本發(fā)明涉及雙軸肩攪拌摩擦頭水冷裝置及冷卻方法,屬于焊接領(lǐng)域。
背景技術(shù):
自英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明了攪拌摩擦冷卻方法以來,這項(xiàng)技術(shù)因其焊接變形小、殘余應(yīng)力小,無需保護(hù)氣體和填充材料,可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷,不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等,同時能顯著降低成本、節(jié)省材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量等特點(diǎn)受到各國科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于這項(xiàng)技術(shù)具有很多其他方法所不具備的顯著特點(diǎn),它很快就被用于航天領(lǐng)域,新一代運(yùn)載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦冷卻方法可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭,但仍然存在很多難點(diǎn),如攪拌頭在高溫下容易磨損,影響其使用壽命。因此如何降低攪拌頭的工作溫度成了重要的工作。
專利(申請?zhí)?01310139472.0)設(shè)計(jì)了專門的攪拌頭和工件冷卻器,攪拌頭冷卻器安裝在被焊接工件保護(hù)器上端,攪拌頭安裝在攪拌頭冷卻器和被焊接工件保護(hù)器之中,冷卻介質(zhì)用于間接冷卻攪拌摩擦頭,且所述冷卻器結(jié)構(gòu)復(fù)雜;專利(申請?zhí)?3134361.9)同樣通過冷卻介質(zhì)間接冷卻攪拌摩擦頭,所設(shè)計(jì)的冷卻水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但顯然這個方法所需要的冷卻裝置較大且適用性不強(qiáng);此外還有專利(申請?zhí)?01310449604.X)通過固定設(shè)置在主軸頭機(jī)箱的下方冷卻盤來冷卻主軸頭的桿部,但需要多種進(jìn)油管路、出油管路,需要設(shè)計(jì)蓄能器和平衡閥,實(shí)際上還是一種間接冷卻方法。因此設(shè)計(jì)出一種既能最大程度實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦頭冷卻功能、又能最大程度地避免影響焊接質(zhì)量、又能夠簡單快速操作的冷卻方法和裝置成為了一個迫在眉睫的重要任務(wù)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本發(fā)明提供一種雙軸肩攪拌摩擦頭水冷裝置及冷卻方法,既能最大程度實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦頭冷卻功能、又能最大程度地避免影響焊接質(zhì)量、又能夠簡單快速操作。
技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的雙軸肩攪拌摩擦頭水冷裝置,包含攪拌頭上軸肩、下軸肩和位于上軸肩和下軸肩之間的攪拌針,所述上軸肩外套有套筒,上軸肩內(nèi)安裝有豎直冷卻通道,上軸肩上安裝有輸送管,輸送管通過直線軸承固定在套筒內(nèi),上軸肩內(nèi)周向還設(shè)有水平冷卻通道,在上軸肩外套有U形收集器。
作為優(yōu)選,所述下軸肩下方安裝有空心錐體,所述空心錐體包含殼體,殼體的底部設(shè)有開口,在殼體內(nèi)壁上設(shè)有螺紋孔,在下軸肩和殼體上均設(shè)有孔,殼體的下方設(shè)有水槽,開口位于水槽內(nèi),通過殼體內(nèi)壁的螺紋孔帶動水槽內(nèi)的冷卻水進(jìn)入到下軸肩上,并通過下軸肩上和殼體的孔排出殼體外。
作為優(yōu)選,所述空心錐體與下軸肩之間設(shè)有圓形擋蓋,圓形擋蓋將從下軸肩孔里甩出來的冷卻水擋住后,由于重力冷卻水下回到水槽中。
作為優(yōu)選,所述輸送管通過螺紋與上軸肩連接,攪拌針通過螺紋與上軸肩連接,攪拌針和輸送管的螺紋旋向相反。
作為優(yōu)選,所述輸送管的底部與上軸肩之間設(shè)有高溫密封圈。
作為優(yōu)選,所述空心錐體通過螺紋與下軸肩相連,攪拌針通過螺紋與下軸肩相連,空心錐體與攪拌針的螺紋方向相反。
一種上述的雙軸肩攪拌摩擦頭水冷裝置的冷卻方法,包括以下步驟:
