一种搅拌摩擦工具冷却方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，尤其是涉及一种搅拌摩擦工具冷却方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接方法因其焊接变形小、残余应力小，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、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。

在使用时，搅拌摩擦焊接工具安装于搅拌摩擦装置的主轴，被搅拌摩擦装置驱动旋转、移动，使得搅拌头与工件表面摩擦，产生大量热，以将母材快速软化，从而实现搅拌摩擦焊、摩擦堆焊或者固态增材等工作。但在焊接过程中因母材温度升高会使得工件变形，母材晶粒长大，降低母材性能，同时使焊缝的热影响区增大，降低焊头强度以及焊接质量。因此如何快速降低焊接工具的温度成了重要工作。

在现有技术中，常采用表面冷却的方法来实现对搅拌摩擦焊工具进行降温。一方面，这种冷却方法温度调控需要经过对摩擦焊工具搅拌针或轴肩距离较远位置的表面冷却，经热传导至轴肩及搅拌针位置，并未直接冷却搅拌摩擦焊接工具中心靠近轴肩及搅拌针位置，冷却效率低。另一方面，在长距离或者大厚度的板材焊接时，如果出现参数不合理造成的热量积累及搅拌摩擦温度过高，会造成搅拌摩擦焊接工具磨损加剧、寿命减短以及焊缝力学性能下降，针对这些问题，现有技术中通常是采用降低转速并增加移动的方法来降低搅拌工具的温度，但该种方法响应较慢，且不易直接将搅拌摩擦参数调整到最优值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种搅拌摩擦工具冷却方法，以提高对搅拌摩擦工具的冷却效率。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种搅拌摩擦工具冷却方法，用于冷却搅拌摩擦工具的搅拌针和/或轴肩，包括如下步骤：

向冷却通道的进流口输入冷却液，所述冷却通道设于所述搅拌摩擦工具内，所述进流口设于所述搅拌摩擦工具的侧壁；

所述冷却液向下流至所述搅拌针和/或轴肩附近；

所述冷却液拐弯向上从出流口流出所述搅拌摩擦工具，所述出流口设于所述搅拌摩擦工具的侧壁。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，所述进流口的位置高于所述出流口的位置。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，所述冷却通道的纵截面为V型。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，所述冷却液向下流至所述搅拌针和/或轴肩附近具体包括；

所述冷却液向下流至所述搅拌针和/或轴肩附近时环绕所述搅拌针和/或所述轴肩至少一圈。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，还包括支撑步骤：

径向和/或轴向支撑所述搅拌摩擦工具。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，还包括密封步骤：

相对所述搅拌摩擦工具滑动密封所述进流口，和/或

相对所述搅拌摩擦工具滑动密封所述出流口。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，还包括收集步骤：

从所述出流口下方收集从所述出流口流出的冷却液。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，还包括甩流步骤：

从所述出流口下方的搅拌摩擦工具的外壁，将从出流口流出的冷却液甩开。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，还包括：

吸走从出流口流出的冷却液，和/或

向所述搅拌摩擦工具的下端部输送惰性气体。

上述的搅拌摩擦工具冷却方法，进一步地，还包括温度调节步骤：

对所述搅拌摩擦工具进行温度检测；

根据所述搅拌摩擦工具的温度，对输送至所述搅拌摩擦工具内的冷却液的流量进行调节；

若所述搅拌摩擦工具的温度大于预设值，则加大所述冷却液的流量；

若所述搅拌摩擦工具的温度小于预设值，则减少所述冷却液的流量。

本发明具有的有益效果是：

本发明的搅拌摩擦工具冷却方法，通过向搅拌摩擦工具内部的冷却通道中输入冷却液，以实现对搅拌针和/或轴肩进行强制对流冷却，能够及时有效降低搅拌针和/或轴肩的温度，尤其是在长距离搅拌摩擦焊接或者是大厚度板材焊接时，通过控制冷却液的流量实现搅拌摩擦焊温度的精准高效控制，有效延长的搅拌摩擦工具的使用寿命，提升了焊缝质量以及力学性能，而且冷水直达搅拌摩擦工具端部位置，缩短了热传导的距离，从而提升搅拌摩擦工具的冷却效率，而且冷却液能够在搅拌摩擦工具的端部进行短暂停留，从而保证对搅拌摩擦工具的端部进行冷却降温。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方案或现有技术中的技术方案，下面将对实施方案或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方案，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方式的搅拌摩擦工具冷却方法流程图；

图2为本发明实施方式的第一实施例的搅拌摩擦工具的立体结构示意图；

图3为本发明实施方式的第一实施例的搅拌摩擦工具的剖视图；

图4为本发明实施方式的第二实施例的搅拌摩擦工具的立体结构示意图；

图5为本发明实施方式的第二实施例的搅拌摩擦工具的剖视图。

附图标记

110-搅拌摩擦工具；111-冷却通道；112-出流口；113-进流口；114-轴肩；115-搅拌针；

120-输流机构；121-主体套筒；122-进流通道；123-出流通道；124-第一支撑环；125-第二支撑环；128-底盘；129-甩流环；1271-第一密封件；1272-第二密封件；1273-第三密封件；

