技术领域
[0001] 本
发明涉及
搅拌摩擦焊接术领域，具体是涉及一种用于
搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头及水冷循环的方法。
背景技术
[0002] 搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种创新的固相连接技术，它利用搅拌头与
工件之间产生的摩擦热使工件处于热塑性状态，搅拌头高速旋转并向前移动，处于热塑性状态的金属不断地从前端转移到后端，通过轴肩的
挤压联合作用，形成致密的
焊缝。
[0003] 搅拌摩擦焊接技术主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料
软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。搅拌摩擦焊接过程中产生了大量的摩擦热和塑性
变形热，使得焊接接头存在明显的热软化效应，组织粗大，导致焊接接头的强度仍低于
母材，特别是高强
铝合金焊接接头，其最高强度约为母材强度的80％。例如，2219-T8
铝合金的
抗拉强度仅为母材强度的65％，7075-T651铝合金的抗拉强度仅为母材强度的75％。因此，在焊接过程中对被焊接工件进行实时冷却十分重要。目前的冷却方式主要有三种方式，一种是空气冷却方式，比如采用自然空气和强制空气冷却方法，这种方法冷却速度较慢，导致焊核区的再结晶晶粒长大，焊缝
质量较差。第二种方式是采用
冷却液(水、
干冰、酒精、液氮及它们的混合物)对被焊接工件进行直接喷洒和浸泡式冷却，此种方式的冷却速度较快，冷却效果明显，但液态冷却介质直接与被连接工件进行
接触，液态冷却介质降低了被焊接工件的高温塑性，焊接质量较差。再者，直接喷洒的冷却方式容易
对焊接设备造成污染，焊后清扫麻烦。第三种方式是采用外置冷却器对焊接工件进行冷却。如
申请号为201210099428.7的中国
专利申请所公开的方式中，采用密闭式冷却液循环流动的干式冷却装置对被焊接工件进行非接触式干式冷却。此种密闭式冷却器与被焊接工件不直接接触，焊缝成型性较好，焊接过程干扰较少，但非接触式冷却效果相对较差，且此装置结构复杂，成本相对较高。再者，采用内部带冷却液循环流动的垫板对直接位于其上方的被焊接工件进行实时冷却，这种具有冷却功能的垫板内部为中空或带冷却通道，中空型垫板的
支撑作用被大幅降低，而带冷却通道的垫板由于冷却通道的热传导能
力有限而导
致冷却效果较差。
[0004] 搅拌摩擦焊接过程对摩擦热输入量非常敏感，热输入量过高容易对焊接过程产生焊接
缺陷、接头热影响区扩大、搅拌头快速磨损等不利影响，尤其表现在铝/镁合金厚板、
铜合金、
钛合金、
钢铁材料的搅拌摩擦焊接过程中。
[0005] 目前的冷却液冷却方式主要分为两种，一种是在焊接过程中，直接对搅拌头进行冷却液喷洒，另一种方式就是采用内部带
循环水冷通道的自冷却式搅拌头，如申请号为200710130673.9的中国专利申请所公开的方式中，在搅拌头中心部位设有冷却介质导入管和导出管实现冷却液的循环冷却。但上述两种方式都存在各自明显的缺点，采用冷却液直接喷洒的手段，会将冷却液喷洒到被焊接工件和焊机
工作台上，对焊接过程造成影响，污染焊接设备，焊后清除残留冷却液也比较麻烦。采用带内部循环水冷通道的自冷却式搅拌头可以很好地克服上述问题，但
现有技术中的搅拌头内部结构比较复杂，制造加工困难。
[0006] 另一方面，搅拌头在焊接过程中，经受较大的机械力载、摩擦热载及严重的磨损，这一问题在焊接高熔点材料，比如钢、钛时显得尤为严重，这对搅拌头的材料提出了较高的要求。
发明内容
[0007] 本发明解决的技术问题是现有的搅拌摩擦焊接的搅拌头冷却效果不理想，搅拌头结构过于复杂，制造成本高，从而提供一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头及水冷循环的方法。
[0008] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
