新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)及加工方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及焊接設(shè)備加工領(lǐng)域，具體地，涉及新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)及加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所于1991年研究發(fā)明的一種新型焊接工藝。其一經(jīng)出現(xiàn)，就在焊接領(lǐng)域引起極大轟動(dòng)，其原理是利用一個(gè)用耐高溫、耐磨損材料制成的攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)插入兩被焊工件接縫處，攪拌頭與剛性固定的工件摩擦產(chǎn)生熱量使周圍的金屬達(dá)到塑性軟化狀態(tài)。隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)前進(jìn)，塑性金屬在攪拌針攪拌力的作用下發(fā)生從前到后的流動(dòng)，兩被焊工件的塑性金屬混合在一起重新結(jié)晶實(shí)現(xiàn)連接。由于在整個(gè)焊接過程中，被焊工件只達(dá)到塑性軟化狀態(tài)而沒有發(fā)生熔化，因此攪拌摩擦焊是一種連續(xù)的固相連接技術(shù)。
[0003]與傳統(tǒng)熔焊方法相比，攪拌摩擦焊能保證母材的冶金性能以及優(yōu)良的接頭機(jī)械性能，避免接頭熔化產(chǎn)生的裂縫、氣孔等缺陷，同時(shí)由于固相焊接溫度較低，熱影響區(qū)小，避免焊縫金屬蒸發(fā)產(chǎn)生合金元素?fù)p失，因此接頭的力學(xué)性能好，同時(shí)操作簡(jiǎn)單，極易實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化。
[0004]由于其自身的特點(diǎn)，攪拌摩擦焊自出現(xiàn)以來就倍受焊接界的青睞。目前應(yīng)用最多的是同種或異種鋁合金的焊接，避免氣孔、大變形等焊接缺陷的產(chǎn)生，得到理想的焊接接頭。隨著研究的深入，攪拌摩擦焊在銅合金、欽合金以及低碳鋼的焊接上也取得了進(jìn)一步的發(fā)展。對(duì)于低熔點(diǎn)金屬鋁合金來說，在較低溫度(500°C左右)下就能夠達(dá)到塑性狀態(tài)，材料選用不銹鋼、工具鋼材料就可以達(dá)到要求。
[0005]對(duì)于高熔點(diǎn)金屬來說，攪拌焊接過程產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)軸肩部位產(chǎn)生較大的磨損，嚴(yán)重影響攪拌頭的使用壽命，因此實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊的難點(diǎn)在于選擇合理的攪拌頭材料和設(shè)計(jì)合理的攪拌頭結(jié)構(gòu)，在當(dāng)前的材料水平下，通過設(shè)計(jì)合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以減少攪拌頭磨損失效的幾率，延長(zhǎng)使用壽命為最可行的解決方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明為了解決高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接過程攪拌頭過熱導(dǎo)致的磨損加劇問題，提出了一種新型的內(nèi)冷式攪拌頭結(jié)構(gòu)及加工方法。即首先利用數(shù)值仿真技術(shù)確定內(nèi)流道的布局形式，主要有螺旋形式、U型流道，然后采用金屬粉末逐層累加制造的方法完成攪拌頭的制造，最后利用水磨拋光降低內(nèi)部孔道的粗糙度。
[0007]根據(jù)本發(fā)明提供的一種新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，包括攪拌頭，攪拌頭的內(nèi)部布置有內(nèi)部流道以加強(qiáng)攪拌頭冷卻，防止高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭過熱。
[0008]優(yōu)選地，內(nèi)部流道的延伸形狀為開口背向被焊工件的U型或者與攪拌頭同軸的螺旋形，所述內(nèi)部流道的直徑為1.5-5_。
[0009]優(yōu)選地，內(nèi)部流道內(nèi)含有冷卻液，冷卻液流量為10-50L/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為200-10000r/mino
[0010]優(yōu)選地，攪拌頭的內(nèi)部流道與驅(qū)動(dòng)攪拌頭的機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸同步旋轉(zhuǎn)，冷卻液在機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸與攪拌頭的內(nèi)部流道之間流通，不設(shè)置內(nèi)部流道之外的其它冷卻裝置。
[0011]優(yōu)選地，在攪拌頭軸肩處的內(nèi)部流道中的冷卻液體不產(chǎn)生紊流，以降低攪拌頭與母材摩擦局部溫度。
