[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

说明书

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法。

背景技术

1991年英国焊接研究所(TWI)的W.M.Thomas发明了搅拌摩擦焊技术，并在中国取得了专利授权(ZL95192193.2)，这种来源于机械冷加工制造工艺、基于固相连接的新型焊接技术具有明显的优越性，使其成为近二十年内在世界范围内得到快速发展与广泛工程应用的焊接技术之一。搅拌摩擦焊的工业应用主要集中在铝合金领域，随着其应用领域、连接对象和材料的不断扩展，搅拌摩擦焊技术在低熔点的有色金属中得到了成功的拓展。但是，科研人员发现对于像合金钢、不锈钢、钛合金，甚至高温合金等工业领域比较重要的结构材料，搅拌摩擦焊技术的应用并不十分理想，目前只限于实验室的初步研究阶段。

较高熔点金属材料搅拌摩擦焊接的难度主要在于：

1)搅拌摩擦和塑性变形的热量输入不足，超塑性、回复与再结晶以及相变过程复杂，不易形成良好的焊缝组织；

2)搅拌头的工作环境严酷，搅拌头的成本很高，使用寿命较低；

3)焊接效率低，成型质量较差。

如果一味为了增加热量输入和焊接效率而增大搅拌头的下压力和转速，会使搅拌头温度急速上升，使搅拌头高温强度降低，加剧搅拌头的磨损，严重时会导致搅拌头的搅拌针断裂，焊接质量严重下降，影响了搅拌头的使用寿命；同时也使得所需搅拌摩擦焊机的装机容量增大，对装夹具的要求提高，焊接设备的体积增大，耗能加大，搅拌摩擦的优势不再明显。

搅拌摩擦焊技术并没有如早先乐观估计的那样在船舶、管道、卡车、铁路、交通等领域成为最具吸引力的制造技术而取得众多的应用成果，英国焊接研究所也认为搅拌摩擦焊接较高熔点的金属材料(如钢材等)，是目前所面临的挑战，这是搅拌摩擦焊进一步拓展应用领域所必须要解决的问题。

同时，即使是在低熔点的有色金属的搅拌摩擦焊接时，也存在焊接缺陷，工艺要求比较苛刻，焊接的工艺窗口较窄，搅拌摩擦设备复杂，搅拌摩擦焊接技术的实际应用受到局限。这就是搅拌摩擦焊接技术发展目前所面临的重要关键问题，亟待解决。

发明内容

针对现有搅拌摩擦技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高效、低成本、高稳定性、优质的搅拌摩擦焊接的搅拌头及其一种新型的搅拌摩擦焊接方法，以便突破常规搅拌摩擦焊接技术的局限性，及其对搅拌头高昂的材料制备成本、苛刻的焊接工艺条件、较短的使用寿命的长期牵制，解决高熔点金属搅拌摩擦焊接的搅拌头对高品质材料和复杂制备技术的依赖，并丰富低熔点轻合金搅拌摩擦焊接的质量控制手段，实现搅拌摩擦焊接的高质量与低成本的有效合理匹配，完善搅拌摩擦焊接技术，从而在固相焊接领域和表面工程领域开拓新的工程应用范围。

本发明的技术方案如下：

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和位于搅拌头本体下部的搅拌针，搅拌头本体与焊机夹持连接，其特点在于，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内部的一个中空结构的腔体，和一根出水和入水复合式铜管，所述复合式铜管用于将冷凝液引入和导出腔体；所述载流装置包括搅拌头本体外沿设置通过径向摩擦焊接的一个导电环，可通过碳电刷将电流导入搅拌头，以形成载流搅拌摩擦焊接方式；所述气体保护装置设置于搅拌头本体的轴肩侧面处，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内的自耦合热电阻式温度传感器和设置于搅拌头与焊机夹持连接部位的轴向和径向压力传感器，其中，自耦合热电阻式温度传感器通过搅拌头本体上部与无线感应发射器连接，用于形成轴肩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与搅拌头上部的无线感应发射器连接，用于实现搅拌摩擦焊负载的传感检测；所述绝缘装置包括绝缘件及其工件夹持的绝缘部件，用于使搅拌头本体与焊机主轴绝缘，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的中空腔体与复合式铜管之间设置的动密封构件，用于达到密封冷凝液态介质的目的，并且使搅拌头能自由旋转。