一種攪拌摩擦焊裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種攪拌摩擦焊裝置，包括攪拌頭和深冷處理單元，該深冷處理單元包括在工件焊縫上方順序設(shè)置的低溫回火箱和深冷處理箱，低溫回火箱和深冷處理箱在焊接方向上規(guī)律性地移動；液氮儲罐以及將深冷處理箱連接到液氮儲罐上的輸液管.該裝置還包括分別與深冷處理箱和低溫回火箱連接的控制單元，用于對深冷處理箱和低溫回火箱的升降溫速率、保溫時間和處理溫度的控制。本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊裝置通過在工件焊縫上方設(shè)置深冷處理箱和低溫回火箱，以便在攪拌摩擦焊的過程中對工件實時進(jìn)行深冷處理與低溫回火相結(jié)合的冷熱循環(huán)處理，通過冷熱循環(huán)處理降低焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高焊接件的尺寸穩(wěn)定性，并改善其機械性能。
【專利說明】一種攪拌摩擦焊裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及攪拌摩擦焊接領(lǐng)域，尤其涉及一種攪拌摩擦焊裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]攪拌摩擦焊接技術(shù)是由英國焊接研究所于1991年提出的一種固態(tài)連接方法。它是利用一種特殊的攪拌頭，旋轉(zhuǎn)著壓入被焊工件的界面，攪拌頭與被焊工件的摩擦使攪拌頭附近區(qū)域的溫度升高，并使其熱塑化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，在攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)摩擦以及擠壓下，塑化材料由攪拌頭的前部向后過渡，在熱-機聯(lián)合作用下擴(kuò)散連接形成致密的固相連接。與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比較，攪拌摩擦焊具有晶粒細(xì)小，疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能良好、無塵煙、無氣孔、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲、焊接時不需要使用保護(hù)氣體等優(yōu)點。
[0003]攪拌摩擦焊最初用于鋁合金，隨著研究的深入，其還可以用于銅、鈦等其它金屬以及不同金屬之間的焊接。目前，攪拌摩擦焊技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于飛機制造業(yè)及宇航工業(yè)，例如攪拌摩擦焊可以用于飛機機身框架和飛機機門蒙面的連接，飛機不同機身段的連接，飛機機身預(yù)成型件的連接，飛機起落架的傳動支撐門等。經(jīng)過多年的研究，目前攪拌摩擦焊的可焊接厚度以及焊接速度都有很大程度的提高。盡管攪拌摩擦焊具有明顯的優(yōu)勢，然而，在實際焊接過程中由于存在溫度梯度，所以焊縫附近必然會產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力從而導(dǎo)致變形，目前主要靠焊接過程中的夾具裝卡和焊后矯形來解決變形問題，然而，這些方法費時費力且效果有限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004](一)要解決的技術(shù)問題
[0005]本發(fā)明的目的是提供一種攪拌摩擦焊裝置，以降低材料殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，改善材料機械性能。
[0006](二)技術(shù)方案
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種攪拌摩擦焊裝置，包括攪拌頭、其中，還包括:
[0008](I)深冷處理單元，該深冷處理單元包括在工件焊縫上方順序設(shè)置的低溫回火箱和深冷處理箱，所述低溫回火箱和深冷處理箱在焊接方向上規(guī)律性地移動，該深冷處理單元還包括液氮儲罐以及將所述深冷處理箱連接到所述液氮儲罐上的輸液管；
