一种搅拌摩擦头水冷装置及方法与流程

本发明涉及搅拌摩擦焊的焊具及其使用技术，特别是涉及一种搅拌摩擦头水冷装置及方法。

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，如搅拌头在高温下容易磨损，影响其使用寿命。因此如何降低搅拌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头和工件冷却器，搅拌头冷却器安装在被焊接工件保护器上端，搅拌头安装在搅拌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，且所述冷却器结构复杂；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；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。

技术实现要素：

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种结构简单，操作方便，实用性强，能有效降低搅拌摩擦头温度，且可间接控制焊接温度场的搅拌摩擦头冷却装置和方法。

技术方案：提供一种搅拌摩擦头水冷装置，包括：

套筒，该套筒上下两端均开口；

搅拌摩擦头，该搅拌摩擦头的下端设有搅拌针，上段部位于所述套筒内，并与套筒固定连接；所述搅拌摩擦头上段的竖直轴向设有一中心孔，中心孔止于所述搅拌针的上端；在所述搅拌摩擦头下段侧壁设有多个冷却水道，所述多个冷却水道与中心孔连通；

输送管，所述输送管下端与搅拌摩擦头上端固定连接，且输送管与所述搅拌摩擦头的中心孔连通；所述输送管上段通过直线轴承与套筒连接，所述直线轴承下端与所述搅拌摩擦头上端设有间隙；

自由水管，设于所述输送管的上方，与输送管连通；

U型收集器，所述搅拌摩擦头下端被该U型收集器包围，U型收集器的开口方向朝向所述多个冷却水道，U型收集器的底部边缘设有出水口。

优选的，所述冷却水道沿搅拌摩擦头径向水平设置，或向下倾斜设置；所述冷却水道沿搅拌摩擦头轴向设置多组，沿周向均匀排布，最下面一组与中心孔的底部连通；这样更有利于冷却水排出。

优选的，所述输送管下端与搅拌摩擦头上端通过螺纹连接，且输送管底部接触面设有高温密封垫，防止冷却水从螺纹连接处溢出影响焊接环境和焊具的使用寿命；所述搅拌摩擦头与套筒通过螺钉固定连接或是通过螺纹连接，方便安装和拆卸，同时又能保证搅拌摩擦头与套筒的稳定连接。

优选的，所述搅拌摩擦头上端侧壁设有凸台或凸块，用于限制搅拌摩擦头放入套筒的位置；所述多个冷却水道的出口低于所述凸台或凸块，以便于冷却水被顺利地甩出。

优选的，所述自由水管的口径小于所述输送管的口径，方便水流由自由水管流入输送管内。

优选的，所述多个冷却水道的直径范围为3～4mm，方便冷却水流出，同时又能保证对搅拌摩擦头的冷却时间。

一种基于所述搅拌摩擦头水冷装置的水冷方法，包括以下步骤：

(a)预热阶段：关闭冷却水，启动焊机主电机，使搅拌摩擦头旋转，对搅拌摩擦头进行预热；

(b)冷却阶段：

(i)焊接开始，打开冷却水，使冷却水经输送管流入搅拌摩擦头的中心孔，对搅拌摩擦头的上部进行冷却；

(ii)冷却水自然流入冷却水道，并进一步对搅拌摩擦头的上部冷却；

(iii)冷却水在旋转的搅拌摩擦头的作用下产生离心运动，顺着冷却水道甩出搅拌摩擦头的本体，进入U形收集器，并由出水口流出；

(c)停止阶段：停止焊接时，当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，关闭冷却水；当出水口不再流出冷却水后，关闭主电机。

在进一步的实施例中，提供一种搅拌摩擦头水冷装置，包括中空的套筒，一端延伸至套筒内并与套筒固定连接的搅拌摩擦头，延伸至套筒中并与搅拌摩擦头螺接的输送管，与输送管连通的自由水管，以及环绕在搅拌摩擦头周围的U型收集器；

搅拌摩擦头具有沿其长度方向延伸的中心孔和一端与中心孔连通，一端延伸至搅拌摩擦头外壁的多个冷却水道；所述U型收集器可覆盖冷却水道的出水口；所述输送管与搅拌摩擦头之间设置有高温密封圈；所述输送管上套接有直线轴承；输送管与中心孔连通。

优选的，所述冷却水道沿搅拌摩擦头中心轴的周向均匀分布且沿搅拌摩擦头径向水平或倾斜向下延伸至搅拌摩擦头的外壁。

优选的，所述搅拌摩擦头的旋向与输送管旋入搅拌摩擦头的旋向相反。

有益效果：通过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的温度，也降低了套筒、搅拌摩擦焊接机机头的温度，改善了设备运行环境，提高焊接质量的同时，延长设备使用寿命；排出的冷却水进入U形收集器，通过出水口排出，不会对周围环境产生影响；同时通过在搅拌摩擦头上端设置中心孔，下端设置冷却水道，不需要专门的密封装置或循环水装置，减少了制作成本，降低了操作难度，该装置结构简单、实用性强；另外装置的焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，冷却方法简单，冷却效果好；便于大规模推广和应用。

