一种搅拌摩擦焊接设备及其冷却防护装置的制作方法

本发明属于金属焊接设备技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊接设备及其冷却防护装置。

背景技术：

搅拌摩擦焊技术是英国焊接研究所(twi)1991年发明的一种固相焊接技术，其原理是利用高速旋转的非耗损的特殊形状的搅拌头，旋转插入被焊零件，沿着被焊零件的待焊界面向前移动，通过搅拌头对材料的搅拌、摩擦，使待焊材料加热至热塑性状态，在搅拌头旋转的带动下，处于塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，塑性材料在搅拌头的挤压作下形成致密的金属间固相连接。搅拌摩擦焊主要依靠搅拌头轴肩和搅拌针与工件摩擦产热，使金属塑化，金属塑性流动，在固态下形成连。焊接过程中，搅拌头经历复杂的热与力的作用，导致搅拌头提前失效，随着温度提高，搅拌头磨损加剧。焊接高熔点材料时，此问题尤为突出，通常做法是选用高温性能更好的材料，如陶瓷材料pcbn、钨基合金。但此做法成本较高，一方面由于材料本身成本较高，另一方面加工成本高，加工制造困难。因此从材料角度出发，没有从根本上解决高熔点材料搅拌摩擦焊搅拌头磨损严重的问题。

为弥补搅拌头加工困难、成本高的问题，研究者从搅拌头结构设计进行优化以及增加辅助冷却散热装置，试图改善搅拌头寿命。如直接向搅拌头及工件喷洒液体冷却，虽在一定程度上改善搅拌头寿命，但同时会带来后续清理困难的难题。专利申请号201010127857.1的发明装置，采用一种双层气体保护罩对焊接过程中搅拌针周围的局部区域进行随焊保护。采用这种保护方式只能对焊接过程中的施焊局部区域保护效果较好，不能对焊缝的焊后冷却过程进行有效保护，虽在一定程度可解决搅拌头磨损问题，但结构复杂，加工精度要求高，且装置体积较大，不利于工件的装夹安装与观察，冷却效果不理想；专利201310139472.0发明装置，结构更为复杂，体积庞大，不利于工件安装装夹与观察，且需要较为复杂气路管道及控制系统，成本较高。上述两个专利都存在装置体积较大，工件装夹与观察不便的问题。

因此，提供一种用于搅拌摩擦焊接设备的冷却防护装置，以解决传统搅拌摩擦焊冷却装置存在的冷却效果不理想、功能单一，结构发杂，体积较大的问题，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是至少解决上述现有技术中存在的问题之一，该目的是通过以下技术方案实现。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种冷却防护装置，用于搅拌摩擦焊接设备，所述搅拌摩擦焊接设备包括夹持柄、安装于所述夹持柄底端的搅拌头，和设置于所述搅拌头底端的搅拌针；所述冷却防护装置包括：

防护罩，所述防护罩罩设于所述搅拌头之外，并与所述搅拌头之间形成第一容置空间；

安装孔，所述搅拌头的安装段套设于所述安装孔内，且所述搅拌头的顶端面与所述安装孔的孔壁之间形成第二容置空间；

连通孔，所述连通孔开设于所述搅拌头，所述连通孔的一端与所述第二容置空间相连通，其另一端与所述搅拌针具有预设距离；

冷却液输送结构，所述冷却液输送结构的进液端与冷却液源相连通，其出液端与所述第一容置空间和所述第二容置空间相连通，并将所述冷却液源中的冷却液输入所述第一容置空间和所述第二容置空间。

在工作过程中，冷却液经冷却液输送结构进入第一容置空间，以便使得冷却液包覆整个搅拌头，对搅拌头进行冷却；且冷却液进入第二容置空间，第二容置空间内的搅拌头不仅能够对搅拌头进行冷却，还能够对下端的搅拌针进行冷却。这样，该冷却防护装置可对整个搅拌头以及搅拌针进行冷却，从而降低了搅拌头的高温磨损，提高了搅拌头使用寿命；同时，通过设置防护罩可同时起到冷却与保护焊缝的双重作用，以提高接头力学性能，从而获得优质接头；另外，本发明提供的冷却防护装置结构较为简单，体积较小，便于安装与拆卸，成本较低。

