[发明专利]一种搅拌摩擦头水冷装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊的焊具及其使用技术，特别是涉及一种搅拌摩擦头水冷装置及方法。

背景技术

自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但仍然存在很多难点，如搅拌头在高温下容易磨损，影响其使用寿命。因此如何降低搅拌头的工作温度成了重要的工作。

现有技术一设计了专门的搅拌头和工件冷却器，搅拌头冷却器安装在被焊接工件保护器上端，搅拌头安装在搅拌头冷却器和被焊接工件保护器之中，冷却介质用于间接冷却搅拌摩擦头，且所述冷却器结构复杂；现有技术二同样通过冷却介质间接冷却搅拌摩擦头，所设计的冷却水系统结构复杂，但显然这个方法所需要的冷却装置较大且适用性不强；现有技术三通过固定设置在主轴头机箱的下方冷却盘来冷却主轴头的杆部，但需要多种进油管路、出油管路，需要设计蓄能器和平衡阀，实际上还是一种间接冷却方法。

发明内容

发明目的：为解决现有技术的不足，提供一种结构简单，操作方便，实用性强，能有效降低搅拌摩擦头温度，且可间接控制焊接温度场的搅拌摩擦头冷却装置和方法。

技术方案：提供一种搅拌摩擦头水冷装置，包括：

套筒，该套筒上下两端均开口；

搅拌摩擦头，该搅拌摩擦头的下端设有搅拌针，上段部位于所述套筒内，并与套筒固定连接；所述搅拌摩擦头上段的竖直轴向设有一中心孔，中心孔止于所述搅拌针的上端；在所述搅拌摩擦头下段侧壁设有多个冷却水道，所述多个冷却水道与中心孔连通；

输送管，所述输送管下端与搅拌摩擦头上端固定连接，且输送管与所述搅拌摩擦头的中心孔连通；所述输送管上段通过直线轴承与套筒连接，所述直线轴承下端与所述搅拌摩擦头上端设有间隙；

自由水管，设于所述输送管的上方，与输送管连通；

U型收集器，所述搅拌摩擦头下端被该U型收集器包围，U型收集器的开口方向朝向所述多个冷却水道，U型收集器的底部边缘设有出水口。

优选的，所述冷却水道沿搅拌摩擦头径向水平设置，或向下倾斜设置；所述冷却水道沿搅拌摩擦头轴向设置多组，沿周向均匀排布，最下面一组与中心孔的底部连通；这样更有利于冷却水排出。

优选的，所述输送管下端与搅拌摩擦头上端通过螺纹连接，且输送管底部接触面设有高温密封垫，防止冷却水从螺纹连接处溢出影响焊接环境和焊具的使用寿命；所述搅拌摩擦头与套筒通过螺钉固定连接或是通过螺纹连接，方便安装和拆卸，同时又能保证搅拌摩擦头与套筒的稳定连接。

优选的，所述搅拌摩擦头上端侧壁设有凸台或凸块，用于限制搅拌摩擦头放入套筒的位置；所述多个冷却水道的出口低于所述凸台或凸块，以便于冷却水被顺利地甩出。

优选的，所述自由水管的口径小于所述输送管的口径，方便水流由自由水管流入输送管内。

优选的，所述多个冷却水道的直径范围为3～4mm，方便冷却水流出，同时又能保证对搅拌摩擦头的冷却时间。

一种基于所述搅拌摩擦头水冷装置的水冷方法，包括以下步骤：

(a)预热阶段：关闭冷却水，启动焊机主电机，使搅拌摩擦头旋转，对搅拌摩擦头进行预热；

(b)冷却阶段：

(i)焊接开始，打开冷却水，使冷却水经输送管流入搅拌摩擦头的中心孔，对搅拌摩擦头的上部进行冷却；

(ii)冷却水自然流入冷却水道，并进一步对搅拌摩擦头的上部冷却；

(iii)冷却水在旋转的搅拌摩擦头的作用下产生离心运动，顺着冷却水道甩出搅拌摩擦头的本体，进入U形收集器，并由出水口流出；

(c)停止阶段：停止焊接时，当搅拌摩擦头开始提升并离开工件时，关闭冷却水；当出水口不再流出冷却水后，关闭主电机。

在进一步的实施例中，提供一种搅拌摩擦头水冷装置，包括中空的套筒，一端延伸至套筒内并与套筒固定连接的搅拌摩擦头，延伸至套筒中并与搅拌摩擦头螺接的输送管，与输送管连通的自由水管，以及环绕在搅拌摩擦头周围的U型收集器；