130-支撑件；

140-吸水管；

150-输气管。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

应注意到：相似的标号在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

搅拌摩擦是利用搅拌头与工件表面摩擦，产生大量热，以将母材快速软化，从而实现搅拌摩擦焊、摩擦堆焊或者固态增材等工作，但在焊接过程中，搅拌摩擦工具端部热量积累，温度持续升高，易导致搅拌摩擦工具尖端力学性能下降，影响焊接效果。如以铝合金的搅拌摩擦焊为例，在工作过程中，搅拌摩擦工具110(工具钢，熔点1400摄氏度左右)的轴肩114及搅拌针115表面温度可达550-600摄氏度(铝合金熔点为660摄氏度左右)，搅拌摩擦工具110端部持续受到高温及磨损作用。当进行长距离或者大厚度铝合金板焊接过程中，搅拌摩擦工具110端部热量积累，温度持续升高，从而导致搅拌摩擦工具110端部力学性能下降，无法高效搅拌焊缝处铝板，同时还会导致搅拌摩擦工具110寿命减小及焊缝性能下降。

鉴于此，本申请提供一种搅拌摩擦工具冷却方法，通过向搅拌摩擦工具内部的冷却通道中输入冷却液，以实现对搅拌针和/或轴肩进行强制对流冷却，能够及时有效降低搅拌针和/或轴肩的温度，尤其是在长距离搅拌摩擦焊接或者是大厚度焊接时，通过控制冷却液的流量实现搅拌摩擦焊温度的精准高效控制，有效延长的搅拌摩擦工具的使用寿命，提升了焊缝质量以及力学性能，而且冷水直达搅拌摩擦工具端部位置，缩短了热传导的距离，从而提升搅拌摩擦工具的冷却效率，而且冷却液能够在搅拌摩擦工具的端部进行短暂停留，从而保证对搅拌摩擦工具的端部进行冷却降温。

请参见图1所示，该搅拌摩擦工具冷却方法包括以下步骤：

步骤S10：向冷却通道111的进流口113输入冷却液，冷却通道111设于搅拌摩擦工具110内，进流口113设于搅拌摩擦工具110的侧壁；

步骤S20：冷却液向下流至搅拌针115和/或轴肩114附近；

步骤S30：冷却液拐弯向上从出流口112流出搅拌摩擦工具110，出流口112设于搅拌摩擦工具110的侧壁。

在步骤S10中的进流口113可以通过进流管与水泵一端连通，水泵的另一端连接水箱。进流口113可以是开设在搅拌摩擦工具110侧壁的弧形敞口或者是喇叭状开口，且弧形敞口或者是喇叭状开口的朝向与搅拌摩擦工具110的转动方向一致，从而能够减小阻力，增加冷却液的进入量，并加速冷却通道111内的流体的运动。

在步骤S30中的出流口112和进流口113可以位于搅拌摩擦工具110的同一侧，也可以位于搅拌摩擦工具110的相对两侧，且进流口113的位置高于出流口112的位置，以便于冷却液的流动，从而降低冷却液的流动阻力，有助于提升冷却液的流速及冷却效率。

参见图3所示，冷却通道111可以是纵截面为V型的流道，其采用机加工的方式在搅拌摩擦工具110上加工两条相交的深孔(机加工的方式可以是钻孔加工或者是电火花加工)，两条深孔均在搅拌摩擦工具110内部向下延伸，于搅拌摩擦工具110的搅拌针115和/或轴肩114附近相交，以形成纵截面为V型的冷却通道111。

在本申请的一些实施例中，步骤S20中冷却液向下流至搅拌针115和/或轴肩114附近包括：冷却液向下流至搅拌针115和/或轴肩114附近时环绕搅拌针115和/或轴肩114至少一圈。

如图5所示，冷却通道111采用复杂的异形流道，该异形流道自进流口113向下延伸，并在靠近搅拌针115和/或轴肩114的位置时环绕搅拌针115或轴肩114至少一圈形成环形流道，然后拐弯向上延伸连通出流口112，以使得冷却液向下流至搅拌针115和/或轴肩114附近时能够环绕搅拌针115和/或轴肩114至少一圈后，向上从出流口112流出。需要说明的是，由于异形流道不便于机加工，因而搅拌摩擦工具110可以采用固态增材的方法制造。

在本申请的一些实施例中，还包括支撑步骤：径向和/或轴向支撑搅拌摩擦工具110。

具体地，参见图2至图5所示，搅拌摩擦工具110外侧套设有输流机构120。输流机构120包括支撑件130，支撑件130包括用于安装于搅拌摩擦装置上的安装支架以及安装于安装支架上的主体套筒121，搅拌摩擦焊接工具110依次穿过安装支架和主体套筒121，且搅拌摩擦焊接工具110通过轴承转动连接于安装支架上，并通过轴向限位机构限定搅拌摩擦工具110与安装支架的相对轴向距离，从而实现对搅拌摩擦工具110的径向和轴向的支撑。轴向限位机构可以采用现有技术，例如锁紧扣卡扣，在此不再赘述。

