一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法，其中所述搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体和位于搅拌头本体下部的搅拌针，搅拌头本体与焊机夹持连接，其特点在于，还设置有强制冷却装置、载流装置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置。本发明专利技术具有高效、低成本、高稳定性、优质的优点，其突破了常规搅拌摩擦焊接技术的局限性，解决了高熔点金属搅拌摩擦焊接的搅拌头对高品质材料和复杂制备技术的依赖，并丰富低熔点轻合金搅拌摩擦焊接的质量控制手段，实现搅拌摩擦焊接的高质量与低成本的有效合理匹配，完善搅拌摩擦焊接技术，从而在固相焊接领域和表面工程领域开拓新的工程应用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及焊接
，特别是。
技术介绍
1991年英国焊接研究所(TWI)的W.M. Thomas专利技术了搅拌摩擦焊技术，并在中国取得 了专利授权(ZL95192193.2)，这种来源于机械冷加工制造工艺、基于固相连接的新型焊 接技术具有明显的优越性，使其成为近二十年内在世界范围内得到快速发展与广泛工程应 用的焊接技术之一。搅拌摩擦焊的工业应用主要集中在铝合金领域，随着其应用领域、连 接对象和材料的不断扩展，搅拌摩擦焊技术在低熔点的有色金属中得到了成功的拓展。但 是，科研人员发现对于像合金钢、不锈钢、钛合金，甚至高温合金等工业领域比较重要的 结构材料，搅拌摩擦焊技术的应用并不十分理想，目前只限于实验室的初步研究阶段。较高熔点金属材料搅拌摩擦焊接的难度主要在于1) 搅拌摩擦和塑性变形的热量输入不足，超塑性、回复与再结晶以及相变过程复杂， 不易形成良好的焊缝组织；2) 搅拌头的工作环境严酷，搅拌头的成本很高，使用寿命较低；3) 焊接效率低，成型质量较差。如果一味为了增加热量输入和焊接效率而增大搅拌头的下压力和转速，会使搅拌头温 度急速上升，使搅拌头高温强度降低，加剧搅拌头的磨损，严重时会导致搅拌头的搅拌针 断裂，焊接质量严重下降，影响了搅拌头的使用寿命；同时也使得所需搅拌摩擦焊机的装 机容量增大，对装夹具的要求提高，焊接设备的体积增大，耗能加大，搅拌摩擦的优势不 再明显。搅拌摩擦焊技术并没有如早先乐观估计的那样在船舶、管道、卡车、铁路、交通等领 域成为最具吸引力的制造技术而取得众多的应用成果，英国焊接研究所也认为搅拌摩擦焊 接较高熔点的金属材料(如钢材等)，是目前所面临的挑战，这是搅拌摩擦焊进一步拓展应用领域所必须要解决的问题。同时，即使是在低熔点的有色金属的搅拌摩擦焊接时，也存在焊接缺陷，工艺要求比 较苛刻，焊接的工艺窗口较窄，搅拌摩擦设备复杂，搅拌摩擦焊接技术的实际应用受到局 限。这就是搅拌摩擦焊接技术发展目前所面临的重要关键问题，亟待解决。
技术实现思路
针对现有搅拌摩擦技术存在的上述不足，本专利技术的目的是提供一种高效、低成本、高 稳定性、优质的搅拌摩擦焊接的搅拌头及其一种新型的搅拌摩擦焊接方法，以便突破常规 搅拌摩擦焊接技术的局限性，及其对搅拌头高昂的材料制备成本、苛刻的焊接工艺条件、 较短的使用寿命的长期牵制，解决高熔点金属搅拌摩擦焊接的搅拌头对高品质材料和复杂 制备技术的依赖，并丰富低熔点轻合金搅拌摩擦焊接的质量控制手段，实现搅拌摩擦焊接 的高质量与低成本的有效合理匹配，完善搅拌摩擦焊接技术，从而在固相焊接领域和表面 工程领域开拓新的工程应用范围。本专利技术的技术方案如下一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体和位于搅拌头本体下 部的搅拌针，搅拌头本体与焊机夹持连接，其特点在于，还设置有强制冷却装置、载流装 置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置，所述强制冷却装置包括设置于搅拌 头本体内部的一个中空结构的腔体，和一根出水和入水复合式铜管，所述复合式铜管用于 将冷凝液引入和导出腔体；所述载流装置包括搅拌头本体外沿设置通过径向摩擦焊接的一 个导电环，可通过碳电刷将电流导入搅拌头，以形成载流搅拌摩擦焊接方式；所述气体保 护装置设置于搅拌头本体的轴肩侧面处，用于在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝 及热影响区金属氧化；所述传感装置包括埋植于搅拌头轴肩内的自耦合热电阻式温度传感 器和设置于搅拌头与焊机夹持连接部位的轴向和径向压力传感器，其中，自耦合热电阻式 温度传感器通过搅拌头本体上部与无线感应发射器连接，用于形成轴肩及其附近温度的无 源无线电阻式感应传感，轴向和径向压力传感器与搅拌头上部的无线感应发射器连接，用 于实现搅拌摩擦焊负载的传感检测；所述绝缘装置包括绝缘件及其工件夹持的绝缘部件， 用于使搅拌头本体与焊机主轴绝缘，以及工件与焊机工作平台间的绝缘；所述密封装置包 括在搅拌头本体的中空腔体与复合式铜管之间设置的动密封构件，用于达到密封冷凝液态 介质的目的，并且使搅拌头能自由旋转。