[发明专利]一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头及水冷循环的方法

说明书

本发明公开了一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头，主要包括主轴、固定架、刀柄、护套、密封圈、搅拌头，所述刀柄安装在主轴的下端，搅拌头安装在刀柄的下端，所述护套包围在搅拌头的上半部分的外面，在护套上设有进水口和出水口，在护套内设有进水槽和出水槽，在搅拌头对应护套的进水槽位置设有进水孔，在搅拌头对应护套的出水槽位置设有出水孔，搅拌头内部设有冷却腔，所述进水孔和出水孔均与所述冷却腔相通。本发明结构设计合理，构造简单，满足冷却液循环的需求，制造成本低，冷却循环方式新颖，对搅拌头进行强制冷却，降低搅拌头温度，减少搅拌头磨损量、提升搅拌头使用寿命，提升焊接质量和稳定性。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接术领域，具体是涉及一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头及水冷循环的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种创新的固相连接技术，它利用搅拌头与工件之间产生的摩擦热使工件处于热塑性状态，搅拌头高速旋转并向前移动，处于热塑性状态的金属不断地从前端转移到后端，通过轴肩的挤压联合作用，形成致密的焊缝。

搅拌摩擦焊接技术主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。搅拌摩擦焊接过程中产生了大量的摩擦热和塑性变形热，使得焊接接头存在明显的热软化效应，组织粗大，导致焊接接头的强度仍低于母材，特别是高强铝合金焊接接头，其最高强度约为母材强度的80％。例如，2219-T8铝合金的抗拉强度仅为母材强度的65％，7075-T651铝合金的抗拉强度仅为母材强度的75％。因此，在焊接过程中对被焊接工件进行实时冷却十分重要。目前的冷却方式主要有三种方式，一种是空气冷却方式，比如采用自然空气和强制空气冷却方法，这种方法冷却速度较慢，导致焊核区的再结晶晶粒长大，焊缝质量较差。第二种方式是采用冷却液(水、干冰、酒精、液氮及它们的混合物)对被焊接工件进行直接喷洒和浸泡式冷却，此种方式的冷却速度较快，冷却效果明显，但液态冷却介质直接与被连接工件进行接触，液态冷却介质降低了被焊接工件的高温塑性，焊接质量较差。再者，直接喷洒的冷却方式容易对焊接设备造成污染，焊后清扫麻烦。第三种方式是采用外置冷却器对焊接工件进行冷却。如申请号为201210099428.7的中国专利申请所公开的方式中，采用密闭式冷却液循环流动的干式冷却装置对被焊接工件进行非接触式干式冷却。此种密闭式冷却器与被焊接工件不直接接触，焊缝成型性较好，焊接过程干扰较少，但非接触式冷却效果相对较差，且此装置结构复杂，成本相对较高。再者，采用内部带冷却液循环流动的垫板对直接位于其上方的被焊接工件进行实时冷却，这种具有冷却功能的垫板内部为中空或带冷却通道，中空型垫板的支撑作用被大幅降低，而带冷却通道的垫板由于冷却通道的热传导能力有限而导致冷却效果较差。

搅拌摩擦焊接过程对摩擦热输入量非常敏感，热输入量过高容易对焊接过程产生焊接缺陷、接头热影响区扩大、搅拌头快速磨损等不利影响，尤其表现在铝/镁合金厚板、铜合金、钛合金、钢铁材料的搅拌摩擦焊接过程中。

目前的冷却液冷却方式主要分为两种，一种是在焊接过程中，直接对搅拌头进行冷却液喷洒，另一种方式就是采用内部带循环水冷通道的自冷却式搅拌头，如申请号为200710130673.9的中国专利申请所公开的方式中，在搅拌头中心部位设有冷却介质导入管和导出管实现冷却液的循环冷却。但上述两种方式都存在各自明显的缺点，采用冷却液直接喷洒的手段，会将冷却液喷洒到被焊接工件和焊机工作台上，对焊接过程造成影响，污染焊接设备，焊后清除残留冷却液也比较麻烦。采用带内部循环水冷通道的自冷却式搅拌头可以很好地克服上述问题，但现有技术中的搅拌头内部结构比较复杂，制造加工困难。

另一方面，搅拌头在焊接过程中，经受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，这一问题在焊接高熔点材料，比如钢、钛时显得尤为严重，这对搅拌头的材料提出了较高的要求。

发明内容

本发明解决的技术问题是现有的搅拌摩擦焊接的搅拌头冷却效果不理想，搅拌头结构过于复杂，制造成本高，从而提供一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头及水冷循环的方法。