採用介質冷卻攪拌摩擦焊接方法及裝置的製作方法

2023-10-17 21:13:34 5

專利名稱：採用介質冷卻攪拌摩擦焊接方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於在焊接結構製造中控制焊接應力和變形的採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法及裝置。
背景技術：
攪拌摩擦焊接技術與常見的鎢極氬弧焊相比，熱輸入比較低，焊接結構的宏觀變形小。但是，實際產品應用或研究過程中發現，攪拌摩擦焊接薄板過程中，存在焊接變形和殘餘應力。目前，在攪拌摩擦焊工藝中控制和消除薄板構件的焊接應力和變形，主要靠的是夾具裝夾和焊後矯形。這些方法有的需要繁雜龐大的設備，有的費力耗時，有的對焊接應力和變形的控制效果有限，並且都受結構焊縫形狀複雜性的影響，應用範圍受到限制。
由《北京航空工藝研究所》申請的《動態控制薄板構件低應力無變形焊接法及其裝置》(中國專利號ZL93101690.8)，公開了一種採用可跟隨焊接熱源移動的熱沉，對仍處於高溫的焊縫進行局部冷卻，有效控制了鎢極氬弧焊焊接薄壁結構時出現的焊接殘餘應力與變形。此項專利所公開的內容雖然在鎢極氬弧焊上得到了成功的應用，但是由於攪拌摩擦焊與鎢極氬弧焊的區別，此項發明不能解決在攪拌摩擦焊中薄壁結構出現的應力與變形問題。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠控制攪拌摩擦焊接薄壁結構時出現的應力與變形的攪拌摩擦焊接方法及裝置。
本發明的技術解決方案是，採用可跟隨攪拌頭移動的熱沉，對仍處於高溫狀態的焊縫進行局部冷卻。熱沉裝置由裝夾機構固定在安裝攪拌頭的機座上，該熱沉由冷卻介質管、高壓進氣管和抽氣管等組成，冷卻介質管被包圍在進氣管中，進氣管被包圍在抽氣管中，且在熱沉噴嘴出口處冷卻介質管略短於進氣管，進氣管的末端直徑變小，冷卻介質管和進氣管共同組成噴嘴，能夠噴出霧化冷卻水，在焊接過程中對攪拌頭後部的高溫焊縫金屬起到快速冷卻作用，從而控制焊接應力與變形，抽氣管的下方連接一個用柔性耐高溫材料製成的屏蔽網，此材料可以是玻璃纖維布或石棉布或金屬絲刷，抽氣管將冷卻介質蒸汽及多餘的冷卻介質抽走，防止其對焊接過程的幹擾。固定熱沉裝置的裝夾機構為一個三向可調機構，熱沉支臂將攪拌頭與熱沉連接，並由鎖緊鏍母控制調節熱沉沿X向滑移，壓緊螺釘調節熱沉在Z向的運動；同時，也可調節熱沉在W向的運動，攪拌頭與熱沉之間保持15～100mm的距離，熱沉的擺動角度在0～30度。
在焊接過程中，用熱沉跟隨攪拌頭對仍處於高溫狀態的焊縫局部急冷來獲得強烈的拉伸作用，「攪拌頭-熱沉」系統是本發明獨具的特點。採用可跟隨攪拌頭移動的熱沉裝置，形成「攪拌頭-熱沉」多源系統，在攪拌頭後適當位置，對焊縫高溫區金屬局部急冷。利用熱沉對處於高溫狀態的焊縫區的局部急冷，使其局部急劇收縮，就會產生對該焊縫區的強烈拉伸效應，這樣就在焊接過程中控制了焊接應力與變形，防止了薄板構件的失穩變形。這種採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法不受焊縫形狀和專用夾具的限制，熱沉可跟隨攪拌頭焊接任何長度的直線、非直線、非規則焊縫，實現對薄板構件焊接應力和變形的動態控制。熱沉的強度和位置可根據材料和結構的特性優選確定。本發明設備簡單，操作方便，技術經濟效益高，能保證各種薄板構件的焊接質量。
本發明由於採用了冷卻介質管比進氣管略低，進氣管的直徑在冷卻介質管的末端處發生由大到小的變化的結構形式，因而高壓氣體將冷卻介質管射出的液體霧化，又由於進氣管比冷卻介質管略長些，因而對剛剛霧化的冷卻介質具有一定的導向作用，使之更加有效地作用在需要冷卻的焊縫上。
