[发明专利]一种冷却摩擦头和加热连接材料的搅拌摩擦焊方法

说明书

技术领域：

本发明提出的一种冷却摩擦头和加热连接材料的搅拌摩擦焊方法属于金属 摩擦焊技术领域，特别涉及到冷却摩擦头和加热连接钢材的搅拌摩擦焊方法。

背景技术：

20世纪五十年代我国就已经出现了金属母材转动的摩擦焊连接方法，1995 年英国焊接研究所(TW1)在中国获得了“摩擦搅拌焊”的专利权(ZL 95192193.2)，该专利不再用传统的金属材料转动产生摩擦热的概念，提出了另 外一种材质硬的金属材质做摩擦头，该摩擦头转动运动状态下进入被连接的材 料，由此产生的摩擦热使连接材料达到热塑性温度和热塑性状态，其后，该热 塑性金属区域凝固而形成焊接连接。

目前，虽然这种摩擦搅拌焊在铝与铝合金的连接方面取得了很好的效果， 但对较硬的钢材的搅拌摩擦焊就碰到了一些困难，主要是选择比被连接金属更 “硬”的摩擦头材料不那么容易，还有，为了被连接的钢材要达到更高的热塑 性温度从而产生塑性区域也需要摩擦头更高的转动速度和消耗更多的能量。

这些是钢的搅拌摩擦焊遇到的主要问题之一。

发明内容：

为了克服背景技术中钥的搅拌摩擦焊存在的上述技术问题，提出一种新型的 摩擦头结构和改进搅拌的摩擦焊方法，以便能够有效、高质量的实现钢的搅拌 摩擦焊。

本发明的技术方案如下：

1.一种搅拌摩擦焊的摩擦头，该摩擦头1主要有与动力源连接的传递旋转和压 力的结合部、摩擦头主体1—1，搅拌柱头1—2和螺旋突台1—3，其特征在于： 在摩擦头1中设置冷却循环装置，该冷却循环装置包括：摩擦头主体1—1前端 装有搅拌柱头1—2，搅拌柱头1—2内部设有直达其底部的中心盲孔，摩擦头主 体1—1内的密封圈1—4以及上下配置上密封法兰1—5和下密封法兰1—6，以 及压紧所述上密封法兰1-5和下密封法兰1-6的锁紧螺母1—7，在上述锁紧螺母 1—7、上密封法兰1—5、下密封法兰1—6以及密封圈1—4的中心部位设有冷 却介质导入管3和在冷却介质导入管3外围配置的冷却介质导出管4，借助该冷 却介质导入管3和冷却介质导出管4以及搅拌柱头1—2的中心盲孔实现对摩擦 头的冷却循环，以便使搅拌柱头1—2和螺旋突台1—3充分冷却而保持足够的 高温力学性能。

2.根据上述搅拌摩擦焊的摩擦头1的搅拌摩擦焊方法，该方法包括两个被连接 的材料2固定并问其中心加压，高速转动的摩擦头1沿着被连接的材料2的坡口 2一1进入被连接的材料2，使其达到热塑性温度并产生塑性区域，以及摩擦头 1后面的塑性区域凝固并形成连接焊缝。

其特征在于：

1)焊前，第一外加热源3—1和第二外加热源3—2从被连接的材料2正反两 面加热被连接的材料2，使其达到被连接材料的热塑性温度，这种第一和第二外 加热源的加热在焊接整个过程中都应当保持；

2)启动摩擦头1的冷却循环装置，使循环冷却介质可以连续冷却摩擦头1的 摩擦柱头1—2和螺旋突台1—3。

3.根据上述的摩擦头1中的冷却循环装置，该装置中的冷却介质选用水、压缩 空气或导热油。

4.根据上述的搅拌摩擦焊方法，在该方法中第一外加热源3—1和第二外加热 源3—2是火焰、电弧、高频、中频、电磁波、微波、激光、电子束中的任何一 种。

5.根据上述的搅拌摩擦焊方法，在该方法中依据被连接的材料2的材质和要求 的强度，被连接材料2由第一外加热源3—1和第二外加热源3—2加热到其热 塑性或超塑性温度。

6.根据上述的搅拌摩擦焊方法，该方法适用于钢制或铜合金制摩擦头焊接钢材 的情况。

本发明提出的具有冷却循环装置的摩擦头和被连接材料施加外加热源的搅 拌摩擦焊方法能够实现由钢制或铜合金制摩擦头对钢板、钢容器、钢管实施搅 拌摩擦焊，这就避免了搅拌摩擦焊接较硬的金属钢时采用昂贵的特殊的摩擦头 材质、同时也能减少摩擦焊的转动能量，以及能保证方法的高效和焊接的高质 量。

附图说明：

图1冷却摩擦头和被连接的材料被加热的搅拌摩擦焊的示意图；

图2冷却摩擦头结构的示意图；

阳3利用本发明申请的搅拌摩擦焊连接钢容器的示意图；

图4利用本发明的搅拌摩擦焊连接钢管的示意图。