[发明专利]一种搅拌摩擦焊接装置及方法

说明书

本发明公开了一种搅拌摩擦焊接装置及方法，包括设有中空腔的搅拌棒、夹持体、焊机主轴、支撑小车、冷却装置、水箱、导轨和导管；冷却装置通过密封轴承与焊机主轴外表面连接；夹持体与焊机主轴连接；夹持体夹持搅拌棒一端；搅拌棒另一端穿过被焊接工件与支撑小车适配；导轨设置在支撑小车下方；导管包括第一导管和第二导管；第一导管一端与水箱的出口连接，另一端与冷却装置的进口连接；第二导管一端与支撑小车的冷却液出口连接，另一端与水箱的进口连接。本发明通过采用与被焊接工件相同或相近材质的搅拌棒，降低了搅拌头的成本；通过对搅拌棒施加冷却，提高了焊接的稳定性；同时，搅拌棒贯穿工件，提高了焊接质量和焊接效率。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体来说，涉及一种新型搅拌工具及对应的搅拌摩擦焊接装置及方法。

背景技术

1991年，英国焊接研究所发明了搅拌摩擦焊，这项杰出的焊接技术发明正在为世界制造技术的进步做出贡献。作为一种新型固态连接工艺，与传统熔焊方法相比，具有环保无污染、残余应力低、工件变形小等优点，且广泛适用于铝合金、镁合金、铜合金、钢、钛合金以及复合材料等多种金属材料的连接。多年来，搅拌摩擦焊接以其优质、高效、节能、无污染的技术特色，深受制造业的重视，使其在航空、航天、核能、海洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产业部门得到了愈来愈广泛的应用。

搅拌摩擦焊利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源，由一个圆柱体或其他形状的搅拌头伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转，使其与待焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高并软化，同时，对材料进行搅拌形成塑性流动来完成焊接。

然而，由于需要搅拌头插入工件来旋转摩擦产热，搅拌头因此遭受极为恶劣的服役环境，容易产生磨损和断裂等问题。而且，搅拌头作为非消耗性部件，其强度和耐磨性需远高于被焊工件，导致搅拌头的制作成本较高，尤其是焊接高熔点材料时，不得不采用难熔材料制成的搅拌头，包括钨基、钴基、钼基、镍基合金以及聚晶立方氮化硼(PCBN)等，这些材料成本高昂，加工难度大。此外，有时由于搅拌针长度与被焊材料板厚不匹配，焊缝根部未受到充分搅拌，会产生未焊透缺陷，接头力学性能大大降低。

为此，专利CN213469953U发明了一种风冷静止轴肩、搅拌摩擦焊具及装置，在静轴肩本体内设若干气体通路，通路出口位于与搅拌头配合的配合面上，采用风冷对静轴肩进行冷却。该装置能增强搅拌头的刚性，降低搅拌头在焊接过程中的弯曲程度，但搅拌头的磨损不可避免。专利CN108044229B发明了高熔点材料搅拌摩擦焊的水冷连接装置，该装置采用水冷连接装置，通过对刀柄进行冷却，实现对主轴及搅拌头的冷却，降低对搅拌头加持部分-过渡材料的要求，延长搅拌头的使用寿命。该方案同样不能避免搅拌头的磨损，且此装置是通过过渡套的热传导作用间接冷却搅拌头，冷却效果较弱。专利CN110524105B发明了一种能够在工件中诱导产生塑性涡流的搅拌工具，再通过涡流的移动实现焊接，虽然避免了搅拌头的磨损，但是诱导形成的涡流深度有限，导致可焊接工件厚度受到限制。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种搅拌摩擦焊接装置及方法，采用低值耗材制作的搅拌棒替代常规搅拌头，降低了搅拌工具的制作成本；焊接时在搅拌棒中心通入冷却介质，进行强制冷却，以防搅拌棒断裂和失效，提高了焊接可靠性。同时采用低值耗材制作的搅拌棒可一次性焊透任意厚度，提高了焊接质量和焊接效率。

技术方案：为解决上述技术问题，第一方面，本发明实施例提供一种搅拌摩擦焊接装置：包括设有中空腔的搅拌棒、夹持体、焊机主轴、支撑小车、冷却装置、水箱、导轨和导管；所述冷却装置通过密封轴承与焊机主轴外表面连接；所述夹持体与焊机主轴连接；所述夹持体夹持搅拌棒一端；所述搅拌棒另一端穿过被焊接工件与支撑小车适配；所述导轨设置在支撑小车下方；所述导管包括第一导管和第二导管；所述第一导管一端与水箱的出口连接，另一端与冷却装置的进口连接；所述第二导管一端与支撑小车的冷却液出口连接，另一端与水箱的进口连接；冷却装置、焊机主轴、夹持体、搅拌棒、支撑小车、水箱依次连通，形成冷却液循环回路。