本發明的另一個特點還在於熱沉裝置具有更加廣泛的運動方向。除了X、Y、Z三向可調，每一向可調範圍與已有專利不同外，在攪拌頭主軸和熱沉軸線構成的XZ平面上，熱沉還能進行一定角度的擺動，從而使熱沉與攪拌頭之間的距離調節更加方便。


圖1為採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法裝置示意圖；圖2a為本發明裝夾機構示意圖，其中，B-B為熱沉的側視圖；圖2b為熱沉部位放大圖；圖3為採用常規攪拌摩擦焊接方法和採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法焊接後，薄壁構件上縱向殘餘應力的分布。
圖4為採用常規攪拌摩擦焊接方法和採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法焊接後，薄板構件的縱向殘餘塑性應變的分布。
具體實施例方式圖1是採用介質冷卻的攪拌摩擦焊焊接方法裝置示意圖。根據本發明所述，該系統包括攪拌頭和熱沉兩部分。熱沉包括有輸送冷卻介質的管6和高壓氣管7組合形成的介質霧化射流噴嘴和抽氣管8，10為焊接工件。
攪拌頭2在繞其軸線1按照轉動箭頭5和向下運動方向12旋轉及壓力作用下，摩擦地進入到待焊接的工件表面10中，並在維持轉動的情況下沿箭頭3的方向運動。攪拌頭2的縱軸線1向焊接方向的反方向從垂直線向後傾斜。攪拌頭2的運動方式及其縱軸線1向後傾斜是常見的攪拌摩擦焊的方法特徵。4為軸肩。
本發明中冷卻介質可根據焊接件的材料選用水、液氮或液態二氧化碳及其它冷卻液。在冷卻介質噴嘴外部設置一個抽氣管8，可防止冷卻介質汽化對焊接過程的幹擾，保證焊接正常進行。抽氣管與真空泵相連接，在焊接過程中，真空泵能及時將冷卻介質蒸汽及剩餘的冷卻介質抽走，抽氣管下端採用柔性耐高溫材料，根據具體情況選用玻璃纖維布、石棉布、金屬絲刷等製成的屏蔽網9與工件接觸，實現抽氣管與焊件間的動態封嚴。這樣，熱沉可跟隨攪拌頭適應各種形式的焊縫，實現動態控制。
在同樣熱沉冷卻強度下，熱沉不同的冷卻位置對焊接應力和變形的控制效果不同。本發明將冷卻介質噴嘴和抽氣管固定在一個三向可調的裝夾機構上，可將熱沉的冷卻方便調節到一個最佳位置上，還可將熱沉在其軸線11與攪拌頭軸線1所處的XZ平面上沿其軸線11按箭頭13擺動一個角度，從而可以更加精確地調節熱沉與攪拌頭之間的距離。圖2為攪拌頭與熱沉連接的裝夾機構示意圖。由圖中可見，通過熱沉支臂19將床身20與熱沉單元18連接，從而將攪拌頭2與熱沉單元18連接起來，並由鎖緊鏍母14控制調節熱沉沿X向滑移，從而調節熱沉與攪拌頭2之間的距離。壓緊螺釘21調節熱沉18在Z向的運動，調節熱沉的位置；同時，也可調節熱沉18在W向的運動，即熱沉與攪拌頭之間擺動的角度，通過固定W向鎖緊螺母22固定W向的位置。通過霧化氣輸入接口17進入熱沉單元的氣體將通過冷卻介質輸入接口15進入的冷卻介質霧化，而後，由真空泵通過冷卻介質回收接口16將冷卻介質蒸汽及多餘的冷卻介質抽走，避免多餘的冷卻介質對焊接過程的幹擾。
在同一熱沉冷卻位置，不同的熱沉強度對焊接應力和變形的控制效果不同。本發明給冷卻介質和高壓氣流均配置了流量計，可實現對熱沉強度的定量調節。
