[发明专利]一种双轴肩搅拌摩擦头气液联合冷却装置及冷却方法

说明书

本发明公开了一种双轴肩搅拌摩擦头气液联合冷却装置，所述上轴肩沿轴线设有不通的中心孔，在中心孔底部设有若干个与中心孔垂直的导气孔，在中心孔的顶部安装有导气扇，焊接过程中随搅拌头高速旋转产生巨大的下降气流，强行带走搅拌头中心的热量并从上轴肩下部的导气孔中排出；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，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。本发明的一种双轴肩搅拌摩擦头气液联合冷却装置，采用空气气流和冷却液相结合的方式对搅拌摩擦头上下轴肩的非焊接部位进行冷却，降低了搅拌摩擦头的温度，也间接控制焊接温度场。

技术领域

本发明涉及双轴肩搅拌摩擦头气液联合冷却装置及冷却方法，属于焊接领域。

背景技术

自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，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。尽管利用搅拌摩擦焊接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，所设计的冷却液系统结构复杂，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。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种双轴肩搅拌摩擦头气液联合冷却装置及冷却方法，采用空气气流和冷却液相结合的方式对搅拌摩擦头上下轴肩的非焊接部位进行冷却，降低了搅拌摩擦头的温度，也间接控制焊接温度场。

技术方案：为实现上述目的，本发明的双轴肩搅拌摩擦头气液联合冷却装置，该双轴肩搅拌摩擦头包含上轴肩和下轴肩，上轴肩与下轴肩之间连接有搅拌针，所述上轴肩沿轴线设有不通的中心孔，在中心孔底部设有若干个与中心孔垂直的导气孔，在中心孔的顶部安装有导气扇，焊接过程中随搅拌头高速旋转产生巨大的下降气流，强行带走搅拌头中心的热量并从上轴肩下部的导气孔中排出；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，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带动水槽内的冷却水进入到下轴肩上，并通过下轴肩和壳体的孔排出壳体外，高速旋转时冷却液将沿着空心锥体的螺纹向上爬升通过下轴肩孔中，实现冷却。

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，所述导气扇采用钎焊的方式固定于搅拌头上轴肩中心孔的顶部，使其在焊接过程中随搅拌头高速旋转产生下降气流。

作为优选，所述空心锥体通过内螺纹与下轴肩相配合，并且将圆形挡盖固定于两者之间的台阶上，焊接过程中圆形挡盖和空心锥体随搅拌头同步高速旋转；空心锥体相对于下轴肩的旋紧方向与焊接过程中搅拌头旋转方向相反，防止焊接过程中圆形挡盖和空心锥体随搅拌头同步高速旋转时脱落。

作为优选，所述水槽上部两侧向内弯折，形成窄口，窄口宽超过圆形挡盖直径，水槽的深度必须超过搅拌头的最大行程。