[0009](2)控制單元，分別與所述深冷處理箱和所述低溫回火箱連接，用于對所述深冷處理箱和所述低溫回火箱的升降溫速率、保溫時間和處理溫度的精確控制。
[0010]其中，所述攪拌摩擦焊裝置還包括聯(lián)動單元,該聯(lián)動單元包括:
[0011](I)液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)由所述控制單元控制，并與所述深冷處理箱和低溫回火箱連接，用于驅(qū)動所述深冷處理箱和低溫回火箱沿沿所述焊接方向移動；
[0012](2)與所述控制單元連接的曲柄連桿機構(gòu)，該曲柄連桿機構(gòu)包括相互鉸接在一起的第一連桿和第二連桿，所述第一連桿的自由端與所述攪拌頭鉸接，所述第二連桿的自由端與所述深冷處理箱和所述低溫回火箱鉸接；
[0013]該聯(lián)動單元設(shè)置成:在所述攪拌頭向前移動的過程中，所述第一連桿和所述第二連桿之間的夾角小于180度，所述深冷處理箱和低溫回火箱保持靜止，而當(dāng)所述攪拌頭向前移動的距離等于所述深冷處理箱在所述焊接方向上的長度時，此時所述第一連桿和所述第二連桿之間的夾角等于180度，所述深冷處理箱和所述低溫回火箱由所述控制單元控制的所述液壓系統(tǒng)驅(qū)動向前移動一定距離，該距離等于所述深冷處理箱在所述焊接方向上的長度。
[0014]其中，所述深冷處理箱包括第一絕熱箱體以及位于所述第一絕熱箱體頂部的液氮分配器和第一風(fēng)機，所述液氮分散器通過所述輸液管與所述液氮儲罐連接。
[0015]其中，所述液氮分配器呈圓環(huán)管結(jié)構(gòu)，并在其管壁上開有多個孔狀噴口。
[0016]其中，所述深冷處理箱還包括位于第一絕熱箱體內(nèi)腔底端的第一溫度傳感器。
[0017]其中，所述第一絕熱箱體采用兩層不銹鋼板制成，中間填充有聚氨酯發(fā)泡材料。
[0018]其中，所述低溫回火箱包括第二絕熱箱體、位于所述第二絕熱箱體頂部的第二風(fēng)機以及位于所述第二風(fēng)機下方的加熱裝置。
[0019]其中，所述低溫回火箱還包括位于所述第二絕熱箱體內(nèi)腔底端的第二溫度傳感器。
[0020]其中，所述第二絕熱箱體采用兩層不銹鋼板制成，中間填充有聚氨酯發(fā)泡材料。
[0021]其中，所述第二絕熱箱體與所述第一絕熱箱體的尺寸相同，并與所述第一絕熱箱體固定在一起。
[0022](三)有益效果
[0023]上述技術(shù)方案所提供的攪拌摩擦焊裝置，通過在工件焊縫上方設(shè)置可沿焊接方向移動的深冷處理箱和低溫回火箱，以便在攪拌摩擦焊的過程中對工件實時進(jìn)行深冷處理與低溫回火處理，以降低焊接過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力，提高焊接件的尺寸穩(wěn)定性，并改善焊接件的微觀組織，從而提高其機械性能；此外，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，投入和運行成本較低，工作效率高。進(jìn)一步地，在該裝置上還設(shè)置有聯(lián)動單元，進(jìn)一步提高了深冷處理和低溫回火處理與焊接的實時性和自動化。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的攪拌摩擦焊裝置的一個優(yōu)選實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]其中:1_攪拌頭；2_工件焊縫；3_深冷處理箱；4_低溫回火箱；5_第一絕緣箱體；
6-液氮分散器；7_第一風(fēng)機；8_第一溫度傳感器；9_第二絕緣箱體；10-第二風(fēng)機；11_加熱裝置；12_第二溫度傳感器；13_輸液管；14_液氮儲罐；15_電磁閥；16_第一連桿；17_第二連桿；18-液氮儲罐閥門；19-控制單元。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的【具體實施方式】作進(jìn)一步描述。以下實施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。
