一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法，平面热管装置包括第一平面热管组件和第二平面热管组件，将平面热管同时施加在焊缝两侧及其上表面，分别将其冷凝段伸出至试板外部并伸入到可调节流速的水槽内。第一平面热管可将已焊部位热量传导至待焊位置，强化对试板的事先预热，第二平面热管对仍处于高温状态下的焊缝进行散热降温。本发明不需将液态介质引入待焊工件表面或焊接区域，结构紧凑、易于制作、可靠性高，可使热源温度控制在合理的温升范围内，可及时有效地对处于高温状态的焊缝进行高效的散热，并将焊接热源的余热有效传导至待焊工件，降低搅拌工具的摩擦、磨损，同时，达到改善焊缝组织，最终提高焊缝综合性能的目的。
【专利说明】一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法，属于能源动力及材料工程领域。
【背景技术】
[0002]搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)是一种新型的固相连接技术,克服了熔焊方法容易产生裂纹和气孔等焊接缺陷的问题，使得以往难于熔焊的某些材料实现了优质的焊接，并在焊接铝、镁及其合金等领域具有不可替代的明显优势。在搅拌摩擦焊过程中，搅拌头与被焊材料摩擦产生高温，搅拌头周围材料进入热塑化状态，并在热和力的作用下发生扩散与动态再结晶。然而，通常条件下，搅拌摩擦焊过程都是在空气等介质环境下进行，环境介质热物理性质较差，在焊接过程中难以充分吸收、散失摩擦产热，不利于焊缝的快速冷却和获得均匀、较窄的焊接温度场。同时，在焊缝两侧形成了较宽的热影响区，极易造成焊缝组织的粗大与不均匀性，并导致较大的焊接残余热应力，从而降低焊缝的力学性能。目前，研究人员通过引入冷却介质的方式来改变焊接热循环以及温度场分布状况，从而达到改善搅拌摩擦焊焊缝成形、提高接头力学性能的效果。其中，较为常见方法是采用浸入式揽拌摩擦焊(Submerged Friction Stir Welding-SFSW)(专利申请号:200810209844.1、200910072037.4)，该方法中整个焊接过程都是在水中完成的，利用水冷作用使焊接接头强制冷却。此外，有研究者采用阵列式射流冲击热沉系统(专利申请号200510105425.X)，对仍处于高温状态的焊缝进行局部冷却，从而控制焊接应力与变形，该发明主要适用于解决搅拌摩擦焊接薄壁构件时出现的应力与变形的等问题。上述几种冷却方式都使焊件处于“潮湿”环境下，焊缝存在吸氢缺陷和腐蚀问题，且其设备较为复杂。
[0003]热管技术是20世纪60年代出现的一种传热新技术，其导热能力超过任何已知金属的导热能力，主要依靠封闭在管内的工质液体反复相变(蒸发、冷凝)来进行高效传热，可以在无需外加动力的情况下将大量热量通过其很小的截面积进行远距离传输。热管具有很高的导热性、优良的等温性、优良的热响应性以及热二极管与热开关等性能，目前，在工业领域已获得了广泛的应用。
[0004]目前，搅拌摩擦焊在接头质量控制、装置与方法等方面还存在不足，必须有效改善搅拌摩擦焊接头热量过于集中的问题，同时对于焊接热源处产生的过多热量进行有效利用。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法，有效改善搅拌摩擦焊接头热量以及温度场的不均匀分布状况，以及针对焊接过程中的余热进行有效利用。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明的一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法，在焊接过程中利用热管优良的导热性能实现对焊缝的散热并将热量及时传输至试板待焊部位；同时，对平面热管的冷凝段进行水冷，提高热管的冷却效率。具体方案如下:
