專利名稱：一種冷卻摩擦頭和加熱連接材料的攪拌摩擦焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出的一種冷卻摩擦頭和加熱連接材料的攪拌摩擦焊方法屬于金屬摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到冷卻摩擦頭和加熱連接鋼材的攪拌摩擦焊方法。
背景技術(shù)：
20世紀(jì)五十年代我國(guó)就已經(jīng)出現(xiàn)了金屬母材轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦焊連接方法，1995年英國(guó)焊接研究所(TWI)在中國(guó)獲得了“摩擦攪拌焊”的專利權(quán)(ZL 95192193.2)，該專利不再用傳統(tǒng)的金屬材料轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦熱的概念，提出了另外一種材質(zhì)硬的金屬材質(zhì)做摩擦頭，該摩擦頭轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)入被連接的材料，由此產(chǎn)生的摩擦熱使連接材料達(dá)到熱塑性溫度和熱塑性狀態(tài)，其后，該熱塑性金屬區(qū)域凝固而形成焊接連接。
目前，雖然這種摩擦攪拌焊在鋁與鋁合金的連接方面取得了很好的效果，但對(duì)較硬的鋼材的攪拌摩擦焊就碰到了一些困難，主要是選擇比被連接金屬更“硬”的摩擦頭材料不那么容易，還有，為了被連接的鋼材要達(dá)到更高的熱塑性溫度從而產(chǎn)生塑性區(qū)域也需要摩擦頭更高的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和消耗更多的能量。
這些是鋼的攪拌摩擦焊遇到的主要問(wèn)題之一。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中鋼的攪拌摩擦焊存在的上述技術(shù)問(wèn)題，提出一種新型的摩擦頭結(jié)構(gòu)和改進(jìn)攪拌的摩擦焊方法，以便能夠有效、高質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)鋼的攪拌摩擦焊。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下1.一種攪拌摩擦焊的摩擦頭，該摩擦頭1主要有與動(dòng)力源連接的傳遞旋轉(zhuǎn)和壓力的結(jié)合部、摩擦頭主體1-1，攪拌柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3，其特征在于有摩擦頭1中設(shè)置冷卻循環(huán)裝置，該冷卻循環(huán)裝置包括摩擦頭主體1-1內(nèi)的密封圈1-4以及其上下配置的上密封法蘭1-5和下密封法蘭1-6，以及壓緊它們的鎖緊螺母1-7，在上述鎖緊螺母1-7、上密村法蘭1-5、下密封法蘭1-6以及密封圈1-4的中心部位設(shè)有冷卻介質(zhì)導(dǎo)入管3和在其外圍配置的冷卻介質(zhì)導(dǎo)出管4，借助該冷卻介質(zhì)導(dǎo)入管3和冷卻介質(zhì)導(dǎo)出管4實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦頭的冷卻循環(huán)，以便使攪拌柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3充分冷卻而保持足夠的高溫力學(xué)性能。
2.根據(jù)上述的具有冷卻循環(huán)裝置的摩擦頭1的攪拌摩擦焊方法，該方法包括兩個(gè)被連接材料2固定并問(wèn)其中心加壓，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦頭1沿著被連接材料2的坡口2-1進(jìn)入被連接材料2，使其達(dá)到熱塑性溫度并產(chǎn)生塑性區(qū)域，以及摩擦頭1后面的塑性區(qū)域凝固并形成連接焊縫。
其特征在于1)焊前，外加熱源3-1、3-2加熱被連接的材料2，使其達(dá)到被連接材料的熱塑性溫度，這種外加熱源的加熱在焊接整個(gè)過(guò)程中都應(yīng)當(dāng)保持；2)啟動(dòng)如權(quán)利要求1所述摩擦頭1的冷卻循環(huán)裝置，使循環(huán)冷卻介質(zhì)可以連續(xù)冷卻摩擦頭1的摩擦柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3。