[0027]圖1所示為本發(fā)明的攪拌摩擦焊裝置的一個優(yōu)選實施例。如圖1所示，根據(jù)該實施例，本發(fā)明的攪拌摩擦焊裝置包括攪拌頭I和深冷處理單元。其中，攪拌頭I通過其高速旋轉(zhuǎn)及水平移動使材料發(fā)生塑性連接。深冷處理單元主要包括在工件焊縫2上方順序設(shè)置的低溫回火箱4和深冷處理箱3，該低溫回火箱4和深冷處理箱3以工件焊縫2為中心對稱，其大小覆蓋焊接所產(chǎn)生的熱影響區(qū)及周圍一定范圍內(nèi)的區(qū)域。此外，低溫回火箱4和深冷處理箱3可在焊接方向(如圖中箭頭所示)上規(guī)律地移動，以對焊接完成的區(qū)域依次進(jìn)行深冷處理和低溫回火處理。深冷處理單元還包括液氮儲罐14以及將深冷處理箱3連接到液氮儲罐14上的輸液管13。該攪拌摩擦焊裝置還包括控制單元19，該控制單元分別與低溫回火箱4和深冷處理箱3連接，并可采用PID控制或模糊控制方式，用于對低溫回火箱4和深冷處理箱3的升降溫速率、保溫時間和處理溫度的精確控制。該攪拌摩擦焊裝置通過在已有的攪拌摩擦焊裝置上設(shè)置深冷處理單元，以在攪拌摩擦焊的過程中實現(xiàn)對焊接件實時進(jìn)行深冷處理和低溫回火處理，通過該處理有效降低焊接件的殘余應(yīng)力、提高焊接件的尺寸穩(wěn)定性，同時改善焊接件的機械性能。此外，該裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，投入和運行成本較低，工作效率高。
[0028]優(yōu)選地，該攪拌摩擦焊裝置還包括聯(lián)動單元，該聯(lián)動單元15包括由控制單元19控制的液壓系統(tǒng)(未示出)，該液壓系統(tǒng)還與低溫回火箱4和深冷處理箱3連接，用于驅(qū)動低溫回火箱4和深冷處理箱3沿著焊接方向向前移動。該聯(lián)動機構(gòu)還包括與控制單元19連接的曲柄連桿機構(gòu)。具體地，該曲柄連桿機構(gòu)包括相互鉸接在一起的第一連桿16和第二連桿17,該第一連桿16的自由端與攪拌頭I鉸接，第二連桿17的自由端與低溫回火箱4和深冷處理箱3鉸接。該聯(lián)動單元設(shè)置成:在攪拌頭I向前移動的過程中，第一連桿16和第二連桿17之間的夾角小于180度，低溫回火箱4和深冷處理箱3保持靜止，此時攪拌頭I繼續(xù)向前移動，當(dāng)攪拌頭I移動的距離等于深冷處理箱3在焊接方向上的長度時，第一連桿16和第二連桿17之間的夾角等于180度(B卩，第一連桿16和第二連桿17在一條直線上)，此時低溫回火箱4和深冷處理箱3由控制單元19控制的液壓系統(tǒng)驅(qū)動快速向前移動一定距離，以便對下一段工件進(jìn)行深冷處理，其移動的距離應(yīng)等于深冷處理箱3在焊接方向上的長度，以便對焊接件全部進(jìn)行深冷處理和低溫回火處理。深冷處理和低溫回火處理的時間應(yīng)分別小于或等于攪拌頭I焊接深冷處理箱3在焊接方向的長度所需要的時間。
[0029]具體地，深冷處理箱3包括第一絕熱箱體5、位于第一絕熱箱體5頂部的液氮分散器6和第一風(fēng)機7。其中，絕熱箱體5可米用雙層金屬外殼,中間填充隔熱材料組成。優(yōu)選地，該第一絕熱箱體5通過不銹鋼板直接焊接或折合形成，中間夾層由絕熱性能好的聚氨酯發(fā)泡材料制成。液氮分散器6固定在第一絕熱箱體5頂部并通過輸液管13與液氮儲罐14連接，用于將液氮儲罐14中的液氮噴入第一絕熱箱體5內(nèi)。為避免液氮直接噴淋焊接工件造成損傷，液氮分散器6采用不銹鋼鋼管制成的圓環(huán)管結(jié)構(gòu)，并在其管壁上開有多個孔狀噴口。第一風(fēng)機7包括電機和軸流風(fēng)扇，用于控制第一絕熱箱體5內(nèi)氣體的流動，以便于冷卻工件或保證第一絕熱箱體5中溫度的均勻性。深冷處理箱3還包括位于第一絕熱箱體5內(nèi)腔底端的第一溫度傳感器8 (例如鉬電阻溫度計)，用于監(jiān)測溫度，并比較與設(shè)定溫度之間的誤差，然后通過控制單元19控制電磁閥15來調(diào)節(jié)噴液量的大小，以實現(xiàn)對第一絕熱箱體5內(nèi)的升降溫速率、處理溫度和處理時間的控制。