主体套筒121上开设有用于向进流口113输送冷却液的进流通道122和用于接收从出流口112流出冷却液的出流通道123。进流通道122可以通过进流管与水泵连通，这样通过远距离控制水泵的转速和开启，从而能够实现远距离的控制温度，冷却液通过进流通道122从进流口113输送至冷却通道111内对搅拌针115进行冷却后，从出流口112经出流通道123排出。通过对搅拌摩擦焊接工具110的轴肩114及搅拌针115位置进行冷却降温，从而增加其力学性能并延长寿命。

在本实施例中，冷却液为水流，水流的温度不超过环境温度，便于与搅拌摩擦作业的搅拌摩擦焊接工具110形成较大的温度差，从而提高对搅拌摩擦焊接工具110的冷却效率。

进一步地，该搅拌摩擦工具冷却方法还包括密封步骤：相对搅拌摩擦工具110滑动密封进流口113，和/或相对搅拌摩擦工具110滑动密封出流口112。

如图3所示，在进流通道122与进流口113之间设有第一支撑环124，进流通道122通过第一支撑环124与进流口113相连通，在出流通道123与出流口112之间定位安装有第二支撑环125，出流通道123通过第二支撑环125与出流口112相连通。且第一支撑环124和第二支撑环125相对于主体套筒121固定，但相对于搅拌摩擦焊接工具110转动。在第一支撑环124和第二支撑环125之间设置第一密封件1271。在第一支撑环124的上部设置第二密封件1272，第二密封件1272与第一密封件1271之间形成上密封腔体。第二支撑环125的下部设有第三密封件1273，第三密封件1273与第一密封件1271之间形成下密封腔体。

由于进流口113的位置高于出流口112的位置。所以可设置上密封腔体为进水腔体，下密封腔体为出水腔体。当冷却液从进流通道122进入后，被限制在第一密封件1271和第二密封件1272之间，仅能进入冷却通道111。同时下密封腔体中的冷却液被限制在第一密封件1271和第三密封件1273之间，仅能进入出流通道123。一般下密封腔体中温度较高，因为冷却液已经经过了搅拌针115和/或轴肩114位置，吸收了热量，所以防止温度较高的液体渗漏至上密封腔体，能提高冷却效率。

在本申请的一些实施例中，还包括收集步骤：从出流口112下方收集从出流口112流出的冷却液。

如图4和图5所示，在输流机构120下部设有底盘128，搅拌工具110穿过底盘128，且底盘128上设有用于收集从出流口112流出的冷却液的容纳腔。

冷却液经进流口113输送至冷却通道111内对搅拌针115和/或轴肩114进行冷却，冷却之后的冷却液从出流口112流出至底盘128的容纳腔进行储存，降低搅拌摩擦工具110的轴肩114及搅拌针115位置的温度。

更进一步地，还包括甩流步骤：从出流口112下方的搅拌摩擦工具110的外壁，将从出流口112流出的冷却液甩开。

参见图5所示，位于出流口112下方的搅拌摩擦工具110的外壁套设有甩流环129，甩流环129用于将从出流口112流出的冷却液引导至底盘128上的容纳腔中，避免从出流口112流出的冷却液沿搅拌摩擦工具110的外壁流至焊接部位，影响焊缝的质量。

在本实施例中，甩流环129从内到外向下倾斜设置，便于从出流口112流出的冷却液受重力而沿甩流环129流至容纳腔。

在本申请的一些实施例中，该搅拌摩擦工具冷却方法还包括：吸走从出流口112流出的冷却液，和/或向搅拌摩擦工具110的下端部输送惰性气体。

具体地，吸走从出流口112流出的冷却液可以通过在底盘128上设置连通容纳腔的吸水管140，吸水管140用于吸取容纳腔中的冷却液。使用时，吸水管140连接抽水泵等抽水设备，以将容纳腔中的冷却液从容纳腔中抽出。

向搅拌摩擦工具110的下端部输送惰性气体可以在底盘128上设置朝向搅拌摩擦工具110端部的输气管150，通过输气管150向搅拌摩擦工具110端部通入惰性气体，以对搅拌摩擦工具110和焊接产品进行保护。其中，惰性气体可以采用氩气。

更进一步地，还包括温度调节步骤：

对搅拌摩擦工具110进行温度检测；

根据搅拌摩擦工具110的温度，对输送至搅拌摩擦工具110内的冷却液的流量进行调节；

若搅拌摩擦工具110的温度大于预设值，则加大冷却液的流量；

若搅拌摩擦工具110的温度小于预设值，则减少冷却液的流量。

其中，对搅拌摩擦工具110进行温度检测可以采用红外测温装置进行检测，红外测温装置外接控制器，以将检测到的温度值及时发送至控制器，并通过控制器控制水泵的开度，从而实现对冷却液流量的调节。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。