[0012]根據(jù)本發(fā)明提供的一種上述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的加工方法，采用逐層累加方法制造所述新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的攪拌頭，具體為:采用激光光源或者等離子弧熱源這些高能束，利用金屬粉末逐層燒結(jié)的方式，按預(yù)先設(shè)定的攪拌頭形狀累加成形。
[0013]優(yōu)選地，選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的加工過程工藝參數(shù)為:激光功率:10-1ooow ;鋪粉厚度:0.01-0.1mm/層；激光掃描間距:0.01-0.2mm ;掃描速度:500-2000mm/min。
[0014]優(yōu)選地，攪拌頭中的內(nèi)部流道成形后采用液體打磨的形式降低內(nèi)部流道表面粗糙度，粗糙度小于5 μ m。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果:
[0016]1、本發(fā)明采用內(nèi)部布置微細(xì)內(nèi)流道的方法實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬攪拌焊接過程的有效冷卻。
[0017]2、本發(fā)明提出了內(nèi)冷使流道的制造工藝方法，利用金屬粉末逐層堆積的工藝完成內(nèi)流道的快速制造，利用水研磨工藝提升流道內(nèi)部光潔度。本發(fā)明通過采用內(nèi)流道冷卻的方法，利用增材制造工藝逐步累加完成中空攪拌頭的制造，加強(qiáng)攪拌焊過程散熱效果，提升攪拌頭使用壽命。
[0018]3、采用本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)及工藝方法可以有效克服攪拌頭使用過程中因軸肩發(fā)熱引起的磨損加劇，攪拌頭壽命縮短的問題，為攪拌摩擦焊接應(yīng)用于高熔點(diǎn)金屬的焊接提供了有效的解決方式。
【附圖說明】
[0019]通過閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0020]圖1攪拌焊接工作原理
[0021]圖2內(nèi)冷式攪拌頭原理示意圖
[0022]圖中:
[0023]1-攪拌頭
[0024]2-焊縫
[0025]3-焊針
[0026]4-工件
[0027]5-內(nèi)流道
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變化和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0029]攪拌摩擦焊接采用非耗損的攪拌頭旋轉(zhuǎn)來產(chǎn)生摩擦熱，通過頂鍛來促使形成連續(xù)的固態(tài)連接焊縫。這項(xiàng)技術(shù)克服了熔焊方法容易產(chǎn)生氣孔和裂紋的不足，能夠焊接曾經(jīng)被認(rèn)為是難于焊接的高強(qiáng)鋁合金、鎂合金等材料，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著研究的深入，攪拌摩擦焊在銅合金、欽合金以及低碳鋼的焊接上也取得了進(jìn)一步的發(fā)展。對(duì)于低熔點(diǎn)金屬鋁合金來說，在較低溫度(500°C左右)下就能夠達(dá)到塑性狀態(tài)，因此對(duì)攪拌頭的材料選擇和結(jié)構(gòu)形式要求較低，而對(duì)于高熔點(diǎn)金屬來說，實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊的難點(diǎn)在于選擇合理的攪拌頭材料和設(shè)計(jì)合理的攪拌頭形狀及尺寸，對(duì)攪拌頭形成充分的冷卻，以減少其磨損速度，針對(duì)該問題，本發(fā)明提出了一種新型內(nèi)冷式攪拌頭結(jié)構(gòu)，并提供了其加工方法，克服攪拌焊應(yīng)用于高熔點(diǎn)金屬時(shí)磨損速度快的缺點(diǎn)。
[0030]如圖1、圖2所示，根據(jù)本發(fā)明提供的一種新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，包括攪拌頭，攪拌頭的內(nèi)部布置有內(nèi)部流道以加強(qiáng)攪拌頭冷卻，防止高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭過熱。
[0031]優(yōu)選地，內(nèi)部流道的延伸形狀為開口背向被焊工件的U型或者與攪拌頭同軸的螺旋形，所述內(nèi)部流道的直徑為1.5-5_。
[0032]優(yōu)選地，內(nèi)部流道內(nèi)含有冷卻液，冷卻液流量為10_50L/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為200-10000r/mino
[0033]優(yōu)選地，攪拌頭的內(nèi)部流道與驅(qū)動(dòng)攪拌頭的機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸同步旋轉(zhuǎn)，冷卻液在機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸與攪拌頭的內(nèi)部流道之間流通，不設(shè)置其它冷卻裝置。
[0034]優(yōu)選地，在攪拌頭軸肩處的內(nèi)部流道中的冷卻液體不產(chǎn)生紊流，以降低攪拌頭與母材摩擦局部溫度。