本专利技术中的载流装置，可以是以下结构所述载流装置包括导电环，碳电刷和绝缘支7撑组件，导电环材料为紫铜，导电环与搅拌头本体通过径向摩擦焊接工艺连接成一体，碳 电刷材料为添加5-15%石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷， 还设置有固定于摩擦焊机上的绝缘支撑组件，碳电刷与导电环形成良好电接触，并通过设 置于绝缘支撑组件的电缆线与电源连接，通过碳电刷和导电环将辅助电流引入搅拌头，在 工件的焊缝结合部位设置有活动导电块，并与电源的另外一个电极相连，工件和导电块与 周围的焊接夹具绝缘连接，形成载流搅拌摩擦焊接方式。本专利技术中的强制冷却装置，可以是包括以下结构所述强制冷却装置中的复合式铜管 是与内管原位隔离组合集成，内管为出水口，相比进水口其孔径要小，并且内管的进水开 口位于搅拌头腔体的上部，而复合铜管的出水通道开口在搅拌头腔体的下部，接近搅拌针 的位置，实现搅拌头及焊缝的温度控制。本专利技术中的气体保护装置，可以是以下结构所述气体保护装置围绕轴肩设置有喷嘴， 内部设置有气筛，用于使保护气体形成层流在搅拌头轴肩四周喷出，气体保护装置通过绝 缘支撑板和绝缘支撑组件与摩擦焊机固定，并与碳电刷和搅拌头本体绝缘，气体保护装置 的喷嘴为陶瓷材料，通过设置于两侧的进气管供给保护气体，保护摩擦焊接区和热影响区咼温金属。本专利技术中的传感装置，可以是包括以下结构所述传感装置包括温度传感装置和无线 传感检测系统，其中温度传感装置是无源无线的高温自耦合传感测量系统，由温度传感器， 发射器和接受器构成，温度传感器是自耦合热电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头的轴肩 端面处，发射器位于搅拌头本体上部与温度感应器连接，通过固定于摩擦焊机上的接受器 接受信号，并利用计算机实现轴肩及其附近温度的实时无源无线自耦合电阻式感应温度检 测；安装在搅拌头与摩擦焊机主轴夹持连接的部位的轴向和径向压力传感器，发射器和接 受器构成实现搅拌摩擦焊轴向和径向负载或力矩的无线传感检测系统。本专利技术中的密封装置主要包括动密封构件，动密封构件设置于搅拌头本体的中空腔体 与复合式铜管之间，为唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合式铜管轴旋转的动密封 形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性。本专利技术中的绝缘装置，可以是以下结构所述绝缘装置包括设置于搅拌头本体与动密 封构件之间的绝缘件和设置于搅拌头本体与焊机夹持之间的绝缘件，以及工件与夹持平台 之间的绝缘件，两种绝缘件用于将载流的搅拌头与搅拌摩擦焊机及其主轴绝缘，工件和导 电块与焊接工作平台绝缘，以保证载流摩擦焊接安全和辅助电流有效回路的形成。本专利技术中的搅拌头可以是以下结构或材料搅拌头本体采用不锈钢材料，搅拌针为锥形结构或者圆柱形结构；在搅拌针表面和轴肩端面，采用Ti纳米改性的PVD共同沉积MoS2/Ti纳米复合膜， 或者，采用真空烧结氮化方法制备以纳米TiN改性的Ti(C， N)基金属陶瓷材料， 或者，使用PVD方法共同沉积的类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM， 或者，使用PVD方法制备的类金刚石纳米复合膜，对搅拌针和轴肩进行强化处理，以增强搅拌头关键部位的抗磨损、抗氧化、抗高温的 能力，大幅度提本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体（１）和位于搅拌头本体（１）下部的搅拌针（１７），搅拌头本体（１）与焊机夹持（１６）连接，其特征在于，还设置有强制冷却装置、载流装置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置，所述强制冷却装置包括设置于搅拌头本体（１）内部的一个中空结构的腔体（２），和一根出水和入水复合式铜管（３），所述复合式铜管（３）用于将冷凝液引入和导出腔体（２）；所述载流装置包括搅拌头本体（１）外沿设置的一个导电环（４），可通过碳电刷（５）将电流导入搅拌头本体（１），以形成载流搅拌摩擦焊接方式；所述气体保护装置（７）设置于搅拌头本体（１）的轴肩（６）侧面处，用于在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝及热影响区金属氧化；所述传感装置包括埋植于搅拌头轴肩（６）内的自耦合热电阻式温度传感器（８）和设置于搅拌头本体（１）与焊机夹持（１６）连接部位的轴向和径向压力传感器（１０），其中，自耦合热电阻式温度传感器（８）通过搅拌头本体（１）上部与无线感应发射器（９）连接，用于形成轴肩（６）及其附近温度的无源无线电阻式感应传感，轴向和径向压力传感器（１０）与搅拌头上部的无线感应发射器（１５）连接，用于实现搅拌摩擦焊负载的传感检测；所述绝缘装置包括绝缘件（１１）及其工件（２５）夹持的绝缘部件，用于使搅拌头本体（１）与焊机主轴绝缘，以及工件与焊机工作平台间的绝缘；所述密封装置包括在搅拌头本体（１）的中空腔体（２）与复合式铜管（３）之间设置的动密封构件（１２），用于达到密封冷凝液态介质的目的，并且使搅拌头本体（１）能自由旋转。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：罗键，王颖，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]