[发明专利]一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法

权利要求书

1.一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体(1)和位于搅拌头本体(1)下部的搅拌针(17)，搅拌头本体(1)与焊机夹持(16)连接，其特征在于，还设置有强制冷却装置、载流装置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置，所述强制冷却装置包括设置于搅拌头本体(1)内部的一个中空结构的腔体(2)，和一根出水和入水复合式铜管(3)，所述复合式铜管(3)用于将冷凝液引入和导出腔体(2)；所述载流装置包括搅拌头本体(1)外沿设置的一个导电环(4)，可通过碳电刷(5)将电流导入搅拌头本体(1)，以形成载流搅拌摩擦焊接方式；所述气体保护装置(7)设置于搅拌头本体(1)的轴肩(6)侧面处，用于在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝及热影响区金属氧化；所述传感装置包括埋植于搅拌头轴肩(6)内的自耦合热电阻式温度传感器(8)和设置于搅拌头本体(1)与焊机夹持(16)连接部位的轴向和径向压力传感器(10)，其中，自耦合热电阻式温度传感器(8)通过搅拌头本体(1)上部与无线感应发射器(9)连接，用于形成轴肩(6)及其附近温度的无源无线电阻式感应传感，轴向和径向压力传感器(10)与搅拌头上部的无线感应发射器(15)连接，用于实现搅拌摩擦焊负载的传感检测；所述绝缘装置包括第一绝缘件(11)及其工件夹持机构的绝缘部件，用于使搅拌头本体(1)与焊机主轴绝缘，以及工件与焊机工作平台间的绝缘；所述密封装置包括在搅拌头本体(1)的中空腔体(2)与复合式铜管(3)之间设置的动密封构件(12)，用于达到密封冷凝液态介质的目的，并且使搅拌头本体(1)能自由旋转。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述载流装置包括导电环(4)，碳电刷(5)和绝缘支撑组件(18)，导电环(4)材料为紫铜，导电环(4)与搅拌头本体(1)通过径向摩擦焊接工艺连接成一体，碳电刷材料为添加5-15％石墨的铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷(5)，还设置有固定于摩擦焊机上的绝缘支撑组件(18)，碳电刷(5)与导电环(4)形成良好电接触，并通过设置于绝缘支撑组件(18)的电缆线(19)与电源(20)连接，通过碳电刷(5)和导电环(4)将辅助电流引入搅拌头，在工件(25)的焊缝结合部位设置有活动导电块(26)，并与电源(20)的另外一个电极相连，工件(25)和导电块(26)与周围的焊接夹具绝缘连接，形成载流搅拌摩擦焊接方式。

3.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述强制冷却装置中的复合式铜管(3)是与内管(13)原位隔离组合集成，内管(13)为出水口，相比进水口(14)其孔径要小，并且内管(13)的进水开口位于搅拌头本体(1)腔体(2)的上部，而复合铜管(3)的出水通道开口在搅拌头本体(1)腔体(2)的下部，接近搅拌针(17)的位置，实现搅拌头本体(1)及焊缝的温度控制。

4.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述气体保护装置(7)围绕轴肩(6)设置有喷嘴(22)，内部设置有气筛(23)，用于使保护气体形成层流在搅拌头轴肩(6)四周喷出，气体保护装置(7)通过绝缘支撑板(21)和绝缘支撑组件(18)与摩擦焊机固定，并与碳电刷(5)和搅拌头本体(1)本体绝缘，气体保护装置(7)的喷嘴(22)为陶瓷材料，通过设置于两侧的进气管(24)供给保护气体，保护摩擦焊接区和热影响区高温金属。

5.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述传感装置包括温度传感装置和无线传感检测系统，其中温度传感装置是无源无线的高温自耦合传感测量系统，由温度传感器(8)，发射器(9)和接受器构成，温度传感器(8)是自耦合热电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头的轴肩(6)端面处，发射器(9)位于搅拌头本体(1)上部与温度感应器(8)连接，通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号，并利用计算机实现轴肩(6)及其附近温度的实时无源无线自耦合电阻式感应温度检测；安装在搅拌头本体(1)与摩擦焊机主轴夹持连接的部位的轴向和径向压力传感器(10)，发射器(15)和接受器构成实现搅拌摩擦焊轴向和径向负载或力矩的无线传感检测系统。