熱沉冷卻效果的增強。為了增強熱沉對焊縫高溫區的局部急冷拉伸作用，必須加強冷卻介質與焊縫高溫區的換熱。本發明採用高壓氣體通過高壓氣流噴嘴將冷卻液先行霧化後，再噴射到焊縫高溫區，這樣，大大增加了冷卻液與焊縫的接觸面積，加強了冷卻液的汽化，提高了換熱係數，增強了熱沉的冷卻效果。冷卻介質管包圍在進氣管中，進氣管在冷卻介質管末端直徑由大變小，導致高壓氣流在此處作用於冷卻介質使其霧化，隨即霧化後的冷卻介質沿進氣管的尾端噴出，定向有效地作用於高溫焊縫上。
實施例選用厚度為3mm的鋁合金板，分別用常規攪拌摩擦焊焊接和採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接，兩種方法規範相同，均為攪拌頭主軸轉速1000rpm，焊接速度300mm/min。冷卻介質選用水。焊後測定分析了板內殘餘應力和殘餘塑性應變的分布情況，由圖3、圖4可以看到，常規焊時，焊縫區有很大的殘餘壓縮塑性變形量，相應殘餘應力水平很高；而採用冷卻介質後，壓縮塑性變形量得以補償和控制，殘餘壓縮塑性應變大大降低，焊縫區的殘餘拉應力水平大幅度下降。由此可以看出，採用冷卻介質的攪拌摩擦焊接方法，焊接薄板內的殘餘應力水平與殘餘塑性應變都得以大大降低。
本發明的焊接方法及裝置，可針對待焊工件的材料特性、幾何尺寸、設計或製造工藝的要求，以及達到的控制最終殘餘應力和變形的容限值，通過對焊接熱彈塑性過程分析和測試相結合的方法優選最佳的熱沉冷卻強度和熱沉位置，控制薄板構件的應力和變形。本發明方法適合於各種有色金屬、黑色金屬、合金鋼和耐熱合金等結構材料。並且由於熱沉的局部急冷作用，對一些材料的焊縫還可以達到改善結晶組織、細化晶粒、消除裂紋的效果。在各型號的攪拌摩擦焊設備上，裝備上本發明的裝置，即可實現控制薄板構件應力和變形的焊接。
權利要求
1.一種採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法，其特徵是，在攪拌頭之後跟隨同步運動的熱沉，熱沉由裝夾機構固定在攪拌頭的機座上，根據被焊接材料的不同，調節裝夾機構，使熱沉與攪拌頭之間保持相應的距離，將冷卻介質霧化噴射至焊縫，動態控制焊接應力與變形。
2.根據權利要求1所述的採用介質冷卻攪拌摩擦焊接方法，其特徵是，攪拌頭與熱沉之間的距離保持在15～100mm，熱沉的傾斜角度為0～30度。
3.一種實施權利要求1的方法的裝置，其特徵是，熱沉由冷卻介質管、高壓進氣管和抽氣管等組成，冷卻介質管被包圍在進氣管中，進氣管被包圍在抽氣管中，且在熱沉噴嘴出口處冷卻介質管略短於進氣管，進氣管的末端直徑變小，冷卻介質管和進氣管共同組成噴嘴，能夠噴出霧化冷卻水，抽氣管的下方連接一個用柔性耐高溫材料製成的屏蔽網。
4.根據權利要求1所述的採用介質冷卻攪拌摩擦焊接方法，其特徵是，裝夾機構在0～30度的角度範圍內調節熱沉的擺動角度。
全文摘要
本發明涉及一種用於在焊接結構製造中控制焊接應力和變形的採用介質冷卻的攪拌摩擦焊接方法及裝置。本發明採用可跟隨攪拌頭移動的熱沉，對仍處於高溫狀態的焊縫進行局部冷卻。該熱沉由冷卻介質管、高壓進氣管和抽氣管等組成，冷卻介質管被包圍在進氣管中，進氣管被包圍在抽氣管中，且在熱沉噴嘴出口處冷卻介質管略短於進氣管，進氣管的末端直徑變小，冷卻介質管和進氣管共同組成噴嘴，能夠噴出霧化冷卻水，在焊接過程中對攪拌頭後部的高溫焊縫金屬起到快速冷卻作用，從而控制焊接應力與變形，抽氣管將冷卻介質蒸汽及多餘的冷卻介質抽走，防止其對焊接過程的幹擾。本發明設備簡單，操作方便，技術經濟效益高，能保證各種薄板構件的焊接質量。
文檔編號B23K20/26GK1739902SQ20051010542
公開日2006年3月1日 申請日期2005年9月28日 優先權日2005年9月28日
發明者關橋, 李菊, 郭德倫, 欒國紅 申請人:中國航空工業第一集團公司北京航空製造工程研究所