[发明专利]一种冷却保护搅拌头和被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置

说明书

技术领域

本发明属于金属焊接领域，涉及一种搅拌摩擦焊接装置，特别涉及一种冷却搅拌头和保护冷却被焊接工件的搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年开发的一种新型固相焊接技术。搅拌摩擦焊接过程中，被焊接材料产生剧烈的塑性变形，可实现焊接接头组织细化和均匀化。焊接过程中较低的热循环作用，减小了组织粗化倾向，使焊接接头具有高的强度和韧性。搅拌摩擦焊接技术克服了传统熔焊焊接技术焊接金属材料时出现的气孔、夹杂、组织粗大等问题，为铝、铜、镁、钢、钛等材料的焊接提供了一条极具发展潜力的方法。

搅拌摩擦焊接技术主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。因此，搅拌头在焊接过程中，经受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，这一问题在焊接高熔点材料，比如钢、钛时显得尤为严重，这对搅拌头的材料提出了较高的要求。因此，设计开发成本低廉且使用寿命长的搅拌摩擦焊用搅拌头成为解决高熔点材料搅拌摩擦焊接的关键问题。高熔点材料焊接时，温度高达1000℃以上，在如此高的温度下能满足使用要求的材料往往是难熔金属合金或结构陶瓷，这些材料的制造和加工难度都较大。目前，大多采用多晶立方氮化硼和钨基合金作为搅拌头材料。钨基合金韧性较好，焊接过程中不易发生脆性破坏，但较易发生磨损，且价格昂贵。而多晶立方氮化硼的耐磨性较好，但其韧性较差，易于脆断，而且商用的PCBN主要为美国所垄断，材料成本昂贵。由此可见，目前设计开发成本低廉，性能优良的搅拌头尚存在较大难度，导致高熔点材料的搅拌摩擦焊接受到较大限制。为了弥补搅拌头材料本身制造加工难、成本高等问题，可以对搅拌头结构进行优化设计。此外，对焊接过程中的搅拌头进行冷却也是一个行之有效的方法。目前的冷却方式主要有两种，一种是在焊接过程中，直接对搅拌头进行冷却液喷洒，另一种方式就是采用内部带循环水冷通道的自冷却式搅拌头，如申请号为200710130673.9的中国专利申请所公开的方式中，在搅拌头中心部位设有冷却介质导入管和导出管实现冷却液的循环冷却。但上述两种方式都存在各自明显的缺点，采用冷却液直接喷洒的手段，会将冷却液喷洒到被焊接工件和焊机工作台上，对焊接过程造成影响，污染焊接设备，焊后清除残留冷却液也比较麻烦。采用带内部循环水冷通道的自冷却式搅拌头可以很好地克服上述问题，但搅拌头的内部结构比较复杂，制造加工困难，而且搅拌头为易损耗件，使用成本较高。再者，带内部循环水冷通道的自冷却式搅拌头为中心空心结构，降低了搅拌头的机械承载力，缩短其使用寿命。

搅拌摩擦焊接过程中产生了大量的摩擦热和塑性变形热，使得焊接接头存在明显的热软化效应，组织粗大，导致焊接接头的强度仍低于母材，特别是高强铝合金焊接接头，其最高强度约为母材强度的80%。例如，2219-T8铝合金的抗拉强度仅为母材强度的65%，7075-T651铝合金的抗拉强度仅为母材强度的75%。因此，在焊接过程中对被焊接工件进行实时冷却十分重要。目前的冷却方式主要有三种方式，一种是空气冷却方式，比如采用自然空气和强制空气冷却方法，这种方法冷却速度较慢，导致焊核区的再结晶晶粒长大，焊缝质量较差。第二种方式是采用冷却液（水、干冰、酒精、液氮及它们的混合物）对被焊接工件进行直接喷洒和浸泡式冷却，此种方式的冷却速度较快，冷却效果明显，但液态冷却介质直接与被连接工件进行接触，液态冷却介质降低了被焊接工件的高温塑性，焊接质量较差。再者，直接喷洒的冷却方式容易对焊接设备造成污染，焊后清扫麻烦。第三种方式是采用外置冷却器对焊接工件进行冷却。如申请号为201210099428.7的中国专利申请所公开的方式中，采用密闭式冷却液循环流动的干式冷却装置对被焊接工件进行非接触式干式冷却。此种密闭式冷却器与被焊接工件不直接接触，焊缝成型性较好，焊接过程干扰较少，但非接触式冷却效果相对较差，且此装置结构复杂，成本相对较高。再者，采用内部带冷却液循环流动的垫板对直接位于其上方的被焊接工件进行实时冷却，这种具有冷却功能的垫板内部为中空或带冷却通道，中空型垫板的支撑作用被大幅降低，而带冷却通道的垫板由于冷却通道的热传导能力有限而导致冷却效果较差。