一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭的製作方法

2023-05-01 11:12:06

專利名稱：一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種攪拌摩擦焊的攪拌頭，具體涉及一種適於水環境中局部 乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭。
技術背景攪拌摩擦焊(FSW)是1991年在英國焊接研究所(TWI)發明的一種新 的固相連接方法，其專利號為US54603H。目前，針對冷卻外場的引入來改 善攪拌摩擦焊焊縫成形和接頭性能等方面已開展了系列研究。J. Q. Su等在 7075鋁合金的FSW過程中，用水、甲醇和乾冰的混合物冷卻的攪拌頭後面已 成形的焊縫，得到了尺寸約為100nm的細小的焊核區組織[J. Mater. Res. 2003, 18: 1757]，攪拌摩擦焊過程中強制冷卻外場的引入，改變了焊接過程的熱循環 和溫度場，從而改變了接頭的組織、性能和應力狀態。專利號為 200510105425.X的發明專利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，從而控制焊接應力與變形，該發明主要適用於攪拌 摩擦焊接薄壁結構時出現的應力與變形的控制。可見，強制冷卻的引入有利 於改善接頭的微觀結構和性能以及控制應力和變形，但適於水環境中局部幹 式攪拌摩擦焊的攪拌頭設計仍未有報導。目前，水環境中焊接主要包括焊條電弧悍、熔化極氬弧焊和鉤極氬弧焊 等弧焊方法以及雷射焊，但還未涉及到水環境中的攪拌摩擦焊。在進行水環 境中焊接時，無論是弧焊方法還是雷射焊方法，大多數情況下都是採用將水 從焊接區排除出去的所謂"幹法焊接"和"局部乾式焊接"，由於此時焊接區沒有 水，需要複雜的配套設備和技術條件，因而實現難度較大；在某些情況下， 也有採用未將水從焊接區排除出去的所謂"溼法焊接"，如特製藥皮焊條的水下 電弧焊，但由於水存在於焊接區，不但影響電弧及熔滴過渡的穩定性，而且 水在電弧高溫下的分解將導致焊縫增氫，造成接頭性能的惡化。攪拌摩擦焊 具有摩擦產熱材料塑性流動形成有效連接和受水環境影響較小的特點，因此，設計一種適用於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭成為亟待解決的問題。發明內容本發明的目的是為了解決現有的攪拌摩擦焊攪拌頭無法適用於水環境中 局部乾式焊接的問題以及水下焊接需要複雜的配套設備和技術條件，實現難 度較大，電弧及熔滴過渡穩定性差，水在電弧高溫下的分解導致焊縫增氫， 造成接頭性能惡化的問題，進而提供一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊 的攪拌頭。本發明的技術方案是 一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭 包括攪拌頭基體，所述攪拌頭基體由圓柱形夾持體、圓柱形連接體和攪拌針 組成，所述圓柱形夾持體、圓柱形連接體和攪拌針同軸由上至下依次製成一 體，所述攪拌針與圓柱形連接體的交界處形成定位臺肩端面，所述圓柱形夾 持體的側面上制有防鬆緊固面，所述圓柱形連接體上開有環形隔熱散熱槽； 所述攪拌針由軸肩和針體組成，所述軸肩和針體同軸由上至下製成一體，所 述攪拌頭還包括鋼絲刷結構體、多個定位墊環、緊固螺母和鋼絲刷定位套， 所述鋼絲刷結構體由U字形鋼絲刷座、倒漏鬥形罩和多根不鏽鋼絲束組成， 所述緊固螺母與軸肩的上部螺紋連接，且緊固螺母的上端面與臺肩端面之間 設置有多個定位墊環，所述緊固螺母的下端面上設有安裝臺肩，所述U字形 鋼絲刷座固裝在安裝臺肩上，所述倒漏鬥形罩固定在U字形鋼絲刷座上，所 述倒漏鬥形罩罩在多根不鏽鋼絲束的外側，且倒漏鬥形罩的下邊緣處於多根 不鏽鋼絲束的下端的上部，所述多根不鏽鋼絲束的上端固裝在U字形鋼絲刷 座內，所述多根不鏽鋼絲束的下端伸出軸肩的底面，所述鋼絲刷定位套與軸 肩上部螺紋連接。