一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，包括第一平面热管组件和第二平面热管组件，所述第一平面热管组件包括一对第一平面热管，该对第一平面热管的第一蒸发段施加在试板焊缝起始端位置两侧，该对第一平面热管的第一冷凝段伸入至第一水槽内；所述第二平面热管组件包括第二平面热管，第二平面热管的第二蒸发段紧贴于焊缝起始端上表面，第二平面热管的第二冷凝段伸入至第二水槽内；所述第一蒸发段和第二蒸发段分别为第一平面热管和第二平面热管的热量吸收端，所述第一冷凝段和第二冷凝段分别为第一平面热管和第二平面热管的热量释放端。
[0007]所述第一水槽和第二水槽均包括入水口阀门和出水口阀门。第一水槽和第二水槽均为腔型长方体结构，并且采用镀锌钢板制造，保证其有足够的容量及耐腐蚀性能，在水槽前端面上加工有左、右对称的长方形开口，用于将平面热管冷凝段伸入水槽内部。同时，在水槽的左、右侧面加工出相同直径的通孔，并安装入水口阀门和出水口阀门。
[0008]所述第一平面热管和第二平面热管均包括管壳和位于管壳内的液体工质与吸液芯，所述管壳为一封闭的具有矩形横截面和上、下平面的空间腔体。管壳表面具有一定平整度，将管壳内抽成负压以后充以适量的液体工质后封装。
[0009]所述管壳为具有优良导热性的紫铜或铜合金制作而成，所述吸液芯为泡沫金属材料制成，所述液体工质为蒸馏水、甲醇或丙酮，液体工质为也可以是溶有Si02、Al2O3或CuO纳米等颗粒的蒸馏水、甲醇或丙酮的纳米流体。
所述第一水槽和第二水槽内靠近出水口阀门处设有温度计。所述的温度计用于测量水槽出水口附近的水温，并根据出水口的水温高低，调节进、出水阀的水流速度。
[0010]一种基于上述用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置的方法，包括以下步骤:
1)将一对第一平面热管的第一蒸发段分别施加在试板焊缝起始端位置两侧，将第二平面热管的第二蒸发段紧贴于焊缝起始端上表面；
2)将第一水槽和第二水槽分别置于试板的前、后两端，再分别将第一冷凝段和第二冷凝段伸入至第一水槽和第二水槽内部，打开第一水槽和第二水槽的进水口阀门和出水口阀门，通过调节水流速度和入水流量，控制其出水温度；
3)对试板进行搅拌摩擦焊接，将紧贴在焊缝起始端上表面位置的第二平面热管紧随搅拌工具，跟踪焊缝移动，同时，整个第二平面热管组件随搅拌工具移动；通过第一平面热管将焊接过程产生的热量迅速传导至试板待焊部位实现焊前预热，通过第二平面热管对焊缝进行冷却散热。
[0011]在所述步骤I)中，首先在第一平面热管和第二平面热管的管壳下底面刷涂一层薄薄的导热硅脂，然后再分别放置在试板焊缝起始端两侧位置以及焊缝起始端上表面位置。
[0012]有益效果:本发明的一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法，与现有技术相比，具有以下优点:
(I)将传热效能极高的热管技术应用于搅拌摩擦焊，位于焊缝上表面的平面热管可及时地对焊缝(包括热影响区)实现高效的冷却降温，加快焊接过程的冷却速度，降低焊接峰值温度，缩小和减弱了焊接热影响区的宽度和软化程度，细化了焊缝区的晶粒，减小焊接应力，提高接头的综合力学性能。[0013](2)利用热管的导热迅速的特性，对焊接过程中产生的余热加以利用。位于焊缝两侧的平面热管可对试板的待焊(材料)部位进行焊前预热软化，大大降低了焊接过程中搅拌工具的行进及旋转阻力，尤其对搅拌摩擦焊焊接高熔点材料以及对提高焊接速度、生产效率，降低能耗具有积极的指导意义。
[0014](3)装置的冷却系统具有较强的调节功能，通过改变冷却水的流速，可对不同材料、不同参数下的搅拌摩擦焊接工艺产热进行冷却调整，实现对焊缝质量的优化控制。
[0015](4)结构简单，制作方便，实用性强，在保证尺寸匹配的条件下，能适合不同材料、不同尺寸试板搅拌摩擦焊焊缝散热以及质量控制。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置示意图；
图2为平面热管横截面示意图；
