搅拌摩擦头水气联合冷却装置及方法与流程

本发明涉及一种有色金属焊接加工领域，特别适用于新式搅拌摩擦焊的焊具及其使用技术。

背景技术：

自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但仍然存在很多难点，如搅拌摩擦头在高温下容易磨损，影响其使用寿命。因此如何降低搅拌摩擦头的工作温度成了重要的工作。

现有技术一设计了专门的搅拌摩擦头和工件冷却器，搅拌摩擦头冷却器安装在被焊接工件保护器上端，搅拌摩擦头安装在搅拌摩擦头冷却器和被焊接工件保护器之中，冷却介质用于间接冷却搅拌摩擦头，且冷却器结构复杂。现有技术二同样通过冷却介质间接冷却搅拌摩擦头，所设计的冷却水系统结构复杂，但显然这个方法所需要的冷却装置较大且适用性不强；此外现有技术三通过固定设置在主轴头机箱的下方冷却盘来冷却主轴头的杆部，但需要多种进油管路、出油管路，需要设计蓄能器和平衡阀，实际上还是一种间接冷却方法。

因此，设计出一种既能最大程度实现搅拌摩擦头冷却功能、又能最大程度地避免影响焊接质量、又能够简单快速操作的冷却方法和装置成为了一个迫在眉睫的重要任务。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有搅拌摩擦焊接过程中，搅拌摩擦头温度较高从而影响使用寿命的问题，也为了间接控制焊接温度场，本发明提供一种搅拌摩擦头水气联合冷却方法及装置。

技术方案：一种搅拌摩擦头水气联合冷却装置，包括套筒、固定于所述套筒端部并可与套筒一起转动的搅拌头，以及延伸至套筒内部的输送管；所述搅拌头的顶部具有弧形凹面，该弧形凹面上开有一沿搅拌头轴向延伸的中心凹槽；所述搅拌头上具有多个冷却通道，所述冷却通道的一端位于弧形凹面或中心凹槽内，另一端位于搅拌头的侧壁；所述套筒的内侧固定有空气增压装置。

在进一步的实施例中，所述输送管上安装有节流阀。所述空气增压装置为风扇。所述冷却通道沿中心轴的周向均匀分布；所述冷却通道与中心轴的夹角为25-65度。所述搅拌头设置有固定台肩，所述固定台肩与套筒的末端抵接；所述冷却通道的出口位于台肩的下方。

一种基于上述任一项实施例所述冷却装置的搅拌摩擦头水气联合冷却方法，包括如下步骤：在预热阶段，关闭冷却水流量；开始焊接时，打开冷却水；在焊接结束阶段，当搅拌摩擦头开始上提时，关闭冷却水流量。

进一步包括如下步骤：

在进一步的实施例中，在搅拌摩擦头上加工圆形凹槽、中心凹槽和冷却通道；将输送管伸入套筒内，并穿过风扇；将搅拌摩擦头固定安装在套筒下端；启动焊机主电机，使搅拌摩擦头旋转；焊接开始、预热阶段过后，打开节流阀，开始输送冷却水；当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，停止输送冷却水，以免引起冷却水在搅拌摩擦头的内部堆积。

工作原理：搅拌摩擦头上的圆形凹槽用于限制冷却水的流向，中心凹槽用于存储一定的冷却水，冷却通道相对轴线倾斜布置且相对中心轴对称分布。当冷却水在重力、气流的作用接触圆形凹槽时，一部分冷却水进入冷却通道、一部分冷却水直接进入中心凹槽中，对搅拌摩擦头直接进行冷却；由于旋转的搅拌摩擦头会使冷却水产生离心运动，此时圆形凹槽会抑制其余部分冷却水继续沿着圆周方向运动，在搅拌摩擦头的高温作用下，这部分冷却水会迅速气化，在风扇引起的空气压差的作用下顺着冷却通道被排出搅拌摩擦头本体之外。如果需要增强冷却效果，可调节节流阀，增大水量；如果冷却过度或中心凹槽储水过多，可减小水量。

有益效果：

1. 通过冷却水对搅拌摩擦头的非焊接部位进行冷却，不仅降低了搅拌摩擦头温度，也降低了套筒、搅拌摩擦焊机机头的温度，改善了设备运行环境。

2. 对搅拌摩擦头进行冷却不仅可以减轻高温对搅拌摩擦头的不利影响，还可间接控制焊接温度场；所排出的冷却介质为气态，不会对周围环境产生影响。

3. 不需要专门的密封装置或循环水装置，减小了制作成本和操作难度，结构简单、实用性强。该焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实意义。

附图说明

图1为搅拌摩擦头水气联合冷却装置的结构示意图。

图2为搅拌摩擦头的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，在该实施例中，水气联合冷却装置主要包括节流阀1、输送管2、套筒3、空气增压装置4和搅拌头（或称搅拌摩擦头）5。其中搅拌头5的顶端具有弧形凹面51，搅拌头上开有与中心线同轴的中心凹槽52，搅拌头的外周具有固定台肩53。沿搅拌头中心轴的周向均匀设置有冷却通道54。冷却通道的进水/气端位于弧形凹面或者中心凹槽的侧壁，出水/气端位于搅拌头的外壁，且位于固定台肩的下方。