本發明具有以下有益效果本發明利用攪拌頭基體與鋼絲刷結構體組合 的特殊攪拌頭，直接將水從焊接區排除出去，而不需要其他排水裝置。攪拌 頭周圍溫度較高，使其附近的水汽化，並利用蒸汽壓將水排開，同時在不鏽 鋼絲束的同步旋轉離心力的作用將水拋出，而且通過倒漏鬥形罩阻止了水由 鋼絲刷結構體上部和側面的進入，具有簡便易行的特點，同時由於焊接溫度 低，不會發生水分解而使焊縫增氫。本發明與大氣環境中攪拌摩擦焊方法不 同，本發明充分利用水具有大比熱容和較強導熱能力等熱物理性質，降低焊接熱循環的峰值溫度，加快焊接過程的冷卻速度，縮小焊接溫度場的分布範 圍，因而降低了焊接熱影響區的寬度和軟化程度，細化了焊縫區的晶粒，最 終提高接頭的性能。因此，本發明克服了現有水下焊接方法和大氣環境中攪 拌摩擦焊方法存在的不足之處，不但容易滿足水環境中焊接的需求，而且能 夠提高接頭的性能。


圖1是本發明的整體結構主視剖視圖，圖2是圖1的a處局部放大圖。
具體實施方式
具體實施方式
一結合圖1 圖2說明本實施方式，本實施方式的一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭包括攪拌頭基體，所述攪拌頭基體由圓柱形夾持體3、圓柱形連接體4和攪拌針1組成，所述圓柱形夾持體3、 圓柱形連接體4和攪拌針1同軸由上至下依次製成一體，所述攪拌針1與圓 柱形連接體4的交界處形成定位臺肩端面4-2，所述圓柱形夾持體3的側面上 制有防鬆緊固面3-l，所述圓柱形連接體4上開有環形隔熱散熱槽4-l;所述 攪拌針1由軸肩1-1和針體1-2組成，所述軸肩1-1和針體1-2同軸由上至下 製成一體，所述攪拌頭還包括鋼絲刷結構體2、多個定位墊環6、緊固螺母8 和鋼絲刷定位套9，所述鋼絲刷結構體2由U字形鋼絲刷座2-1、倒漏鬥形罩 2-2和多根不鏽鋼絲束2-3組成，所述緊固螺母8與軸肩1-1的上部螺紋連接， 且緊固螺母8的上端面與臺肩端面4-2之間設置有多個定位墊環6，所述緊固 螺母8的下端面上設有安裝臺肩8-1 ，所述U字形鋼絲刷座2-1固裝在安裝臺 肩8-1上，所述倒漏鬥形罩2-2固定在U字形鋼絲刷座2-1上，所述倒漏鬥形 罩2-2罩在多根不鏽鋼絲束2-3的外側，且倒漏鬥形罩2-2的下邊緣處於多根 不鏽鋼絲束2-3的下端的上部，所述多根不鏽鋼絲束2-3的上端固裝在U字形 鋼絲刷座2-l內，所述多根不鏽鋼絲束2-3的下端伸出軸肩1-1的底面，所述 鋼絲刷定位套9與軸肩1-1上部螺紋連接。
具體實施方式
二結合圖1 圖2說明本實施方式，本實施方式的倒漏鬥 形罩2-2採用不鏽鋼、銅或橡膠材料製成。其它組成和連接關係與具體實施方 式一相同。
具體實施方式
三結合圖1 圖2說明本實施方式，本實施方式的多根不鏽鋼絲束2-3的上端均勻固裝在U字形鋼絲刷座2-1內。如此設置，更好的將 水排開。其它組成和連接關係與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
四結合圖1 圖2說明本實施方式，本實施方式的多根不鏽鋼絲束2-3的下端伸出軸肩1-1底面的長度L為lmm 5mm，多根不鏽鋼 絲束2-3下端的內側距離軸肩1-1的徑向距離H為3mm 15mm，所述多根不 鏽鋼絲束2-3的整體寬度K為5mm 10mm。如此設置，更好的將水排開。 其它組成和連接關係與具體實施方式
一或三相同。
具體實施方式
五結合圖1 圖2說明本實施方式，本實施方式的緊固螺 母8與軸肩1-1上部螺紋連接的旋緊方向及鋼絲刷定位套9與緊固螺母8下端 的軸肩1-1上部螺紋連接的旋緊方向與攪拌頭焊接時的旋轉方向相反。如此設 置，防止鬆動，工作狀況更好。其它組成和連接關係與具體實施方式
四相同。
具體實施方式
六結合圖1說明本實施方式，本實施方式的每個定位墊 環6的厚度為0.01mm 2mm。如此設置，通過定位墊環6進行調整間距，調 整的精度為0.01mm，實現鋼絲刷結構體2的縱向調整。其它組成和連接關係 與具體實施方式
一或五相同。
權利要求
