[发明专利]搅拌摩擦头水气联合冷却装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种有色金属焊接加工领域，特别适用于新式搅拌摩擦焊的焊具及其使用技术。

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，如搅拌摩擦头在高温下容易磨损，影响其使用寿命。因此如何降低搅拌摩擦头的工作温度成了重要的工作。

现有技术一设计了专门的搅拌摩擦头和工件冷却器，搅拌摩擦头冷却器安装在被焊接工件保护器上端，搅拌摩擦头安装在搅拌摩擦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，且冷却器结构复杂。现有技术二同样通过冷却介质间接冷却搅拌摩擦头，所设计的冷却水系统结构复杂，但显然这个方法所需要的冷却装置较大且适用性不强；此外现有技术三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：为了克服现有搅拌摩擦焊接过程中，搅拌摩擦头温度较高从而影响使用寿命的问题，也为了间接控制焊接温度场，本发明提供一种搅拌摩擦头水气联合冷却方法及装置。

技术方案：一种搅拌摩擦头水气联合冷却装置，包括套筒、固定于所述套筒端部并可与套筒一起转动的搅拌头，以及延伸至套筒内部的输送管；所述搅拌头的顶部具有弧形凹面，该弧形凹面上开有一沿搅拌头轴向延伸的中心凹槽；所述搅拌头上具有多个冷却通道，所述冷却通道的一端位于弧形凹面或中心凹槽内，另一端位于搅拌头的侧壁；所述套筒的内侧固定有空气增压装置。

在进一步的实施例中，所述输送管上安装有节流阀。所述空气增压装置为风扇。所述冷却通道沿中心轴的周向均匀分布；所述冷却通道与中心轴的夹角为25-65度。所述搅拌头设置有固定台肩，所述固定台肩与套筒的末端抵接；所述冷却通道的出口位于台肩的下方。

一种基于上述任一项实施例所述冷却装置的搅拌摩擦头水气联合冷却方法，包括如下步骤：在预热阶段，关闭冷却水流量；开始焊接时，打开冷却水；在焊接结束阶段，当搅拌摩擦头开始上提时，关闭冷却水流量。

进一步包括如下步骤：

在进一步的实施例中，在搅拌摩擦头上加工圆形凹槽、中心凹槽和冷却通道；将输送管伸入套筒内，并穿过风扇；将搅拌摩擦头固定安装在套筒下端；启动焊机主电机，使搅拌摩擦头旋转；焊接开始、预热阶段过后，打开节流阀，开始输送冷却水；当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，停止输送冷却水，以免引起冷却水在搅拌摩擦头的内部堆积。

工作原理：搅拌摩擦头上的圆形凹槽用于限制冷却水的流向，中心凹槽用于存储一定的冷却水，冷却通道相对轴线倾斜布置且相对中心轴对称分布。当冷却水在重力、气流的作用接触圆形凹槽时，一部分冷却水进入冷却通道、一部分冷却水直接进入中心凹槽中，对搅拌摩擦头直接进行冷却；由于旋转的搅拌摩擦头会使冷却水产生离心运动，此时圆形凹槽会抑制其余部分冷却水继续沿着圆周方向运动，在搅拌摩擦头的高温作用下，这部分冷却水会迅速气化，在风扇引起的空气压差的作用下顺着冷却通道被排出搅拌摩擦头本体之外。如果需要增强冷却效果，可调节节流阀，增大水量；如果冷却过度或中心凹槽储水过多，可减小水量。

有益效果：

1. 通过冷却水对搅拌摩擦头的非焊接部位进行冷却，不仅降低了搅拌摩擦头温度，也降低了套筒、搅拌摩擦焊机机头的温度，改善了设备运行环境。

2. 对搅拌摩擦头进行冷却不仅可以减轻高温对搅拌摩擦头的不利影响，还可间接控制焊接温度场；所排出的冷却介质为气态，不会对周围环境产生影响。

3. 不需要专门的密封装置或循环水装置，减小了制作成本和操作难度，结构简单、实用性强。该焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实意义。

附图说明

图1为搅拌摩擦头水气联合冷却装置的结构示意图。