3.根據(jù)上述的摩擦頭1中的冷卻循環(huán)裝置，該裝置中的冷卻介質(zhì)可以選用水、壓縮空氣或?qū)嵊汀?br> 4.根據(jù)上述的攪拌摩擦焊方法，在該方法中外加熱源3-1和3-2可以是火焰、電弧、高頻、中頻、電磁波、微波、激光、電子束中的任何一種。
5.根據(jù)上述的攪拌摩擦焊方法，在該方法中依據(jù)被連接材料2的材質(zhì)和要求的強(qiáng)度，被連接材料2由外加熱源3-1和3-2加熱到其熱塑性或超塑性溫度。
6.根據(jù)上述的攪拌摩擦焊方法，該方法適用于鋼制或銅合金制摩擦頭焊接鋼材的情況。
本發(fā)明提出的具有冷卻循環(huán)裝置的摩擦頭和被連接材料施加外加熱源的攪拌摩擦焊方法能夠?qū)崿F(xiàn)由鋼制或銅合金制摩擦頭對(duì)鋼板、鋼容器、鋼管實(shí)施攪拌摩擦焊，這就避免了攪拌摩擦焊接較硬的金屬鋼時(shí)采用昂貴的特殊的摩擦頭材質(zhì)、同時(shí)也能減少摩擦焊的轉(zhuǎn)動(dòng)能量，以及能保證方法的高效和焊接的高質(zhì)量。


圖1冷卻摩擦頭和連接材料被加熱的攪拌摩擦焊的示意圖；圖2冷卻摩擦頭結(jié)構(gòu)的示意圖；圖3利用本發(fā)明申請(qǐng)的攪拌摩擦焊連接鋼容器的示意圖；圖4利用本發(fā)明的攪拌摩擦焊連接鋼管的示意圖。
圖1是冷卻摩擦頭和連接材料被加熱的攪拌摩擦焊方法的示意圖，圖中被連接的板狀材料2正反兩面設(shè)有加熱源3-1和3-2，當(dāng)被連接材料2加熱到其塑性溫度時(shí)，具有冷卻循環(huán)裝置的摩擦頭1的前端固定著攪拌柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3，在旋轉(zhuǎn)動(dòng)力和向下壓力F下的作用下，該攪拌柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3進(jìn)入連接材料2的坡口2-1，該整個(gè)摩擦頭1的旋轉(zhuǎn)使坡口2-1達(dá)到熱塑性溫度，并產(chǎn)生熱塑性狀態(tài)。攪拌柱頭1-2以及其上的螺旋突臺(tái)1-3能使坡口2-1的金屬垂直和橫向充分?jǐn)嚢杈鶆?，其后凝固，形成連接焊縫。
為了保證摩擦頭1、特別是其中的攪拌柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3適當(dāng)降低溫度，從而保證摩擦頭的強(qiáng)度，冷卻介質(zhì)由冷卻介質(zhì)導(dǎo)入口3導(dǎo)入摩擦頭1，以及由冷卻介質(zhì)導(dǎo)出口4導(dǎo)出冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)在摩擦頭1內(nèi)進(jìn)行連續(xù)冷卻循環(huán)。
選擇冷卻介質(zhì)的種類、控制冷卻介質(zhì)的流速可以使摩擦柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3的溫度不同程度降低。
圖2是冷卻摩擦頭結(jié)構(gòu)的示意圖。與動(dòng)力源連接的傳遞旋轉(zhuǎn)與壓力的結(jié)和部(圖2未示出)攪拌柱頭1-2固定在摩擦頭主體1-1的前端，攪拌柱頭1-2上還設(shè)置著螺旋突臺(tái)1-3，螺旋突臺(tái)1-3由上下螺旋突臺(tái)構(gòu)成，它們是小角度左、右螺紋，根據(jù)摩擦頭1的旋轉(zhuǎn)方向確定上下突臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向。
在摩擦頭1內(nèi)部設(shè)置-冷卻循環(huán)裝置，它包括在摩擦頭主體1-1內(nèi)的密封圈1-4，以及在其上下的配置的上密封法蘭1-5和下密封法蘭1-6，以及壓緊它們的鎖緊螺母1-7，在上述鎖緊螺母1-7、下密封法蘭1-5、密封圈1-4和下密村法蘭1-6的中心部位設(shè)有冷卻介質(zhì)導(dǎo)入管3和其外圍配置的冷卻介質(zhì)導(dǎo)出管4，借助這兩個(gè)管，冷卻介質(zhì)能夠進(jìn)行冷卻循環(huán)，摩擦頭1，特別是摩擦柱頭1-2和螺旋突臺(tái)1-3充分冷卻而保持足夠的高溫力學(xué)性能。
圖3是利用本發(fā)明攪拌摩擦焊方法連接鋼容器的示意圖。鋼容器2被設(shè)置在其內(nèi)外的外加熱裝置3-1和3-2加熱到熱塑性溫度，在鋼容器2的連接坡口2-1處由具有冷卻循環(huán)裝置的摩擦頭1實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊。