1、一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭，它包括攪拌頭基體，所述攪拌頭基體由圓柱形夾持體(3)、圓柱形連接體(4)和攪拌針(1)組成，所述圓柱形夾持體(3)、圓柱形連接體(4)和攪拌針(1)同軸由上至下依次製成一體，所述攪拌針(1)與圓柱形連接體(4)的交界處形成定位臺肩端面(4-2)，所述圓柱形夾持體(3)的側面上制有防鬆緊固面(3-1)，所述圓柱形連接體(4)上開有環形隔熱散熱槽(4-1)；其特徵在於所述攪拌針(1)由軸肩(1-1)和針體(1-2)組成，所述軸肩(1-1)和針體(1-2)同軸由上至下製成一體，所述攪拌頭還包括鋼絲刷結構體(2)、多個定位墊環(6)、緊固螺母(8)和鋼絲刷定位套(9)，所述鋼絲刷結構體(2)由U字形鋼絲刷座(2-1)、倒漏鬥形罩(2-2)和多根不鏽鋼絲束(2-3)組成，所述緊固螺母(8)與軸肩(1-1)的上部螺紋連接，且緊固螺母(8)的上端面與臺肩端面(4-2)之間設置有多個定位墊環(6)，所述緊固螺母(8)的下端面上設有安裝臺肩(8-1)，所述(U)字形鋼絲刷座(2-1)固裝在安裝臺肩(8-1)上，所述倒漏鬥形罩(2-2)固定在U字形鋼絲刷座(2-1)上，所述倒漏鬥形罩(2-2)罩在多根不鏽鋼絲束(2-3)的外側，且倒漏鬥形罩(2-2)的下邊緣處於多根不鏽鋼絲束(2-3)的下端的上部，所述多根不鏽鋼絲束(2-3)的上端固裝在U字形鋼絲刷座(2-1)內，所述多根不鏽鋼絲束(2-3)的下端伸出軸肩(1-1)的底面，所述鋼絲刷定位套(9)與軸肩(1-1)上部螺紋連接。
2、 根據權利要求1所述一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭， 其特徵在於所述倒漏鬥形罩(2-2)採用不鏽鋼、銅或橡膠材料製成。
3、 根據權利要求1所述一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭， 其特徵在於所述多根不鏽鋼絲束(2-3)的上端均勻固裝在U字形鋼絲刷座(2-1)內。
4、 根據權利要求1、 2或3所述一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊 的攪拌頭，其特徵在於所述多根不鏽鋼絲束(2-3)的下端伸出軸肩(1-1) 底面的長度(L)為lmm 5mm，多根不鏽鋼絲束(2-3)下端的內側距離軸 肩(1-1)的徑向距離(H)為3mm 15mm，所述多根不鏽鋼絲束(2-3)的 整體寬度(K)為5mm 10mm。
5、 根據權利要求4所述一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭， 其特徵在於所述緊固螺母(8)與軸肩(1-1)上部螺紋連接的旋緊方向及鋼絲刷定位套(9)與緊固螺母(8)下端的軸肩(1-1)上部螺紋連接的旋緊方 向與攪拌頭焊接時的旋轉方向相反。
6、 根據權利要求1或5所述一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪 拌頭，其特徵在於每個定位墊環(6)的厚度為0.01mm 2mm。
全文摘要
一種適於水環境中局部乾式攪拌摩擦焊的攪拌頭，它涉及一種攪拌摩擦焊的攪拌頭。本發明解決了現有的攪拌摩擦焊攪拌頭無法適用於水環境中局部乾式焊接的問題以及水下焊接需要複雜的配套設備和技術條件，實現難度較大，電弧及熔滴過渡的穩定性差，水在電弧高溫下的分解將導致焊縫增氫，造成接頭性能的惡化的問題。本發明的緊固螺母與軸肩上部螺紋連接，且緊固螺母的上端面與臺肩端面之間設置有定位墊環，U字形鋼絲刷座固裝在安裝臺肩上，多根不鏽鋼絲束的上端固裝在U字形鋼絲刷座內，倒漏鬥形罩罩在鋼絲刷的外側。本發明克服了現有攪拌摩擦焊攪拌頭水環境中焊接的不足之處，滿足了水環境中局部乾式焊接的需求，且提高了接頭的性能。
文檔編號B23K20/26GK101554681SQ20091007203
公開日2009年10月14日 申請日期2009年5月15日 優先權日2009年5月15日
發明者劉會傑, 利 周, 張會傑, 張鬱中, 沈俊軍, 黃永憲 申請人:哈爾濱工業大學