图中，I第一平面热管，2第一平面热管，3第一水槽，4第二水槽，5入水口阀门，6出水口阀门，9焊缝起始端，10液体工质，11吸液芯，12管壳，13第一蒸发段，14第二蒸发段，15第一冷凝段，16第二冷凝段，17长方形开口，18温度计，19搅拌工具，20试板。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0018]如图1和2所示，一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，包括第一平面热管组件和第二平面热管组件，第一平面热管组件包括一对第一平面热管I，该对第一平面热管I的第一蒸发段13施加在试板20焊缝起始端9位置两侧，该对第一平面热管I的第一冷凝段15伸入至第一水槽3内；第二平面热管组件包括第二平面热管2，第二平面热管2的第二蒸发段14紧贴于焊缝起始端9上表面，第二平面热管2的第二冷凝段16伸入至第二水槽4内；第一蒸发段13和第二蒸发段14分别为第一平面热管I和第二平面热管2的热量吸收端，第一冷凝段15和第二冷凝段16分别为第一平面热管I和第二平面热管2的热量释放端。
[0019]本实施例中,第一水槽3和第二水槽4均包括入水口阀门5和出水口阀门6。第一水槽3和第二水槽4均为腔型长方体结构，并且采用镀锌钢板制造，保证其有足够的容量及耐腐蚀性能，在水槽前端面上加工有左、右对称的长方形开口 17，用于将平面热管冷凝段伸入水槽内部。同时，在水槽的左、右侧面加工出相同直径的通孔，并安装入水口阀门5和出水口阀门6。第一平面热管I和第二平面热管2均包括管壳12和位于管壳12内的液体工质10与吸液芯11，管壳12为一封闭的具有矩形横截面和上、下平面的空间腔体。管壳12表面具有一定平整度，将管壳12内抽成负压以后充以适量的液体工质10后封装。管壳12为具有优良导热性的紫铜或铜合金制作而成，吸液芯11为泡沫金属材料制成，液体工质10为蒸馏水、甲醇或丙酮，液体工质10为也可以是溶有Si02、Al2O3或CuO纳米等颗粒的蒸馏水、甲醇或丙酮的纳米流体。第一水槽3和第二水槽4内靠近出水口阀门6处设有温度计18。温度计18用于测量水槽出水口附近的水温，并根据出水口的水温高低，调节进、出水阀的水流速度。
[0020]按照以下方法对搅拌摩擦过程中焊缝(及两侧)金属进行冷却降温以及焊前试板20预热:
首先，将试板20按搅拌摩擦焊的夹持要求进行装配，并在焊件待焊接头位置留出一定宽度的空间，保证搅拌头的行进以及平面热管的放置。
[0021]然后，选用两根规格一致的平面热管，即第一平面热管1，并将其第一冷凝段15分别通过第一水槽3的左、右位置的冷凝段入口，即长方形开口 17，伸入到第一水槽3内。根据试板20长度(待冷却焊缝长度)，将第一平面热管I的第一蒸发段13预留在第一水槽3外。另选用第三根平面热管，即第二平面热管2，采用同样方式，将第二冷凝段16伸入第二水槽4内，第二蒸发段14留在第二水槽4外部。
[0022]之后，采用防水粘合剂或其他密封胶水对水槽长方形开口 17进行密封。当平面热管与水槽固定配合成一体之后，将留在水槽外部的平面热管下底面均匀刷涂一层薄薄的导热硅脂，再将两根第一平面热管I分别平行放置在待焊试板20接头中心线两侧位置以及待焊焊缝的上表面，保证第一热管的底面与试板20充分贴合，两个水槽分别放置在待焊试板20前、后方的焊接平台上。
[0023]最后，开启第一水槽3和第二水槽4的入水口阀门5，注入冷却水，待冷却水没过冷凝段后打开出水口阀门6，控制合适、稳定的水流速度。以上冷却系统组装并正常工作以后，即可对待焊试板20进行施焊，并在焊接过程中，再将第二平面热管2的第二蒸发段14紧贴于焊缝前端的上表面，随搅拌工具19 一起移动。整个焊接过程中，根据焊接的产热大小，以及温度计18测量水温高低，分别调节第一水槽3和第二水槽4冷却水的流量大小，实现对焊接过程中焊缝金属热量的传输与冷却。
[0024]本实施例中，通过改变进出第一水槽3和第二水槽4的水流大小，可以有效控制第一水槽3和第二水槽4内冷却水对第一平面热管I和第二平面热管2的第一冷凝段15和第二冷凝段16的散热效果，从而可以保证整个第一平面热管I和第二平面热管2处在较低温度条件下，使得两组热管的第一蒸发段13和第二蒸发段14可将焊接热源处的热量持续不断传导出去，使第一平面热管I和第二平面热管2始终保持高效的冷却散热，从而对整个焊接过程起到良好的散热冷却作用。
