[發明專利]一種冷卻保護攪拌頭和被焊接工件的攪拌摩擦焊接裝置

有效

• 申請號: 201310139472.0
• 申請日: 2013-04-19
• 公開（公告）號: CN103212779A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發明（設計）人: 王文;王快社;海敏娜;王慶娟;胡平;王文禮;郝亞鑫
• 申請（專利權）人: 西安建筑科技大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 李婷

技術領域

本發明屬于金屬焊接領域，涉及一種攪拌摩擦焊接裝置，特別涉及一種冷卻攪拌頭和保護冷卻被焊接工件的攪拌摩擦焊接裝置。

背景技術

攪拌摩擦焊接技術是英國焊接研究所于1991年開發的一種新型固相焊接技術。攪拌摩擦焊接過程中，被焊接材料產生劇烈的塑性變形，可實現焊接接頭組織細化和均勻化。焊接過程中較低的熱循環作用，減小了組織粗化傾向，使焊接接頭具有高的強度和韌性。攪拌摩擦焊接技術克服了傳統熔焊焊接技術焊接金屬材料時出現的氣孔、夾雜、組織粗大等問題，為鋁、銅、鎂、鋼、鈦等材料的焊接提供了一條極具發展潛力的方法。

攪拌摩擦焊接技術主要通過帶有攪拌針和軸肩的攪拌頭與被焊接工件摩擦產生大量的摩擦熱使焊縫材料軟化，進而達到熱塑性狀態，產生塑性流動而實現固相連接。因此，攪拌頭在焊接過程中，經受較大的機械力載、摩擦熱載及嚴重的磨損，這一問題在焊接高熔點材料，比如鋼、鈦時顯得尤為嚴重，這對攪拌頭的材料提出了較高的要求。因此，設計開發成本低廉且使用壽命長的攪拌摩擦焊用攪拌頭成為解決高熔點材料攪拌摩擦焊接的關鍵問題。高熔點材料焊接時，溫度高達1000℃以上，在如此高的溫度下能滿足使用要求的材料往往是難熔金屬合金或結構陶瓷，這些材料的制造和加工難度都較大。目前，大多采用多晶立方氮化硼和鎢基合金作為攪拌頭材料。鎢基合金韌性較好，焊接過程中不易發生脆性破壞，但較易發生磨損，且價格昂貴。而多晶立方氮化硼的耐磨性較好，但其韌性較差，易于脆斷，而且商用的PCBN主要為美國所壟斷，材料成本昂貴。由此可見，目前設計開發成本低廉，性能優良的攪拌頭尚存在較大難度，導致高熔點材料的攪拌摩擦焊接受到較大限制。為了彌補攪拌頭材料本身制造加工難、成本高等問題，可以對攪拌頭結構進行優化設計。此外，對焊接過程中的攪拌頭進行冷卻也是一個行之有效的方法。目前的冷卻方式主要有兩種，一種是在焊接過程中，直接對攪拌頭進行冷卻液噴灑，另一種方式就是采用內部帶循環水冷通道的自冷卻式攪拌頭，如申請號為200710130673.9的中國專利申請所公開的方式中，在攪拌頭中心部位設有冷卻介質導入管和導出管實現冷卻液的循環冷卻。但上述兩種方式都存在各自明顯的缺點，采用冷卻液直接噴灑的手段，會將冷卻液噴灑到被焊接工件和焊機工作臺上，對焊接過程造成影響，污染焊接設備，焊后清除殘留冷卻液也比較麻煩。采用帶內部循環水冷通道的自冷卻式攪拌頭可以很好地克服上述問題，但攪拌頭的內部結構比較復雜，制造加工困難，而且攪拌頭為易損耗件，使用成本較高。再者，帶內部循環水冷通道的自冷卻式攪拌頭為中心空心結構，降低了攪拌頭的機械承載力，縮短其使用壽命。

攪拌摩擦焊接過程中產生了大量的摩擦熱和塑性變形熱，使得焊接接頭存在明顯的熱軟化效應，組織粗大，導致焊接接頭的強度仍低于母材，特別是高強鋁合金焊接接頭，其最高強度約為母材強度的80%。例如，2219-T8鋁合金的抗拉強度僅為母材強度的65%，7075-T651鋁合金的抗拉強度僅為母材強度的75%。因此，在焊接過程中對被焊接工件進行實時冷卻十分重要。目前的冷卻方式主要有三種方式，一種是空氣冷卻方式，比如采用自然空氣和強制空氣冷卻方法，這種方法冷卻速度較慢，導致焊核區的再結晶晶粒長大，焊縫質量較差。第二種方式是采用冷卻液（水、干冰、酒精、液氮及它們的混合物）對被焊接工件進行直接噴灑和浸泡式冷卻，此種方式的冷卻速度較快，冷卻效果明顯，但液態冷卻介質直接與被連接工件進行接觸，液態冷卻介質降低了被焊接工件的高溫塑性，焊接質量較差。再者，直接噴灑的冷卻方式容易對焊接設備造成污染，焊后清掃麻煩。第三種方式是采用外置冷卻器對焊接工件進行冷卻。如申請號為201210099428.7的中國專利申請所公開的方式中，采用密閉式冷卻液循環流動的干式冷卻裝置對被焊接工件進行非接觸式干式冷卻。此種密閉式冷卻器與被焊接工件不直接接觸，焊縫成型性較好，焊接過程干擾較少，但非接觸式冷卻效果相對較差，且此裝置結構復雜，成本相對較高。再者，采用內部帶冷卻液循環流動的墊板對直接位于其上方的被焊接工件進行實時冷卻，這種具有冷卻功能的墊板內部為中空或帶冷卻通道，中空型墊板的支撐作用被大幅降低，而帶冷卻通道的墊板由于冷卻通道的熱傳導能力有限而導致冷卻效果較差。