(1)將攪拌針兩端旋入攪拌頭上軸肩和下軸肩中,使之成為一個整體;
(2)將攪拌摩擦頭上軸肩固定安裝在套筒下端;
(3)將輸送管伸入套筒內(nèi),穿過直線軸承并旋緊,使之與攪拌頭上軸肩實(shí)現(xiàn)螺紋連接;
(4)將圓形擋蓋安裝于下軸肩上,通過鎖緊空心錐體將圓形擋蓋緊固于下軸肩上;
(5)向攪拌頭下方的窄口水槽中注入冷卻水,使空心錐體浸入冷卻水中;
(6)啟動焊機(jī)主電機(jī),攪拌摩擦頭旋轉(zhuǎn),焊接開始、預(yù)熱階段過后,開始輸送冷卻水;
(7)當(dāng)攪拌摩擦頭開始提升并離開工件時,停止輸送冷卻水。
有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1)這是一種新式的雙軸肩攪拌摩擦頭冷卻方法和裝置,能夠通過冷卻水對整個雙軸肩攪拌摩擦頭上下軸肩的非焊接部位同時進(jìn)行冷卻,不僅降低了攪拌摩擦頭溫度,也降低了套筒、攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)頭的溫度,改善了設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。
(2)對攪拌摩擦頭進(jìn)行冷卻不僅可以減輕高溫對攪拌摩擦頭的不利影響,還可間接控制焊接溫度場;所排出的冷卻水不會對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響。
(3)不需要專門的密封裝置或循環(huán)水裝置,減小了制作成本和操作難度,結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)。該焊具部件較少、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)且裝配方便,這對于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為上軸肩的橫截面示意圖。
圖3為下軸肩的橫截面示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
如圖1至圖3所示,本發(fā)明的雙軸肩攪拌摩擦頭水冷裝置,包含攪拌頭上軸肩9、下軸肩10和位于上軸肩9和下軸肩10之間的攪拌針8,所述上軸肩9外套有套筒3,上軸肩9內(nèi)安裝有豎直冷卻通道,上軸肩9上安裝有輸送管2,所述輸送管2的底部與上軸肩9之間設(shè)有高溫密封圈4,輸送管2通過直線軸承14固定在套筒3內(nèi),上軸肩9內(nèi)周向還設(shè)有水平冷卻通道,在上軸肩9外套有U形收集器6,輸送管2頂端設(shè)有自由水管1,冷卻水15從自由水管進(jìn)入到輸送管2中,通過豎直冷卻通道進(jìn)入到上軸肩9中,由于套筒3高速旋轉(zhuǎn),從而上軸肩9高速旋轉(zhuǎn),冷卻水15通過水平冷卻通道甩出上軸肩9,對上軸肩9進(jìn)行冷卻。
在本發(fā)明中,所述下軸肩10下方安裝有空心錐體12,空心錐體12包含殼體,殼體的底部設(shè)有開口,在殼體內(nèi)壁上設(shè)有螺紋孔,在下軸肩10和殼體上均設(shè)有孔,殼體的下方設(shè)有水槽13,開口位于水槽13內(nèi),通過殼體內(nèi)壁的螺紋孔帶動水槽13內(nèi)的冷卻水15進(jìn)入到下軸肩10上,并通過下軸肩10上和殼體的孔排出殼體外。所述空心錐體12與下軸肩10之間設(shè)有圓形擋蓋11,圓形擋蓋11將從下軸肩10孔里甩出來的冷卻水15擋住后,由于重力冷卻水15下回到水槽13中。
在本發(fā)明中,自由水管可采用小口徑普通水管,輸送管2用于流過冷卻水15,可采用普通不銹鋼制成;套筒3用于安裝攪拌摩擦頭上軸肩9,既要具有剛度,又要求具有防腐蝕性能,因此可采用高強(qiáng)度不銹鋼材料制成;高溫密封圈4可采用市面上的耐高溫硅膠圈;攪拌摩擦頭上軸肩9和下軸肩10可采用普通工具鋼或高溫合金鋼或高溫陶瓷制成;攪拌針8可采用鎳基合金制成;U形收集器6、圓形擋蓋11、空心錐體12和窄口水槽13可采用普通不銹鋼制成。所述輸送管2通過螺紋與上軸肩9連接,攪拌針8通過螺紋與上軸肩9連接,攪拌針8和輸送管2的螺紋旋向相反。所述空心錐體12通過螺紋與下軸肩10相連,攪拌針8通過螺紋與下軸肩10相連,空心錐體12與攪拌針8的螺紋方向相反。輸送管2與套筒3采用直線軸承14相配合,可以沿軸向運(yùn)動和旋轉(zhuǎn)。其下端具有外螺紋,與攪拌頭上軸肩9的內(nèi)螺紋孔9-4相配合,中間加入高溫密封圈4,防止冷卻水從內(nèi)螺紋孔9-4處溢出。
