一种双轴肩搅拌摩擦头水冷装置及冷却方法与流程

本发明涉及双轴肩搅拌摩擦头水冷装置及冷却方法，属于焊接领域。

背景技术：

自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦冷却方法以来，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。尽管利用搅拌摩擦冷却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。

专利(申请号201310139472.0)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；专利(申请号03134361.9)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；此外还有专利(申请号201310449604.X)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：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双轴肩搅拌摩擦头水冷装置及冷却方法，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。

技术方案：为实现上述目的，本发明的双轴肩搅拌摩擦头水冷装置，包含搅拌头上轴肩、下轴肩和位于上轴肩和下轴肩之间的搅拌针，所述上轴肩外套有套筒，上轴肩内安装有竖直冷却通道，上轴肩上安装有输送管，输送管通过直线轴承固定在套筒内，上轴肩内周向还设有水平冷却通道，在上轴肩外套有U形收集器。

作为优选，所述下轴肩下方安装有空心锥体，所述空心锥体包含壳体，壳体的底部设有开口，在壳体内壁上设有螺纹孔，在下轴肩和壳体上均设有孔，壳体的下方设有水槽，开口位于水槽内，通过壳体内壁的螺纹孔带动水槽内的冷却水进入到下轴肩上，并通过下轴肩上和壳体的孔排出壳体外。

作为优选，所述空心锥体与下轴肩之间设有圆形挡盖，圆形挡盖将从下轴肩孔里甩出来的冷却水挡住后，由于重力冷却水下回到水槽中。

作为优选，所述输送管通过螺纹与上轴肩连接，搅拌针通过螺纹与上轴肩连接，搅拌针和输送管的螺纹旋向相反。

作为优选，所述输送管的底部与上轴肩之间设有高温密封圈。

作为优选，所述空心锥体通过螺纹与下轴肩相连，搅拌针通过螺纹与下轴肩相连，空心锥体与搅拌针的螺纹方向相反。

一种上述的双轴肩搅拌摩擦头水冷装置的冷却方法，包括以下步骤：

(1)将搅拌针两端旋入搅拌头上轴肩和下轴肩中，使之成为一个整体；

(2)将搅拌摩擦头上轴肩固定安装在套筒下端；

(3)将输送管伸入套筒内，穿过直线轴承并旋紧，使之与搅拌头上轴肩实现螺纹连接；

(4)将圆形挡盖安装于下轴肩上，通过锁紧空心锥体将圆形挡盖紧固于下轴肩上；

(5)向搅拌头下方的窄口水槽中注入冷却水，使空心锥体浸入冷却水中；

(6)启动焊机主电机，搅拌摩擦头旋转，焊接开始、预热阶段过后，开始输送冷却水；

(7)当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，停止输送冷却水。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)这是一种新式的双轴肩搅拌摩擦头冷却方法和装置，能够通过冷却水对整个双轴肩搅拌摩擦头上下轴肩的非焊接部位同时进行冷却，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；所排出的冷却水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为本发明的结构示意图。

图2为上轴肩的横截面示意图。

图3为下轴肩的横截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明的双轴肩搅拌摩擦头水冷装置，包含搅拌头上轴肩9、下轴肩10和位于上轴肩9和下轴肩10之间的搅拌针8，所述上轴肩9外套有套筒3，上轴肩9内安装有竖直冷却通道，上轴肩9上安装有输送管2，所述输送管2的底部与上轴肩9之间设有高温密封圈4，输送管2通过直线轴承14固定在套筒3内，上轴肩9内周向还设有水平冷却通道，在上轴肩9外套有U形收集器6，输送管2顶端设有自由水管1，冷却水15从自由水管进入到输送管2中，通过竖直冷却通道进入到上轴肩9中，由于套筒3高速旋转，从而上轴肩9高速旋转，冷却水15通过水平冷却通道甩出上轴肩9，对上轴肩9进行冷却。

在本发明中，所述下轴肩10下方安装有空心锥体12，空心锥体12包含壳体，壳体的底部设有开口，在壳体内壁上设有螺纹孔，在下轴肩10和壳体上均设有孔，壳体的下方设有水槽13，开口位于水槽13内，通过壳体内壁的螺纹孔带动水槽13内的冷却水15进入到下轴肩10上，并通过下轴肩10上和壳体的孔排出壳体外。所述空心锥体12与下轴肩10之间设有圆形挡盖11，圆形挡盖11将从下轴肩10孔里甩出来的冷却水15挡住后，由于重力冷却水15下回到水槽13中。

在本发明中，自由水管可采用小口径普通水管，输送管2用于流过冷却水15，可采用普通不锈钢制成；套筒3用于安装搅拌摩擦头上轴肩9，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4可采用市面上的耐高温硅胶圈；搅拌摩擦头上轴肩9和下轴肩10可采用普通工具钢或高温合金钢或高温陶瓷制成；搅拌针8可采用镍基合金制成；U形收集器6、圆形挡盖11、空心锥体12和窄口水槽13可采用普通不锈钢制成。所述输送管2通过螺纹与上轴肩9连接，搅拌针8通过螺纹与上轴肩9连接，搅拌针8和输送管2的螺纹旋向相反。所述空心锥体12通过螺纹与下轴肩10相连，搅拌针8通过螺纹与下轴肩10相连，空心锥体12与搅拌针8的螺纹方向相反。输送管2与套筒3采用直线轴承14相配合，可以沿轴向运动和旋转。其下端具有外螺纹，与搅拌头上轴肩9的内螺纹孔9-4相配合，中间加入高温密封圈4，防止冷却水从内螺纹孔9-4处溢出。