[0030]低溫回火箱4包括第二絕熱箱體9、位于第二絕熱箱9頂部的第二風(fēng)機10和加熱裝置11。其中，第二絕熱箱體9可與第一絕熱箱體5—樣，優(yōu)選通過不銹鋼板直接焊接或折合成壁面，中間夾層由絕緣性能好的聚氨酯發(fā)泡材料制成。第二風(fēng)機10也包括電機和軸流風(fēng)扇，用于控制第二絕熱箱體9內(nèi)氣體的流動，使熱空氣和工件進(jìn)行對流換熱，以升高工件溫度并保證第二絕熱箱體9中溫度的均勻性。加熱裝置11位于第二風(fēng)機10的下方，用于提供回火所需要的熱量。該加熱裝置11優(yōu)選采用電阻加熱棒，通過控制加熱裝置11的加熱功率來控制第二絕熱箱體9內(nèi)升降溫速率。低溫回火箱4還包括位于第二絕熱箱體9內(nèi)腔底端的第二溫度傳感器12 (例如鉬電阻溫度計)，用于監(jiān)測溫度，并比較與設(shè)定溫度之間的誤差，然后采用控制單元19控制加熱裝置11的加熱功率，以實現(xiàn)對第二絕熱箱體9內(nèi)的升降溫速率、處理溫度和處理時間的控制。
[0031]優(yōu)選地，第二絕熱箱體9與第一絕熱箱體5的尺寸一致，并且與第一絕熱箱體5固定在一起。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，第二絕熱箱體9和第一絕熱箱體5也可以是分離的，此時低溫回火箱4和深冷處理箱5可分別通過液壓系統(tǒng)向前移動。此外，在第一絕熱箱體5和第二絕熱箱體9的底端設(shè)置有毛氈，以便于密封上述箱體。
[0032]使用時，攪拌頭I沿著焊接方向進(jìn)行焊接，由于曲柄連桿機構(gòu)的一端與攪拌頭I鉸接，所以隨著攪拌頭I的移動，第一連桿16和第二連桿17也產(chǎn)生移動，當(dāng)攪拌頭I移動的距離等于深冷處理箱3在焊接方向上的長度時，第一連桿16和第二連桿17的夾角為180°，此時，由控制單元19自動啟動液壓系統(tǒng)驅(qū)動低溫回火箱4和深冷處理箱3快速向前移動一段距離。然后通過控制單元19打開液氮儲罐閥門18，液氮從輸液管13經(jīng)由電磁閥15輸送到液氮分散器6，并由液氮分散器6向第一絕熱箱體5內(nèi)噴入霧化的液氮，噴液量的大小通過電磁閥15進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后液氮與底部的工件進(jìn)行換熱，換熱完的液氮從箱體和工件的縫隙中排出。由于低溫回火箱4和深冷處理箱3的向前移動，此時第一連桿16和第二連桿17之間的夾角變成小于180度，而攪拌頭I繼續(xù)沿著焊接方向向前進(jìn)行焊接，隨著攪拌頭I的繼續(xù)移動，第一連桿16和第二連桿17之間的夾角逐漸增大，當(dāng)再次達(dá)到180度時，控制單元19再次自動啟動液壓系統(tǒng)推動低溫回火箱4和深冷處理箱3向前移動，以對下一段焊接件進(jìn)行深冷處理，同時使低溫回火箱4位于剛完成深冷處理的區(qū)域，通過設(shè)定工藝進(jìn)行低溫回火處理。低溫回火箱4和深冷處理箱3每次快速移動的距離應(yīng)等于深冷處理箱3在焊接方向上的長度。如此循環(huán)沿著焊接方向處理下去。
[0033]目前航空航天業(yè)中廣泛應(yīng)用的鈦合金鋁合金焊接件，其中攪拌摩擦焊的應(yīng)用比較廣泛，而焊接過程中的變形缺陷等問題是普遍存在的，而深冷處理在改善材料機械性能，降低材料殘余應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性方面的效果已經(jīng)得到了普遍的認(rèn)可。本發(fā)明提供的攪拌摩擦焊裝置通過在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊裝置上安裝深冷處理單元，以實現(xiàn)在攪拌摩擦焊的過程中對焊接件實時進(jìn)行冷熱循環(huán)處理，通過該處理降低焊接件的殘余應(yīng)力、提高尺寸穩(wěn)定性，同時改善焊接件的機械性能。此外，通過在焊接的過程中直接進(jìn)行深冷處理，避免了裝卡卸裝過程中引起的變形。在焊接過程中先對焊接完成的區(qū)域進(jìn)行深冷處理，深冷處理完成后接著進(jìn)行低溫回火處理，避免快速降溫導(dǎo)致的冷沖擊等不良影響。
[0034]以上實施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型。因此所有等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的保護(hù)范疇。例如在該裝置中采用液氮作為制冷劑，當(dāng)然也可以采用其它的制冷劑，例如水或空氣等。此外，液體儲罐14可采用自增壓低溫液體儲罐；并在輸液管13上采用真空絕熱技術(shù)，以防止液氮傳輸過程中汽化。
