[发明专利]一种用于搅拌摩擦焊接中的平面热管装置及其方法

说明书

技术领域

    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

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搅拌摩擦焊（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。 

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。 

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

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。 

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。

    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。 

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。 

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SiO₂、Al₂O₃或CuO纳米等颗粒的蒸馏水、甲醇或丙酮的纳米流体。