[0009] 一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头，主要包括
主轴、固定架、刀柄、护套、
密封圈、搅拌头，所述刀柄安装在所述主轴的下端，所述搅拌头安装在刀柄的下端，刀柄和搅拌头随主轴进行旋转运动，所述护套包围在搅拌头的上半部分的外面，主轴外面套有焊接装备
外壳，所述固定架是由左右对称的两部分弯折板组成，固定架上半部分固定安装在焊接装备外壳的外表面的左右两侧，下半部分固定安装在护套的外表面的左右两侧，固定架、护套、焊接装备外壳均不随主轴进行旋转运动，在护套上设有进水口和出水口，所述进水口和出水口一上一下位于护套
正面正中间
位置，在护套内设有进水槽和出水槽，所述进水槽和出水槽为环状，分别与进水口和出水口相通，在搅拌头对应护套的进水槽位置设有进水孔，在搅拌头对应护套的出水槽位置设有出水孔，搅拌头内部设有冷却腔，所述进水孔和出水孔均与所述冷却腔相通，冷却腔位于搅拌头内部正中间位置，冷却腔的长度方向与搅拌头的长度方向平行；在护套的两端还分别设有密封圈，因为搅拌头在护套内高速旋转，用密封圈可以防止冷却液从二者间隙泄露。
[0010] 本发明还提供了一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头进行水冷循环的方法：在焊接过程中，水
泵从水槽中
抽取冷却液，经由进水口进入护套内的进水槽，用以冷却搅拌头外表面，冷却液经由进水槽对搅拌头外表面进行冷却的同时，在水泵压力的作用下经由进水孔进入搅拌头内部的冷却腔，在冷却腔内对搅拌头内部进行强制冷却，随后，冷却液在水泵压力的作用下，由设置在搅拌头上的出水孔流出搅拌头，进入护套的出水槽，再经由护套上的出水口流出，进入水槽，冷却后继续循环。整个过程中，水槽中的冷却液体在水泵压力的驱动下，快速在循环通道中流动，以快速带走搅拌摩擦焊接过程中产生的焊接热量。
[0011] 进一步地，在上述方案中，在所述冷却腔上方设有堵头，阻止冷却液外溢。
[0012] 进一步地，在上述方案中，所述冷却液为水、冰水混合物、干冰甲醇混合物或液氮酒精混合物等低温冷却介质。
[0013] 进一步地，在上述方案中，所述冷却液
温度在-5℃～室温范围内，冷却液的压力为0.5～0.55MPa。
[0014] 进一步地，在上述方案中，按重量百分比计，所述搅拌头的组成材料为：ZrO2 78-85％、CeO2 4-4.8％、Ce 0.2-0.6％、MoS2 0.5-1％、Si 0.2-2％、Mn 0.1-3％、Ti 0.03-1％、余量为Mo。以上成分是
发明人根据长期反复实验最终确定下来的比例，由这些成分复合而成的材料性能优异，满足搅拌摩擦焊接的搅拌头材料性能要求。
[0015] 本发明还提供了所述搅拌头的制备方法：
[0016] S1：按所述配料组成称取ZrO2、CeO2、Ce、MoS2、Si、Mn、Ti、Mo粉体混合，用化学共沉淀法制料、球磨；
[0017] S2：将球磨后的粉料烘干，加入20.2-23％的
石蜡和0.15-0.63％的外加剂混合后制成蜡饼；将蜡饼
熔化、搅拌得到浆料，
真空处理所述浆料，采用热
压铸方式成型；
[0018] S3：排蜡、清灰后送入电
隧道窑中进行无压烧成；
[0019] S4：冷加工成型。
[0020] 更进一步地，所述外加剂为：钨与
碳化钛按1:1-1.2的重量比组成的混合物，加入一定量的外加剂可以增强搅拌头的硬度、刚性及
耐磨性。
[0021] 本发明的有益效果是：本发明的水冷搅拌头结构设计合理，构造简单却能够满足冷却液循环的需求，通过护套和固定架来导入冷却液，制造成本低，冷却循环方式新颖，水槽中的冷却液体在水泵压力的驱动下，快速在循环通道中流动，快速带走搅拌摩擦焊接过程中产生的焊接热量，在焊接过程中对搅拌头进行强制冷却，降低搅拌头温度，能够减少搅拌头磨损量、提升搅拌头使用寿命，降低熔池温度和缩小接头热影响区，提升焊接质量和
稳定性。且搅拌头的材料是本发明人根据长期反复实验最终确定下来的成分及比例，由这些成分复合而成的材料性能优异，满足搅拌摩擦焊接的搅拌头材料性能要求。
附图说明
[0022] 图1是本发明搅拌头及进行水冷循环的示意图；