[0025]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出:对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，其特征在于:包括第一平面热管组件和第二平面热管组件，所述第一平面热管组件包括一对第一平面热管(I )，该对第一平面热管(O的第一蒸发段(13)施加在试板(20)焊缝起始端(9)位置两侧，该对第一平面热管(I)的第一冷凝段(15)伸入至第一水槽(3)内；所述第二平面热管组件包括第二平面热管(2)，第二平面热管(2)的第二蒸发段(14)紧贴于焊缝起始端(9)上表面，第二平面热管(2)的第二冷凝段(16)伸入至第二水槽(4)内；所述第一蒸发段(13)和第二蒸发段(14)分别为第一平面热管(I)和第二平面热管(2 )的热量吸收端，所述第一冷凝段(15 )和第二冷凝段(16)分别为第一平面热管(I)和第二平面热管(2)的热量释放端。
2.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，其特征在于:所述第一水槽(3 )和第二水槽(4 )均包括入水口阀门(5 )和出水口阀门(6 )。
3.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，其特征在于:所述第一平面热管(I)和第二平面热管(2)均包括管壳(12)和位于管壳(12)内的液体工质(10)与吸液芯(11)，所述管壳(12)为一封闭的具有矩形横截面和上、下平面的空间腔体。
4.根据权利要求3所述的用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，其特征在于:所述管壳(12)为具有优良导热性的紫铜或铜合金制作而成，所述吸液芯(11)为泡沫金属材料制成，所述液体工质(10)为蒸馏水、甲醇或丙酮。
5.根据权利要求4所述的用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，其特征在于:所述液体工质(10)为溶有SiO2、Al2O3或CuO纳米颗粒的蒸馏水、甲醇或丙酮的纳米流体。
6.根据权利要求2所述的用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置，其特征在于:所述第一水槽(3)和第二水槽(4)内靠近出水口阀门(6)处设有温度计(18)。
7.一种基于权利要求1至6任一项所述的用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置的方法，其特征在于，包括以下步骤: 1)将一对第一平面热管(I)的第一蒸发段(13)分别施加在试板(20)焊缝起始端(9)位置两侧，将第二平面热管(2)的第二蒸发段(14)紧贴于焊缝起始端(9)上表面； 2)将第一水槽(3)和第二水槽(4)分别置于试板(8)的前、后两端，再分别将第一冷凝段(15)和第二冷凝段(16)伸入至第一水槽(3)和第二水槽(4)内部，打开第一水槽(3)和第二水槽(4 )的进水口阀门(5 )和出水口阀门(6 )，通过调节水流速度和入水流量，控制其出水温度； 3)对试板(8)进行搅拌摩擦焊接，将紧贴在焊缝起始端(9)上表面位置的第二平面热管(2)紧随搅拌工具(19)，跟踪焊缝移动，同时，整个第二平面热管组件随搅拌工具(19)移动；通过第一平面热管(I)将焊接过程产生的热量迅速传导至试板(20)待焊部位实现焊前预热，通过第二平面热管(2)对焊缝进行冷却散热。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:在所述步骤I)中，首先在第一平面热管(I)和第二平面热管(2)的管壳(12)下底面刷涂一层薄薄的导热硅脂，然后再分别放置在试板(20)焊缝起始端(9)两侧位置以及焊缝起始端(9)上表面位置。
【文档编号】B23K20/26GK103639587SQ201310555276
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月11日 优先权日:2013年11月11日
【发明者】芦笙, 杨代立, 陈书锦, 陈静 申请人:江苏科技大学