圖4是利用本發(fā)明的攪拌摩擦焊方法連接的鋼管示意圖?？ň?夾緊時(shí)接鋼管2，該鋼管2由中頻加熱器(圖中未標(biāo)出)使其坡口2-1加熱到塑性溫度后，由具有冷卻循環(huán)裝置的摩擦頭1對(duì)著坡口2-1實(shí)行攪拌摩擦焊。
權(quán)利要求
1.一種攪拌摩擦焊的摩擦頭，該摩擦頭(1)主要有與動(dòng)力源連接的傳遞旋轉(zhuǎn)與壓力的結(jié)合部、摩擦頭主體(1-1)、攪拌柱頭(1-2)和螺旋突臺(tái)(1-3)，其特征在于，在該摩擦頭(1)中設(shè)置冷卻循環(huán)裝置，該冷卻循環(huán)裝置包括在摩擦頭主體(1-1)內(nèi)的密封圈(1-4)以及其上下的配置的上密封法蘭(1-5)和下密封法蘭(1-6)，以及壓緊它們的鎖緊螺母(1-7)，在上述鎖緊螺母(1-7)、上密封法蘭(1-5)、下密封法蘭(1-6)以及密封圈(1-4)的中心部位設(shè)有冷卻介質(zhì)導(dǎo)入管(3)和在其外圍配置的冷卻介質(zhì)導(dǎo)出管(4)，借助該冷卻介質(zhì)導(dǎo)入管(3)和冷卻介質(zhì)導(dǎo)出管(4)冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦頭(1)的冷卻循環(huán)，以便使摩擦頭柱頭(1-2)和螺旋突臺(tái)(1-3)充分冷卻而保持足夠的高溫力學(xué)性能。
2.一種采用權(quán)利要求1所述的具有冷卻循環(huán)裝置的摩擦頭(1)的攪拌摩擦焊方法，該方法包括被連接的兩個(gè)材料(2)固定并向其中心加壓，高速轉(zhuǎn)動(dòng)的摩擦頭(1)沿著被連接材料(2)的坡口(2-1)進(jìn)入要連接的材料(2)，使其達(dá)到熱塑性溫度并產(chǎn)生塑性區(qū)域，以及摩擦頭(1)后面的塑性區(qū)域凝固并形成連接焊縫；其特征在于，該焊接方法主要包括1)焊前，外加熱源(3-1)、(3-2)加熱被連接的材料(2)，使其達(dá)到被連接材料(2)的熱塑性溫度，這種外加熱源的加熱在焊接整個(gè)過(guò)程中都應(yīng)當(dāng)保持；2)啟動(dòng)如權(quán)利要求1所述的摩擦頭(1)冷卻循環(huán)裝置，使循環(huán)的冷卻介質(zhì)可以連續(xù)冷卻摩擦頭(1)的摩擦柱頭(1-2)和螺旋突臺(tái)(1-3)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的摩擦頭(1)，其特征在于，所述的冷卻循環(huán)裝置中的冷卻介質(zhì)可以選用水，壓縮空氣或?qū)嵊汀?br> 4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的攪拌摩擦焊方法，其特征在于，所述的外加熱源(3-1)和(3-2)可以是火焰、電弧、高頻、中頻、電磁波、微波、激光、電子束中的任何一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的攪拌摩擦焊方法，其特征在于，依據(jù)被連接材料(2)的材質(zhì)和要求的連接強(qiáng)度，被連接材料(2)由外加熱源(3-1)和(3-2)加熱到其熱塑性或超塑性溫度。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的攪拌摩擦焊方法，其特征在于，該方法適用于鋼制或銅合金制摩擦頭焊接鋼材的情況。
全文摘要
本發(fā)明提出的一種冷卻摩擦頭和加熱連接材料的攪拌摩焊方法屬于金屬摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域，為了解決較硬鋼材不能用鋼質(zhì)摩擦頭的攪拌摩擦焊焊接的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種冷卻摩擦頭和被連接材料加熱的攪拌摩擦焊方法，該方法用外加熱源在整個(gè)焊接過(guò)程中加熱連接材料，使其達(dá)到塑性溫度，配合以由冷卻循環(huán)裝置冷卻降溫的摩擦頭進(jìn)行攪拌摩擦焊，被連接材料產(chǎn)生塑性區(qū)域，而后凝固成連接焊縫。這樣就能達(dá)到利用鋼制摩擦頭攪拌摩擦焊接鋼材的目的，本發(fā)明的方法適合于鋼制或銅合金制摩擦頭攪拌摩擦焊接鋼制管道、容器等零件。
文檔編號(hào)B23K20/24GK101073853SQ20071013067
公開日2007年11月21日 申請(qǐng)日期2007年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月16日
發(fā)明者羅震, 吳林, 侯賢德 申請(qǐng)人:侯賢德