附图说明

图1是本发明装置纵剖面结构示意图。

图2是本发明装置的冷却水道示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

如图1和2所示，一种搅拌摩擦头水冷装置，包括自由水管1，输送管2，套筒3，U形收集器6和搅拌摩擦头8。

如图1所示，箭头方向为冷却水的水流方向，套筒上下两端均开口，套筒的下端侧壁设有多个螺纹通孔；搅拌摩擦头下端设有搅拌针，搅拌摩擦头的上端侧壁设有凸台83，上端竖直轴设有内螺纹中心孔84，内螺纹中心孔下端设有与螺纹孔连通的中心孔82，中心孔止于搅拌针的上端，在凸台的下方侧壁设有上下两组冷却水道81，冷却水道与中心孔连通；搅拌摩擦头的上端从套筒的下端放入套筒内，利用凸台限制搅拌摩擦头的轴向运动，固定螺钉5从螺纹通孔旋进，从径向顶紧搅拌摩擦头，使之不能相对套筒旋转，其中，固定螺钉的螺杆长度大于螺纹通孔的长度；搅拌摩擦头下端周围设有U形收集器，U形收集器的开口方向朝向搅拌摩擦头的冷却水道，U形收集器的底部边缘设有出水口7；输送管的下端设有与搅拌摩擦头上端内螺纹匹配的外螺纹，输送管下端与搅拌摩擦头接触面设有高温密封圈4，输送管通过直线轴承9与套筒连接，直线轴承可以使输送管沿轴向运动和旋转；输送管的上端设有自由水管1，自由水管的口径小于输送管的口径。

如图2所示，中心孔的孔径小于内螺纹中心孔的孔径；冷却水道的直径范围为3～4mm，每组有4个冷却水道，冷却水道之间相差90°布置，且冷却水道的水平中心轴线与中心孔的竖直中心轴线相交，使得冷却水经由中心孔进入冷却水道后，仅仅凭其自身重力，也能流出冷却水道。

而且，搅拌摩擦头旋转方向与输送管旋入搅拌摩擦头的旋向相反，以防止焊接过程中输送管松脱导致的漏水现象；搅拌摩擦头上端侧壁的凸台可以改为多个凸块，这样可以减轻搅拌摩擦头的重量；冷却水道向下倾斜设置，这样更加方便冷却水流出。

另外，搅拌摩擦头上端外侧壁设有外螺纹，套筒下端内侧壁设有与之匹配的内螺纹，在焊接之前，将搅拌摩擦头上端旋进套筒中，利用螺纹长度限制搅拌摩擦头的轴向运动；直线轴承使得输送管可以沿着轴向运动和旋转，输送管的下端具有外螺纹，该外螺纹与搅拌摩擦头的内螺纹孔相配合，在套筒上端旋转输送管，即可使输送管与搅拌摩擦头紧固连接；高温密封圈用于防止冷却水从内螺纹孔处溢出；搅拌摩擦头周围被U形收集器所包围，U形收集器的开口方向朝向搅拌摩擦头的冷却水道出口；冷却水道之间相差90度布置，且穿过搅拌摩擦头的中心与中心孔相连，冷却水道的出口须低于搅拌摩擦头上端的外螺纹，以利于冷却水顺利地甩出。

自由水管可采用小口径普通水管，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；高温密封圈可采用耐高温硅胶圈；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；U形收集器可采用普通不锈钢制成。

焊接过程中，自由水管、U形收集器和出水口静止不动，而输送管、套筒、高温密封圈、固定螺钉和搅拌摩擦头是同步旋转的。搅拌摩擦头旋转方向与输送管旋入搅拌摩擦头的旋向相反，与搅拌摩擦头旋入套筒的旋向相同，以防止焊接过程中输送管松脱导致的漏水现象，同时防止焊接过程中搅拌摩擦头与套筒松脱。

冷却时，打开自由水管，冷却水在重力的作用下进入输送管，接着进入搅拌摩擦头的内部，然后进入冷却水道，对搅拌摩擦头直接进行冷却；旋转的搅拌摩擦头会使冷却水产生离心运动，使冷却水顺着冷却水道被甩出搅拌摩擦头本体之外，进入收集槽中，通过出水口流出，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。

该搅拌摩擦头水冷装置的水冷方法，主要包括以下步骤：

(a)预热阶段：关闭冷却水，启动焊机主电机，使搅拌摩擦头旋转，对搅拌摩擦头进行预热；

(b)冷却阶段：

(i)焊接开始，打开冷却水，使冷却水经输送管流入搅拌摩擦头的中心孔，对搅拌摩擦头的上部进行冷却；

(ii)冷却水自然流入冷却水道，并进一步对搅拌摩擦头的上部冷却；

(iii)冷却水在旋转的搅拌摩擦头的作用下产生离心运动，顺着冷却水道甩出搅拌摩擦头的本体，进入U形收集器，并由出水口流出；

(c)停止阶段：停止焊接时，当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，关闭冷却水；当出水口不再流出冷却水后，关闭主电机。

该水冷方法，在搅拌摩擦头预热完成后，正式开始焊接时，才可输入冷却水进行冷却，防止一开始就输入冷却水影响搅拌摩擦头的预热，影响焊接质量和效率；在焊接结束阶段，当搅拌摩擦头停止旋转前，需提前关闭冷却水，待出水口不再有水流出后，方能停止旋转，这样防止搅拌摩擦头已停止旋转，而搅拌摩擦头的中心孔和冷却水道中还有冷却水，更有利于冷却水排净，可以有效提高焊接质量和效率。

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。