[發明專利]一種攪拌摩擦頭水冷裝置及方法

在審

• 申請號: 201710099688.7
• 申請日: 2017-02-23
• 公開（公告）號: CN106735856A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發明（設計）人: 陳書錦;汪棣;李瑞峰;石明霄;胥國祥
• 申請（專利權）人: 江蘇科技大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 竇賢宇

技術領域

本發明涉及攪拌摩擦焊的焊具及其使用技術，特別是涉及一種攪拌摩擦頭水冷裝置及方法。

背景技術

自英國焊接研究所(TWI)于1991年發明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項技術因其焊接變形小、殘余應力小，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，不產生弧光、煙塵、噪音污染等，同時能顯著降低成本、節省材料、優化結構、減輕飛行器的結構重量等特點受到各國科研機構的關注。由于這項技術具有很多其他方法所不具備的顯著特點，它很快就被用于航天領域，新一代運載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質量的焊接接頭，但仍然存在很多難點，如攪拌頭在高溫下容易磨損，影響其使用壽命。因此如何降低攪拌頭的工作溫度成了重要的工作。

現有技術一設計了專門的攪拌頭和工件冷卻器，攪拌頭冷卻器安裝在被焊接工件保護器上端，攪拌頭安裝在攪拌頭冷卻器和被焊接工件保護器之中，冷卻介質用于間接冷卻攪拌摩擦頭，且所述冷卻器結構復雜；現有技術二同樣通過冷卻介質間接冷卻攪拌摩擦頭，所設計的冷卻水系統結構復雜，但顯然這個方法所需要的冷卻裝置較大且適用性不強；現有技術三通過固定設置在主軸頭機箱的下方冷卻盤來冷卻主軸頭的桿部，但需要多種進油管路、出油管路，需要設計蓄能器和平衡閥，實際上還是一種間接冷卻方法。

發明內容

發明目的：為解決現有技術的不足，提供一種結構簡單，操作方便，實用性強，能有效降低攪拌摩擦頭溫度，且可間接控制焊接溫度場的攪拌摩擦頭冷卻裝置和方法。

技術方案：提供一種攪拌摩擦頭水冷裝置，包括：

套筒，該套筒上下兩端均開口；

攪拌摩擦頭，該攪拌摩擦頭的下端設有攪拌針，上段部位于所述套筒內，并與套筒固定連接；所述攪拌摩擦頭上段的豎直軸向設有一中心孔，中心孔止于所述攪拌針的上端；在所述攪拌摩擦頭下段側壁設有多個冷卻水道，所述多個冷卻水道與中心孔連通；

輸送管，所述輸送管下端與攪拌摩擦頭上端固定連接，且輸送管與所述攪拌摩擦頭的中心孔連通；所述輸送管上段通過直線軸承與套筒連接，所述直線軸承下端與所述攪拌摩擦頭上端設有間隙；

自由水管，設于所述輸送管的上方，與輸送管連通；

U型收集器，所述攪拌摩擦頭下端被該U型收集器包圍，U型收集器的開口方向朝向所述多個冷卻水道，U型收集器的底部邊緣設有出水口。

優選的，所述冷卻水道沿攪拌摩擦頭徑向水平設置，或向下傾斜設置；所述冷卻水道沿攪拌摩擦頭軸向設置多組，沿周向均勻排布，最下面一組與中心孔的底部連通；這樣更有利于冷卻水排出。

優選的，所述輸送管下端與攪拌摩擦頭上端通過螺紋連接，且輸送管底部接觸面設有高溫密封墊，防止冷卻水從螺紋連接處溢出影響焊接環境和焊具的使用壽命；所述攪拌摩擦頭與套筒通過螺釘固定連接或是通過螺紋連接，方便安裝和拆卸，同時又能保證攪拌摩擦頭與套筒的穩定連接。

優選的，所述攪拌摩擦頭上端側壁設有凸臺或凸塊，用于限制攪拌摩擦頭放入套筒的位置；所述多個冷卻水道的出口低于所述凸臺或凸塊，以便于冷卻水被順利地甩出。

優選的，所述自由水管的口徑小于所述輸送管的口徑，方便水流由自由水管流入輸送管內。

優選的，所述多個冷卻水道的直徑范圍為3～4mm，方便冷卻水流出，同時又能保證對攪拌摩擦頭的冷卻時間。

一種基于所述攪拌摩擦頭水冷裝置的水冷方法，包括以下步驟：

(a)預熱階段：關閉冷卻水，啟動焊機主電機，使攪拌摩擦頭旋轉，對攪拌摩擦頭進行預熱；

(b)冷卻階段：

(i)焊接開始，打開冷卻水，使冷卻水經輸送管流入攪拌摩擦頭的中心孔，對攪拌摩擦頭的上部進行冷卻；

(ii)冷卻水自然流入冷卻水道，并進一步對攪拌摩擦頭的上部冷卻；

(iii)冷卻水在旋轉的攪拌摩擦頭的作用下產生離心運動，順著冷卻水道甩出攪拌摩擦頭的本體，進入U形收集器，并由出水口流出；

(c)停止階段：停止焊接時，當攪拌摩擦頭開始提升并離開工件時，關閉冷卻水；當出水口不再流出冷卻水后，關閉主電機。

在進一步的實施例中，提供一種攪拌摩擦頭水冷裝置，包括中空的套筒，一端延伸至套筒內并與套筒固定連接的攪拌摩擦頭，延伸至套筒中并與攪拌摩擦頭螺接的輸送管，與輸送管連通的自由水管，以及環繞在攪拌摩擦頭周圍的U型收集器；