从图1中可知冷却装置中各零件或部件的位置和连接关系。节流阀安装在输送管上，输送管的出水端延伸至套筒中，并位于弧形凹面的上方。在该实施例中，空气增压装置为风扇，安装固定在套筒的内侧，弧形凹面的上方。由于风扇、套筒和搅拌头是固定连接的，因此在转动时，三者是同时转动的。

在焊接过程中，搅拌摩擦头温度较高且远超过水的沸点的特征，通过冷却水对搅拌摩擦头的非焊接部位进行冷却，在高温作用下，气化的冷却水在空气压差和搅拌摩擦头旋转产生的离心力作用下快速离开搅拌摩擦头本体，从而带走了大量热量，且不会在搅拌摩擦头附近形成水的累积。风扇旋转使得套筒内的气体向搅拌摩擦头的方向运动，从而在搅拌摩擦头与风扇之间的空气压力大于搅拌摩擦头外部环境的空气压力，形成了空气压差。

在进一步的实施例中，搅拌摩擦头上的圆形凹槽用于限制冷却水的流向，中心凹槽用于存储一定的冷却水，圆形凹槽和中心凹槽均与冷却通道相连。冷却通道相对轴线倾斜布置且相对中心轴对称分布，冷却通道的出口须低于搅拌摩擦头的台肩，以利于向空气中排放。通过调节节流阀控制冷却水的流量，可控制冷却程度、防止过度冷却导致中心凹槽储水过多。

所述冷却通道与中心轴的夹角为25-65度。该角度与冷却通道的内径、单位时间内的水流量，以及搅拌摩擦头的转速等参数进行优选的。使各冷却通道中的水能够达到预定的水量，进而能够充分发挥冷却效果。

在进一步的实施例中，节流阀可采用电磁节流阀；输送管用于流过冷却水，可采用普通不锈钢制成；套筒用于安装搅拌摩擦头，既要具有刚度，又要求具有防腐蚀性能，因此可采用高强度不锈钢材料制成；风扇的叶片的中间穿过输送管，但两者不接触，可采用薄板不锈钢制成；搅拌摩擦头可采用普通工具钢或高温合金钢或高温陶瓷制成。

搅拌摩擦头冷却通道的直径范围为2-3mm，冷却通道相对于搅拌摩擦头的轴线对称分布，每个冷却通道54的轴线均与搅拌摩擦头的轴线相交，使得冷却水经由圆形凹槽或中心凹槽进入冷却通道后，仅仅凭其自身重力，也能流出冷却通道。当高温状态的搅拌摩擦头高速旋转时，在附加的离心力作用下，水滴吸收热量而被气化，同时在能够更快地脱离冷却通道。

该搅拌摩擦头的冷却方法，主要步骤如下：

(1) 在搅拌摩擦头上加工圆形凹槽、中心凹槽和冷却通道；

(2) 将输送管伸入套筒内，并穿过风扇；

(3) 将搅拌摩擦头固定安装在套筒下端；

(4) 启动焊机主电机，使搅拌摩擦头旋转；

(5) 焊接开始、预热阶段过后，打开节流阀1，开始输送冷却水；

(5) 当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，停止输送冷却水，以免引起冷却水在搅拌摩擦头的内部堆积。

(6) 整个焊接阶段，禁止人体裸露部位靠近搅拌摩擦头，以免被灼伤，焊接任务结束后，待搅拌摩擦头冷却至常温，拆下搅拌摩擦头，检查中心凹槽内有无积水，如有则倒掉冷却水。

在焊接过程中焊接时输送管静止不动，而套筒、搅拌摩擦头、与套筒固定连接的风扇都是旋转的。搅拌摩擦头上具有固定台肩，在焊接之前，将搅拌摩擦头上端放入套筒中，利用台肩限制搅拌摩擦头的轴向运动。

该方法的要点如下：在预热阶段，关闭冷却水流量；正式开始焊接时，打开冷却水；在焊接结束阶段，当搅拌摩擦头开始上提时，关闭冷却水流量；在冷却装置使用期间，禁止人体裸露部位接近搅拌摩擦头，以避免被高温气体灼伤。

总之，本发明针对焊接过程中搅拌摩擦头温度较高且远超过水的沸点的特征，通过冷却水对搅拌摩擦头的非焊接部位进行冷却，在空气压差和搅拌摩擦头旋转产生的离心力作用下，冷却水通过冷却通道并快速离开搅拌摩擦头本体；在高温作用下，冷却水已经气化，离开搅拌摩擦头时已经不是液态，不仅从搅拌摩擦头上带走了大量热量，而且不会在搅拌摩擦头附近形成水的累积；通过控制水流量可调节冷却效果；该冷却装置由输送管、节流阀、风扇、套筒、搅拌摩擦头组成；搅拌摩擦头上具有圆形凹槽、中心凹槽、冷却通道，冷却通道相对中心轴对称分布。从上述实施例可知，该冷却装置结构简单、实用性强、成本低廉、容易实现且装配方便，具有重要的现实应用意义。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。