进一步地，所述安装孔开设于所述夹持柄的底端面，并沿所述夹持柄的轴向延伸至预设孔深。

进一步地，所述冷却液输送结构包括输送管和冷却液孔；

所述输送管的进液端与所述冷却液源相连通，其出液端与所述第一容置空间相连通；

所述冷却液孔开设于所述夹持柄的轴身上，且所述冷却液孔的进液端与所述第一容置空间相连通，其出液端与所述第二容置空间相连通。

进一步地，所述冷却液孔为多个，各所述冷却液孔沿周向均布于所述夹持柄。

进一步地，所述冷却液孔相对于所述夹持柄倾斜设置，所述冷却液孔的轴向与所述夹持柄的轴向具有第一预设夹角，且所述冷却液孔的最高点较所述防护罩的最高点低预设高度。

进一步地，所述冷却液孔的中心线沿所述冷却孔的轴向的投影与所述防护罩的入口的切线相平行，切所述冷却液孔的水平投影方向与所述搅拌头的旋转方向一致。

进一步地，所述防护罩的底部开设有过孔，所述过孔为多个，各所述过孔在所述防护罩的底部间隔分布。

进一步地，所述连通孔与所述搅拌针之间的预设距离为2mm～3mm。

进一步地，所述连通孔的孔径为所述搅拌针的最小直径的1/2-1/3倍。

本发明还提供一种搅拌摩擦焊接设备，包括夹持柄、安装于所述夹持柄底端的搅拌头，和设置于所述搅拌头底端的搅拌针；还包括如上所述的冷却防护装置。

附图说明

图1为本发明所提供的冷却防护装置一种具体实施方式的结构示意图；

图2为图1所示冷却防护装置的俯视图。

附图标记说明：

100-夹持柄200-搅拌头

1-防护罩11-过孔

2-第一容置空间

3-第二容置空间

4-连通孔

51-输送管52-冷却液孔

β-过孔的轴线与搅拌头的轴线之间的夹角

w-过孔的中心与搅拌头的轴线之间的距离

d-搅拌头轴肩直径

h-防护罩的下端面最低点与搅拌头的轴肩端面的距离

α-防护罩的下端面最低点切线与轴肩端面夹角

a-冷却液孔的中心线

b-防护罩上方的入口切线

c-防护罩的最高点距夹持柄的台阶面的距离

具体实施方式

本发明提供了一种用于搅拌摩擦焊接设备的冷却防护装置，以解决传统搅拌摩擦焊冷却装置存在的冷却效果不理想、功能单一，结构复杂，体积较大的问题。

在一种具体实施方式中，本发明提供的冷却防护装置用于搅拌摩擦焊接设备，该焊接设备应用于高熔点材料的搅拌摩擦焊。所述搅拌摩擦焊接设备包括夹持柄100、安装于所述夹持柄100底端的搅拌头200，和设置于所述搅拌头200底端的搅拌针，显然地，该搅拌摩擦焊接设备还应包括为实现使用目的而设置的其他必要结构，这些必要结构与现有技术相同，在此不作赘述。

上述冷却防护装置包括防护罩1、安装孔、连接孔和冷却液输送结构，该防护罩1可以为金属材料的罩体，优选为紫铜罩；其中，防护罩1罩设于所述搅拌头200之外，并与所述搅拌头200之间形成第一容置空间2，搅拌头200的安装段套设于所述安装孔内，且所述搅拌头200的顶端面与所述安装孔的孔壁之间形成第二容置空间3，所述连通孔4开设于所述搅拌头200，所述连通孔4的一端与所述第二容置空间3相连通，其另一端与所述搅拌针具有预设距离；冷却液输送结构的进液端与冷却液源相连通，其出液端与所述第一容置空间2和所述第二容置空间3相连通，并将所述冷却液源中的冷却液输入所述第一容置空间2和所述第二容置空间3。

在本实施方式中，冷却液可采用液氮，上述夹持柄100与搅拌头200之间的固定连接方式可采用间隙配合的结构，显然地，也可以在两者的连接位置设置密封圈，以保证两者的密封性，间隙配合后，可通过紧定螺钉辅助连接，使得夹持柄100与搅拌头200之间既便于拆卸与更换，又具有较为稳固的连接。紫铜罩与搅拌头200采用过盈配合连接，液氮可通过冷却液输送装置输送至紫铜罩内，以充满第一容置空间2和第二容置空间3，从而包覆整个搅拌头200，液氮还可进入夹持柄100与搅拌头200之间的第二容置空间3，并通过搅拌头200上开设的连通孔4到达搅拌针底部，以冷却搅拌针。上述连通孔4沿搅拌头200的轴向开设，优选地为搅拌头200的轴向中心孔。