[0035]根據(jù)本發(fā)明提供的一種上述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的加工方法，采用逐層累加方法制造所述新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的攪拌頭，具體為:采用激光光源或者等離子弧熱源這些高能束，利用金屬粉末逐層燒結(jié)的方式，按預(yù)先設(shè)定的攪拌頭形狀累加成形。其中，利用數(shù)值仿真技術(shù)確定內(nèi)部流道的結(jié)構(gòu)形式。
[0036]優(yōu)選地，選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的加工過程工藝參數(shù)為:激光功率:100-1000W ;鋪粉厚度:0.01-0.1mm/層；激光掃描間距:0.01-0.2mm ;掃描速度:500-2000mm/min。
[0037]優(yōu)選地，攪拌頭中的內(nèi)部流道成形后采用液體打磨的形式降低內(nèi)部流道表面粗糙度，粗糙度小于5 μ m。
[0038]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變化或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。在不沖突的情況下，本申請(qǐng)的實(shí)施例和實(shí)施例中的特征可以任意相互組合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，包括攪拌頭，其特征在于，攪拌頭的內(nèi)部布置有內(nèi)部流道以加強(qiáng)攪拌頭冷卻，防止高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭過熱。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，內(nèi)部流道的延伸形狀為開口背向被焊工件的U型或者與攪拌頭同軸的螺旋形，所述內(nèi)部流道的直徑為1.5_5mm03.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，內(nèi)部流道內(nèi)含有冷卻液，冷卻液流量為10-50L/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為200-10000r/min。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，攪拌頭的內(nèi)部流道與驅(qū)動(dòng)攪拌頭的機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸同步旋轉(zhuǎn)，冷卻液在機(jī)床旋轉(zhuǎn)主軸與攪拌頭的內(nèi)部流道之間流通，不設(shè)置內(nèi)部流道之外的其它冷卻裝置。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，其特征在于，在攪拌頭軸肩處的內(nèi)部流道中的冷卻液體不產(chǎn)生紊流，以降低攪拌頭與母材摩擦局部溫度。6.一種權(quán)利要求1所述的新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的加工方法，其特征在于，采用逐層累加方法制造所述新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的攪拌頭，具體為:采用激光光源或者等離子弧熱源這些高能束，利用金屬粉末逐層燒結(jié)的方式，按預(yù)先設(shè)定的攪拌頭形狀累加成形。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加工方法，其特征在于，選擇性激光燒結(jié)設(shè)備的加工過程工藝參數(shù)為:激光功率=10-1OOOff ;鋪粉厚度:0.01-0.1mm/層；激光掃描間距:0.01-0.2mm ；掃描速度:500-2000mm/min。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的加工方法，其特征在于，攪拌頭中的內(nèi)部流道成形后采用液體打磨的形式降低內(nèi)部流道表面粗糙度，粗糙度小于5 μπι。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)，包括攪拌頭，攪拌頭的內(nèi)部布置有內(nèi)部流道以加強(qiáng)攪拌頭冷卻，防止高熔點(diǎn)金屬攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭過熱。本發(fā)明還提供了一種新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的加工方法，采用逐層累加方法制造所述新型內(nèi)冷式攪拌焊接頭結(jié)構(gòu)的攪拌頭，具體為：采用激光光源或者等離子弧熱源這些高能束，利用金屬粉末逐層燒結(jié)的方式，按預(yù)先設(shè)定的攪拌頭形狀累加成形。本發(fā)明能夠有效克服攪拌頭使用過程中因軸肩發(fā)熱引起的磨損加劇，攪拌頭壽命縮短的問題，為攪拌摩擦焊接應(yīng)用于高熔點(diǎn)金屬的焊接提供了有效的解決方式。
【IPC分類】B23K20/12, B22F3/105
【公開號(hào)】CN105234554
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510708281
【發(fā)明人】王學(xué)遠(yuǎn), 孫錫建, 成群林, 李中權(quán), 楊學(xué)勤, 姜勇
【申請(qǐng)人】上海航天精密機(jī)械研究所
【公開日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年10月27日