉迪
【申請人】浙江理工大學