专利名称：一种冷却摩擦头和加热连接材料的搅拌摩擦焊方法
技术领域：
本发明提出的一种冷却摩擦头和加热连接材料的搅拌摩擦焊方法属于金属摩擦焊技术领域，特别涉及到冷却摩擦头和加热连接钢材的搅拌摩擦焊方法。
背景技术：
20世纪五十年代我国就已经出现了金属母材转动的摩擦焊连接方法，1995年英国焊接研究所(TWI)在中国获得了“摩擦搅拌焊”的专利权(ZL 95192193.2)，该专利不再用传统的金属材料转动产生摩擦热的概念，提出了另外一种材质硬的金属材质做摩擦头，该摩擦头转动运动状态下进入被连接的材料，由此产生的摩擦热使连接材料达到热塑性温度和热塑性状态，其后，该热塑性金属区域凝固而形成焊接连接。
目前，虽然这种摩擦搅拌焊在铝与铝合金的连接方面取得了很好的效果，但对较硬的钢材的搅拌摩擦焊就碰到了一些困难，主要是选择比被连接金属更“硬”的摩擦头材料不那么容易，还有，为了被连接的钢材要达到更高的热塑性温度从而产生塑性区域也需要摩擦头更高的转动速度和消耗更多的能量。
这些是钢的搅拌摩擦焊遇到的主要问题之一。
发明内容
为了克服背景技术中钢的搅拌摩擦焊存在的上述技术问题，提出一种新型的摩擦头结构和改进搅拌的摩擦焊方法，以便能够有效、高质量的实现钢的搅拌摩擦焊。
本发明的技术方案如下1.一种搅拌摩擦焊的摩擦头，该摩擦头1主要有与动力源连接的传递旋转和压力的结合部、摩擦头主体1-1，搅拌柱头1-2和螺旋突台1-3，其特征在于有摩擦头1中设置冷却循环装置，该冷却循环装置包括摩擦头主体1-1内的密封圈1-4以及其上下配置的上密封法兰1-5和下密封法兰1-6，以及压紧它们的锁紧螺母1-7，在上述锁紧螺母1-7、上密村法兰1-5、下密封法兰1-6以及密封圈1-4的中心部位设有冷却介质导入管3和在其外围配置的冷却介质导出管4，借助该冷却介质导入管3和冷却介质导出管4实现对摩擦头的冷却循环，以便使搅拌柱头1-2和螺旋突台1-3充分冷却而保持足够的高温力学性能。
2.根据上述的具有冷却循环装置的摩擦头1的搅拌摩擦焊方法，该方法包括两个被连接材料2固定并问其中心加压，高速转动的摩擦头1沿着被连接材料2的坡口2-1进入被连接材料2，使其达到热塑性温度并产生塑性区域，以及摩擦头1后面的塑性区域凝固并形成连接焊缝。
其特征在于1)焊前，外加热源3-1、3-2加热被连接的材料2，使其达到被连接材料的热塑性温度，这种外加热源的加热在焊接整个过程中都应当保持；2)启动如权利要求1所述摩擦头1的冷却循环装置，使循环冷却介质可以连续冷却摩擦头1的摩擦柱头1-2和螺旋突台1-3。
3.根据上述的摩擦头1中的冷却循环装置，该装置中的冷却介质可以选用水、压缩空气或导热油。
4.根据上述的搅拌摩擦焊方法，在该方法中外加热源3-1和3-2可以是火焰、电弧、高频、中频、电磁波、微波、激光、电子束中的任何一种。
5.根据上述的搅拌摩擦焊方法，在该方法中依据被连接材料2的材质和要求的强度，被连接材料2由外加热源3-1和3-2加热到其热塑性或超塑性温度。
6.根据上述的搅拌摩擦焊方法，该方法适用于钢制或铜合金制摩擦头焊接钢材的情况。
本发明提出的具有冷却循环装置的摩擦头和被连接材料施加外加热源的搅拌摩擦焊方法能够实现由钢制或铜合金制摩擦头对钢板、钢容器、钢管实施搅拌摩擦焊，这就避免了搅拌摩擦焊接较硬的金属钢时采用昂贵的特殊的摩擦头材质、同时也能减少摩擦焊的转动能量，以及能保证方法的高效和焊接的高质量。
图1冷却摩擦头和连接材料被加热的搅拌摩擦焊的示意图；图2冷却摩擦头结构的示意图；图3利用本发明申请的搅拌摩擦焊连接钢容器的示意图；图4利用本发明的搅拌摩擦焊连接钢管的示意图。
图1是冷却摩擦头和连接材料被加热的搅拌摩擦焊方法的示意图，图中被连接的板状材料2正反两面设有加热源3-1和3-2，当被连接材料2加热到其塑性温度时，具有冷却循环装置的摩擦头1的前端固定着搅拌柱头1-2和螺旋突台1-3，在旋转动力和向下压力F下的作用下，该搅拌柱头1-2和螺旋突台1-3进入连接材料2的坡口2-1，该整个摩擦头1的旋转使坡口2-1达到热塑性温度，并产生热塑性状态。搅拌柱头1-2以及其上的螺旋突台1-3能使坡口2-1的金属垂直和横向充分搅拌均匀，其后凝固，形成连接焊缝。
为了保证摩擦头1、特别是其中的搅拌柱头1-2和螺旋突台1-3适当降低温度，从而保证摩擦头的强度，冷却介质由冷却介质导入口3导入摩擦头1，以及由冷却介质导出口4导出冷却介质，冷却介质在摩擦头1内进行连续冷却循环。
选择冷却介质的种类、控制冷却介质的流速可以使摩擦柱头1-2和螺旋突台1-3的温度不同程度降低。