上述夹持柄100、搅拌头200均可采用高温合金制作，以保证液氮环境下具有较好的力学性能。

在工作过程中，冷却液经冷却液输送结构进入第一容置空间2，以便使得冷却液包覆整个搅拌头200，对搅拌头200进行冷却；且冷却液进入第二容置空间3，第二容置空间3内的搅拌头200不仅能够对搅拌头200进行冷却，还能够对下端的搅拌针进行冷却。这样，该冷却防护装置可对整个搅拌头200以及搅拌针进行冷却，从而降低了搅拌头200的高温磨损，提高了搅拌头200使用寿命；同时，通过设置防护罩1可同时起到冷却与保护焊缝的双重作用，以提高接头力学性能，从而获得优质接头；另外，本发明提供的冷却防护装置结构较为简单，体积较小，便于安装与拆卸，成本较低。

上述安装孔开设于所述夹持柄100的底端面，并沿所述夹持柄100的轴向延伸至预设孔深，具体地，预设孔深为适合搅拌头200长度的深度。该安装孔为光孔，以便于搅拌头200的安装。具体地，搅拌头200与夹持柄100的连接部位加工出矩形平面，矩形平面上部留有完整圆柱部分，保证紧定螺钉能够压紧，以传递扭矩。

进一步地，所述冷却液输送结构包括输送管51和冷却液孔52；其中，所述输送管51的进液端与所述冷却液源相连通，其出液端与所述第一容置空间2相连通，冷却液源中的冷却液(例如液氮)通过输送管51进入第一容置空间2，并可以通过输送管51的倾斜角度调整进液方向和进液位置。

所述冷却液孔52开设于所述夹持柄100的轴身上，且所述冷却液孔52的进液端与所述第一容置空间2相连通，其出液端与所述第二容置空间3相连通；也就是，冷却液孔52用于连通第一容置空间2和第二容置空间3，冷却液源中的冷却液先进入第一容置空间2，而后第一容置空间2内的冷却液再进入第二容置空间3，即实现了冷却液进入第二容置空间3。从理论上来讲，冷却液也可以通过另外一套输送管51从冷却液源输送至第二容置空间3。

为了提高冷却液的注入速度和效率，上述冷却液孔52为多个，各所述冷却液孔52沿周向均布于所述夹持柄100。各冷却液孔52相对于所述夹持柄100倾斜设置，所述冷却液孔52的轴向与所述夹持柄100的轴向具有第一预设夹角，且所述冷却液孔52的最高点较所述防护罩1的最高点低预设高度。具体地，上述冷却液孔52可以为四个，各冷却液孔52在夹持柄100的轴身上斜向均布，冷却液孔52的最高点低于紫铜罩的最高点6～10mm，即上述预设高度为6-10mm。

上述冷却液孔52的中心线沿所述冷却孔的轴向的投影与所述防护罩1的入口的切线相平行，且所述冷却液孔52的水平投影方向与所述搅拌头200的旋转方向一致，以保证旋转过程中液氮不会被甩出。

为了在焊缝处制造冷却环境，从而保护焊缝质量，上述防护罩1的底部可开设有过孔11，所述过孔11为多个，各所述过孔11在所述防护罩1的底部间隔分布。在工作过程中，液氮可经由紫铜罩(即上述防护罩1)下方的过孔11流出，液氮气化形成保护气氛，以保护焊缝。具体地，过孔11为六个，均设置在防护罩1的底部，且过孔11的轴线与搅拌头200的轴线之间具有角度β，过孔11的中心距搅拌头200的轴线之间的距离w/2等于搅拌头200轴肩半径d/2+6～10mm，β在30°～45°范围内选择，以保证较好的保护效果。

进一步地，防护罩1上方的入口切线b与夹持柄100的安装孔的中心线平行，防护罩1的最高点距夹持柄100的台阶面的距离c与等于搅拌头200轴肩半径d/2。

具体地，上述防护罩1的下端面最低点与搅拌头200的轴肩端面的距离h约为2～3mm，最低点切线与轴肩端面夹角α比搅拌头200的倾角大1～3°。上述冷却液输送装置的输送管51的中心线与夹持柄100的冷却液孔52的中心线a平行。

进一步地，为了提高搅拌针的冷却效果，上述连通孔4与所述搅拌针之间的预设距离为2mm～3mm，连通孔4的孔径为所述搅拌针的最小直径的1/2-1/3倍。搅拌头200内部加工的具有预设深度的连通孔4，连通孔4的下端距搅拌针下端面的距离2～3mm，以保证液氮能够冷却搅拌针。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。