【權(quán)利要求】
1.一種攪拌摩擦焊裝置，包括攪拌頭、其特征在于，還包括: (1)深冷處理單元，該深冷處理單元包括在工件焊縫上方順序設(shè)置的低溫回火箱和深冷處理箱，所述低溫回火箱和深冷處理箱在焊接方向上規(guī)律性地移動，該深冷處理單元還包括液氮儲罐以及將所述深冷處理箱連接到所述液氮儲罐上的輸液管； (2)控制單元，分別與所述深冷處理箱和所述低溫回火箱連接，用于對所述深冷處理箱和所述低溫回火箱的升降溫速率、保溫時間和處理溫度的控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述攪拌摩擦焊裝置還包括聯(lián)動單元，該聯(lián)動單元包括: (1)液壓系統(tǒng)，該液壓系統(tǒng)由所述控制單元控制，并與所述深冷處理箱和所述低溫回火箱連接，用于驅(qū)動所述深冷處理箱和所述低溫回火箱沿所述焊接方向移動； (2)與所述控制單元連接的曲柄連桿機構(gòu)，該曲柄連桿機構(gòu)包括相互鉸接在一起的第一連桿和第二連桿，所述第一連桿的自由端與所述攪拌頭鉸接，所述第二連桿的自由端與所述深冷處理箱和所述低溫回火箱鉸接； 該聯(lián)動單元設(shè)置成:在所述攪拌頭向前移動的過程中，所述第一連桿和所述第二連桿之間的夾角小于180度，所述深冷處理箱和低溫回火箱保持靜止，而當(dāng)所述攪拌頭向前移動的距離等于所述深冷處理箱在所述焊接方向上的長度時，此時所述第一連桿和所述第二連桿之間的夾角等于180度，所述深冷處理箱和所述低溫回火箱由所述控制單元控制的所述液壓系統(tǒng)驅(qū)動向前移動一定距離，該距離等于所述深冷處理箱在所述焊接方向上的長度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述深冷處理箱包括第一絕熱箱體以及位于所述第一絕熱箱體頂部的液氮分配器和第一風(fēng)機，所述液氮分散器通過所述輸液管與所述液氮儲罐連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述液氮分配器呈圓環(huán)管結(jié)構(gòu)，并在其管壁上開有多個孔狀噴口。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述深冷處理箱還包括位于第一絕熱箱體內(nèi)腔底端的第一溫度傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述第一絕熱箱體采用兩層不銹鋼板制成，中間填充有聚氨酯發(fā)泡材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述低溫回火箱包括第二絕熱箱體、位于所述第二絕熱箱體頂部的第二風(fēng)機以及位于所述第二風(fēng)機下方的加熱裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述低溫回火箱還包括位于所述第二絕熱箱體內(nèi)腔底端的第二溫度傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述第二絕熱箱體采用兩層不銹鋼板制成，中間填充有聚氨酯發(fā)泡材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-9中任一項所述的攪拌摩擦焊裝置，其特征在于，所述第二絕熱箱體與所述第一絕熱箱體的尺寸相同，并與所述第一絕熱箱體固定在一起。
【文檔編號】B23K20/26GK103433616SQ201310316992
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年7月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月25日
【發(fā)明者】顧開選, 王俊杰, 王思賢, 周遠(yuǎn), 郭嘉 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所