图2是冷却摩擦头结构的示意图。与动力源连接的传递旋转与压力的结和部(图2未示出)搅拌柱头1-2固定在摩擦头主体1-1的前端，搅拌柱头1-2上还设置着螺旋突台1-3，螺旋突台1-3由上下螺旋突台构成，它们是小角度左、右螺纹，根据摩擦头1的旋转方向确定上下突台的旋转方向。
在摩擦头1内部设置-冷却循环装置，它包括在摩擦头主体1-1内的密封圈1-4，以及在其上下的配置的上密封法兰1-5和下密封法兰1-6，以及压紧它们的锁紧螺母1-7，在上述锁紧螺母1-7、下密封法兰1-5、密封圈1-4和下密村法兰1-6的中心部位设有冷却介质导入管3和其外围配置的冷却介质导出管4，借助这两个管，冷却介质能够进行冷却循环，摩擦头1，特别是摩擦柱头1-2和螺旋突台1-3充分冷却而保持足够的高温力学性能。
图3是利用本发明搅拌摩擦焊方法连接钢容器的示意图。钢容器2被设置在其内外的外加热装置3-1和3-2加热到热塑性温度，在钢容器2的连接坡口2-1处由具有冷却循环装置的摩擦头1实现搅拌摩擦焊。
图4是利用本发明的搅拌摩擦焊方法连接的钢管示意图。卡具5夹紧时接钢管2，该钢管2由中频加热器(图中未标出)使其坡口2-1加热到塑性温度后，由具有冷却循环装置的摩擦头1对着坡口2-1实行搅拌摩擦焊。
权利要求
1.一种搅拌摩擦焊的摩擦头，该摩擦头(1)主要有与动力源连接的传递旋转与压力的结合部、摩擦头主体(1-1)、搅拌柱头(1-2)和螺旋突台(1-3)，其特征在于，在该摩擦头(1)中设置冷却循环装置，该冷却循环装置包括在摩擦头主体(1-1)内的密封圈(1-4)以及其上下的配置的上密封法兰(1-5)和下密封法兰(1-6)，以及压紧它们的锁紧螺母(1-7)，在上述锁紧螺母(1-7)、上密封法兰(1-5)、下密封法兰(1-6)以及密封圈(1-4)的中心部位设有冷却介质导入管(3)和在其外围配置的冷却介质导出管(4)，借助该冷却介质导入管(3)和冷却介质导出管(4)冷却介质实现对摩擦头(1)的冷却循环，以便使摩擦头柱头(1-2)和螺旋突台(1-3)充分冷却而保持足够的高温力学性能。
2.一种采用权利要求1所述的具有冷却循环装置的摩擦头(1)的搅拌摩擦焊方法，该方法包括被连接的两个材料(2)固定并向其中心加压，高速转动的摩擦头(1)沿着被连接材料(2)的坡口(2-1)进入要连接的材料(2)，使其达到热塑性温度并产生塑性区域，以及摩擦头(1)后面的塑性区域凝固并形成连接焊缝；其特征在于，该焊接方法主要包括1)焊前，外加热源(3-1)、(3-2)加热被连接的材料(2)，使其达到被连接材料(2)的热塑性温度，这种外加热源的加热在焊接整个过程中都应当保持；2)启动如权利要求1所述的摩擦头(1)冷却循环装置，使循环的冷却介质可以连续冷却摩擦头(1)的摩擦柱头(1-2)和螺旋突台(1-3)。
3.根据权利要求1所述的摩擦头(1)，其特征在于，所述的冷却循环装置中的冷却介质可以选用水，压缩空气或导热油。
4.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的外加热源(3-1)和(3-2)可以是火焰、电弧、高频、中频、电磁波、微波、激光、电子束中的任何一种。
5.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，依据被连接材料(2)的材质和要求的连接强度，被连接材料(2)由外加热源(3-1)和(3-2)加热到其热塑性或超塑性温度。
6.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊方法，其特征在于，该方法适用于钢制或铜合金制摩擦头焊接钢材的情况。
全文摘要
本发明提出的一种冷却摩擦头和加热连接材料的搅拌摩焊方法属于金属摩擦焊技术领域，为了解决较硬钢材不能用钢质摩擦头的搅拌摩擦焊焊接的技术问题，本发明提出一种冷却摩擦头和被连接材料加热的搅拌摩擦焊方法，该方法用外加热源在整个焊接过程中加热连接材料，使其达到塑性温度，配合以由冷却循环装置冷却降温的摩擦头进行搅拌摩擦焊，被连接材料产生塑性区域，而后凝固成连接焊缝。这样就能达到利用钢制摩擦头搅拌摩擦焊接钢材的目的，本发明的方法适合于钢制或铜合金制摩擦头搅拌摩擦焊接钢制管道、容器等零件。
文档编号B23K20/24GK101073853SQ20071013067
公开日2007年11月21日 申请日期2007年7月16日 优先权日2007年7月16日
发明者罗震, 吴林, 侯贤德 申请人:侯贤德