在本发明中，该搅拌摩擦头采用分体式结构，通过一根两端带螺纹的搅拌针8连接上下轴肩的内螺纹孔。搅拌针8中部也加工两段螺纹，这两段螺纹的旋向相反，同时指向搅拌针中心。下轴肩10的4个斜孔10-1成90度分布，其底部开口应该尽量贴近下轴肩10边缘，便于引入空心锥体内螺纹吸上来的的冷却水，进而对下轴肩10整体进行冷却。

搅拌摩擦头上轴肩9具有凸台9-3，在焊接之前，将搅拌摩擦头上轴肩9上端放入套筒3中，利用凸台9-3限制搅拌摩擦头上轴肩9的轴向运动，固定螺钉5从径向顶紧搅拌摩擦头上轴肩9，使之不能相对套筒3旋转。搅拌摩擦头旋向与输送管2旋入搅拌摩擦头上轴肩9的旋向相反，以防止焊接过程中输送管2松脱导致的漏水现象。

搅拌摩擦头上轴肩9周围被U形收集器6所包围，U形收集器6的开口方向朝向搅拌摩擦头上轴肩9的冷却通道9-1；冷却通道9-1之间相差90度布置，且穿过搅拌摩擦头上轴肩9的中心即与中心孔9-2相连。当冷却水在重力的作用进入输送管2后时，会直接进入搅拌摩擦头上轴肩9的内部，然后进入冷却通道9-1，对搅拌摩擦头上轴肩9直接进行冷却；由于搅拌头高速旋转会使冷却水产生离心运动，使冷却水顺着冷却通道9-1被甩出搅拌摩擦头本体之外。

搅拌摩擦头下轴肩10顶部的螺纹孔10-2与搅拌针8相连，下端的外螺纹10-4与空心锥体12的内螺纹相配合。空心锥体12相对于下轴肩10的旋紧方向与焊接过程中搅拌头旋转方向相反，防止焊接过程中空心锥体12随搅拌头同步高速旋转时脱落。圆形挡盖11固定在下轴肩10的台阶10-3上，通过空心锥体12锁紧在下轴肩10上。下轴肩10的底部还开有4个成90度分布的斜孔10-1。焊接时，空心锥体12的底部浸入窄口水槽13内的冷却水15中，伴随搅拌头的高速旋转，冷却水15沿着空心锥体12的内螺纹向上爬升，进入下轴肩10的底部斜孔10-1，对下轴肩10进行冷却。冷却水通过底部斜孔10-1后向上甩出，被圆形挡盖11挡住后在重力的作用下回到窄口水槽13中，接着又被吸入空心锥体12，如此往复实现冷却水的循环。

在使用该冷却装置时，应注意：

(1)在预热阶段，关闭上轴肩9冷却水自由水管1；正式开始焊接时，打开冷却水自由水管1；

(2)焊接前应该往窄口水槽13中注入冷却水15，水面高度需没过下轴肩10底部的空心锥体12；

(3)在焊接结束阶段，当搅拌摩擦头停止旋转前，需先关闭上轴肩9冷却水自由水管1，待出水口7不再有水流出后，方能停止旋转；

(4)在冷却装置使用期间，禁止人体裸露部位接近搅拌摩擦头，以避免被高温烫伤。

该搅拌摩擦头的冷却方法的主要流程：

(1)将搅拌针8两端旋入搅拌头上轴肩9和下轴肩10中，使之成为一个整体；

(2)将搅拌摩擦头上轴肩9固定安装在套筒3下端，用固定螺钉5锁紧；

(3)将输送管2伸入套筒3内，穿过直线轴承14并旋紧，使之与搅拌头上轴肩9实现螺纹连接；

(4)将圆形挡盖安装于下轴肩10的台阶10-3上，通过锁紧空心锥体12将圆形挡盖紧固于下轴肩10上；

(5)向搅拌头下方的窄口水槽中注入冷却水15，使空心锥体12浸入冷却水15中；

(6)启动焊机主电机，搅拌摩擦头旋转。焊接开始、预热阶段过后，打开自由水管1开始输送冷却水；

(7)当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，停止输送冷却水，当出水口7不再流出冷却水后，主电机停止旋转。

(8)整个焊接阶段，禁止人体裸露部位靠近搅拌摩擦头，以免被烫伤，焊接任务结束后，待搅拌摩擦头冷却至常温，可拆下搅拌摩擦头上轴肩9和下轴肩10，检查上轴肩中心孔9-2和下轴肩斜孔10-1内有无积水，如有则倒掉冷却水。

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。