在本發(fā)明中,該攪拌摩擦頭采用分體式結(jié)構(gòu),通過一根兩端帶螺紋的攪拌針8連接上下軸肩的內(nèi)螺紋孔。攪拌針8中部也加工兩段螺紋,這兩段螺紋的旋向相反,同時指向攪拌針中心。下軸肩10的4個斜孔10-1成90度分布,其底部開口應(yīng)該盡量貼近下軸肩10邊緣,便于引入空心錐體內(nèi)螺紋吸上來的的冷卻水,進(jìn)而對下軸肩10整體進(jìn)行冷卻。
攪拌摩擦頭上軸肩9具有凸臺9-3,在焊接之前,將攪拌摩擦頭上軸肩9上端放入套筒3中,利用凸臺9-3限制攪拌摩擦頭上軸肩9的軸向運(yùn)動,固定螺釘5從徑向頂緊攪拌摩擦頭上軸肩9,使之不能相對套筒3旋轉(zhuǎn)。攪拌摩擦頭旋向與輸送管2旋入攪拌摩擦頭上軸肩9的旋向相反,以防止焊接過程中輸送管2松脫導(dǎo)致的漏水現(xiàn)象。
攪拌摩擦頭上軸肩9周圍被U形收集器6所包圍,U形收集器6的開口方向朝向攪拌摩擦頭上軸肩9的冷卻通道9-1;冷卻通道9-1之間相差90度布置,且穿過攪拌摩擦頭上軸肩9的中心即與中心孔9-2相連。當(dāng)冷卻水在重力的作用進(jìn)入輸送管2后時,會直接進(jìn)入攪拌摩擦頭上軸肩9的內(nèi)部,然后進(jìn)入冷卻通道9-1,對攪拌摩擦頭上軸肩9直接進(jìn)行冷卻;由于攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)會使冷卻水產(chǎn)生離心運(yùn)動,使冷卻水順著冷卻通道9-1被甩出攪拌摩擦頭本體之外。
攪拌摩擦頭下軸肩10頂部的螺紋孔10-2與攪拌針8相連,下端的外螺紋10-4與空心錐體12的內(nèi)螺紋相配合。空心錐體12相對于下軸肩10的旋緊方向與焊接過程中攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向相反,防止焊接過程中空心錐體12隨攪拌頭同步高速旋轉(zhuǎn)時脫落。圓形擋蓋11固定在下軸肩10的臺階10-3上,通過空心錐體12鎖緊在下軸肩10上。下軸肩10的底部還開有4個成90度分布的斜孔10-1。焊接時,空心錐體12的底部浸入窄口水槽13內(nèi)的冷卻水15中,伴隨攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn),冷卻水15沿著空心錐體12的內(nèi)螺紋向上爬升,進(jìn)入下軸肩10的底部斜孔10-1,對下軸肩10進(jìn)行冷卻。冷卻水通過底部斜孔10-1后向上甩出,被圓形擋蓋11擋住后在重力的作用下回到窄口水槽13中,接著又被吸入空心錐體12,如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)冷卻水的循環(huán)。
在使用該冷卻裝置時,應(yīng)注意:
(1)在預(yù)熱階段,關(guān)閉上軸肩9冷卻水自由水管1;正式開始焊接時,打開冷卻水自由水管1;
(2)焊接前應(yīng)該往窄口水槽13中注入冷卻水15,水面高度需沒過下軸肩10底部的空心錐體12;
(3)在焊接結(jié)束階段,當(dāng)攪拌摩擦頭停止旋轉(zhuǎn)前,需先關(guān)閉上軸肩9冷卻水自由水管1,待出水口7不再有水流出后,方能停止旋轉(zhuǎn);
(4)在冷卻裝置使用期間,禁止人體裸露部位接近攪拌摩擦頭,以避免被高溫燙傷。
該攪拌摩擦頭的冷卻方法的主要流程:
(1)將攪拌針8兩端旋入攪拌頭上軸肩9和下軸肩10中,使之成為一個整體;
(2)將攪拌摩擦頭上軸肩9固定安裝在套筒3下端,用固定螺釘5鎖緊;
(3)將輸送管2伸入套筒3內(nèi),穿過直線軸承14并旋緊,使之與攪拌頭上軸肩9實(shí)現(xiàn)螺紋連接;
(4)將圓形擋蓋安裝于下軸肩10的臺階10-3上,通過鎖緊空心錐體12將圓形擋蓋緊固于下軸肩10上;
(5)向攪拌頭下方的窄口水槽中注入冷卻水15,使空心錐體12浸入冷卻水15中;
(6)啟動焊機(jī)主電機(jī),攪拌摩擦頭旋轉(zhuǎn)。焊接開始、預(yù)熱階段過后,打開自由水管1開始輸送冷卻水;
(7)當(dāng)攪拌摩擦頭開始提升并離開工件時,停止輸送冷卻水,當(dāng)出水口7不再流出冷卻水后,主電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)。
(8)整個焊接階段,禁止人體裸露部位靠近攪拌摩擦頭,以免被燙傷,焊接任務(wù)結(jié)束后,待攪拌摩擦頭冷卻至常溫,可拆下攪拌摩擦頭上軸肩9和下軸肩10,檢查上軸肩中心孔9-2和下軸肩斜孔10-1內(nèi)有無積水,如有則倒掉冷卻水。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤飾,這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。