[发明专利]新型内冷式搅拌焊接头结构及加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及焊接设备加工领域，具体地，涉及新型内冷式搅拌焊接头结构及加工方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年研究发明的一种新型焊接工艺。其一经出现，就在焊接领域引起极大轰动，其原理是利用一个用耐高温、耐磨损材料制成的搅拌头高速旋转插入两被焊工件接缝处，搅拌头与刚性固定的工件摩擦产生热量使周围的金属达到塑性软化状态。随着搅拌头的旋转前进，塑性金属在搅拌针搅拌力的作用下发生从前到后的流动，两被焊工件的塑性金属混合在一起重新结晶实现连接。由于在整个焊接过程中，被焊工件只达到塑性软化状态而没有发生熔化，因此搅拌摩擦焊是一种连续的固相连接技术。

与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊能保证母材的冶金性能以及优良的接头机械性能，避免接头熔化产生的裂缝、气孔等缺陷，同时由于固相焊接温度较低，热影响区小，避免焊缝金属蒸发产生合金元素损失，因此接头的力学性能好，同时操作简单，极易实现机械自动化。

由于其自身的特点，搅拌摩擦焊自出现以来就倍受焊接界的青睐。目前应用最多的是同种或异种铝合金的焊接，避免气孔、大变形等焊接缺陷的产生，得到理想的焊接接头。随着研究的深入，搅拌摩擦焊在铜合金、钦合金以及低碳钢的焊接上也取得了进一步的发展。对于低熔点金属铝合金来说，在较低温度(500℃左右)下就能够达到塑性状态，材料选用不锈钢、工具钢材料就可以达到要求。

对于高熔点金属来说，搅拌焊接过程产生的高温会对轴肩部位产生较大的磨损，严重影响搅拌头的使用寿命，因此实现高熔点金属搅拌摩擦焊的难点在于选择合理的搅拌头材料和设计合理的搅拌头结构，在当前的材料水平下，通过设计合理的内部结构以减少搅拌头磨损失效的几率，延长使用寿命为最可行的解决方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明为了解决高熔点金属搅拌摩擦焊接过程搅拌头过热导致的磨损加剧问题，提出了一种新型的内冷式搅拌头结构及加工方法。即首先利用数值仿真技术确定内流道的布局形式，主要有螺旋形式、U型流道，然后采用金属粉末逐层累加制造的方法完成搅拌头的制造，最后利用水磨抛光降低内部孔道的粗糙度。

根据本发明提供的一种新型内冷式搅拌焊接头结构，包括搅拌头，搅拌头的内部布置有内部流道以加强搅拌头冷却，防止高熔点金属搅拌摩擦焊接过程中搅拌头过热。

优选地，内部流道的延伸形状为开口背向被焊工件的U型或者与搅拌头同轴的螺旋形，所述内部流道的直径为1.5-5mm。

优选地，内部流道内含有冷却液，冷却液流量为10-50L/min，搅拌头旋转速度为200-10000r/min。

优选地，搅拌头的内部流道与驱动搅拌头的机床旋转主轴同步旋转，冷却液在机床旋转主轴与搅拌头的内部流道之间流通，不设置内部流道之外的其它冷却装置。

优选地，在搅拌头轴肩处的内部流道中的冷却液体不产生紊流，以降低搅拌头与母材摩擦局部温度。

根据本发明提供的一种上述的新型内冷式搅拌焊接头结构的加工方法，采用逐层累加方法制造所述新型内冷式搅拌焊接头结构的搅拌头，具体为：采用激光光源或者等离子弧热源这些高能束，利用金属粉末逐层烧结的方式，按预先设定的搅拌头形状累加成形。

优选地，选择性激光烧结设备的加工过程工艺参数为：激光功率：100-1000W；铺粉厚度：0.01-0.1mm/层；激光扫描间距：0.01-0.2mm；扫描速度：500-2000mm/min。

优选地，搅拌头中的内部流道成形后采用液体打磨的形式降低内部流道表面粗糙度，粗糙度小于5μm。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明采用内部布置微细内流道的方法实现高熔点金属搅拌焊接过程的有效冷却。

2、本发明提出了内冷使流道的制造工艺方法，利用金属粉末逐层堆积的工艺完成内流道的快速制造，利用水研磨工艺提升流道内部光洁度。本发明通过采用内流道冷却的方法，利用增材制造工艺逐步累加完成中空搅拌头的制造，加强搅拌焊过程散热效果，提升搅拌头使用寿命。

3、采用本发明提出的结构及工艺方法可以有效克服搅拌头使用过程中因轴肩发热引起的磨损加剧，搅拌头寿命缩短的问题，为搅拌摩擦焊接应用于高熔点金属的焊接提供了有效的解决方式。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1搅拌焊接工作原理

图2内冷式搅拌头原理示意图

图中：

1-搅拌头