[0023] 其中，1-主轴、2-固定架、3-刀柄、4-护套、41-进水槽、42-出水槽、43-进水口、44-出水口、5-密封圈、6-搅拌头、61-进水孔、62-出水孔、63-冷却腔、7-焊接装备外壳、8-水泵、9-水槽。
具体实施方式
[0024] 下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明：
[0026] 如图1所示的一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头，主要包括主轴1、固定架2、刀柄3、护套4、密封圈5、搅拌头6，所述刀柄3安装在所述主轴1的下端，所述搅拌头6安装在刀柄3的下端，刀柄3和搅拌头6随主轴1进行旋转运动，所述护套4包围在搅拌头6的上半部分的外面，主轴1外面套有焊接装备外壳7，所述固定架2是由左右对称的两部分弯折板组成，固定架2上半部分固定安装在焊接装备外壳7的外表面的左右两侧，下半部分固定安装在护套4的外表面的左右两侧，固定架2、护套4、焊接装备外壳7均不随主轴1进行旋转运动，在护套4上设有进水口43和出水口44，所述进水口43和出水口44一上一下位于护套4正面正中间位置，在护套4内设有进水槽41和出水槽42，所述进水槽41和出水槽42为环状，分别与进水口43和出水口44相通，在搅拌头6对应护套4的进水槽41位置设有进水孔61，在搅拌头6对应护套4的出水槽42位置设有出水孔62，搅拌头6内部设有冷却腔63，所述进水孔61和出水孔62均与所述冷却腔63相通，冷却腔63位于搅拌头6内部正中间位置，冷却腔63的长度方向与搅拌头6的长度方向平行；在护套4的两端还分别设有密封圈5，因为搅拌头6在护套4内高速旋转，用密封圈5可以防止冷却液从二者间隙泄露。该水冷搅拌头结构设计合理，构造简单却能够满足冷却液循环的需求，通过护套和固定架来导入冷却液，制造成本低。
[0027] 如图1所示，利用上述水冷搅拌头进行水冷循环的方法为：在焊接过程中，水泵8从水槽9中抽取冷却液，经由进水口43进入护套4内的进水槽41，用以冷却搅拌头外表面，冷却液经由进水槽41对搅拌头6外表面进行冷却的同时，在水泵8压力的作用下经由进水孔61进入搅拌头6内部的冷却腔63，在冷却腔63上方设有堵头64，阻止冷却液外溢，在冷却腔63内对搅拌头6内部进行强制冷却，随后，冷却液在水泵8压力的作用下，由设置在搅拌头6上的出水孔62流出搅拌头6，进入护套4的出水槽42，再经由护套4上的出水口44流出，进入水槽9，冷却后继续循环。整个过程中，水槽中的冷却液体在水泵压力的驱动下，快速在循环通道中流动，以快速带走搅拌摩擦焊接过程中产生的焊接热量，在焊接过程中对搅拌头进行强制冷却，降低搅拌头温度，能够减少搅拌头磨损量、提升搅拌头使用寿命，降低熔池温度和缩小接头热影响区，提升焊接质量和稳定性。
[0028] 其中，冷却液为水，冷却液温度为3℃，冷却液的压力为0.5MPa。
[0029] 搅拌头6的组成材料为：ZrO2 78％、CeO2 4％、Ce 0.2％、MoS2 0.5％、Si 0.2％、Mn 0.1％、Ti 0.03％、余量为Mo。以上成分是发明人根据长期反复实验最终确定下来的比例，由这些成分复合而成的材料性能优异，满足搅拌摩擦焊接的搅拌头材料性能要求。
[0030] 搅拌头6的制备方法为：
[0031] S1：按所述配料组成称取ZrO2、CeO2、Ce、MoS2、Si、Mn、Ti、Mo粉体混合，用化学共沉淀法制料、球磨；
[0032] S2：将球磨后的粉料烘干，加入20.2％的石蜡和0.15％的外加剂混合后制成蜡饼，外加剂为：钨与碳化钛按1:1的重量比组成的混合物，加入一定量的外加剂可以增强搅拌头的硬度、刚性及耐磨性；将蜡饼熔化、搅拌得到浆料，真空处理所述浆料，采用
热压铸方式成型；
[0033] S3：排蜡、清灰后送入电隧道窑中进行无压烧成；
[0034] S4：冷加工成型。
[0035] 实施例2：如图1所示的一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头，主要包括主轴1、固定架2、刀柄3、护套4、密封圈5、搅拌头6，所述刀柄3安装在所述主轴1的下端，所述搅拌头6安装在刀柄3的下端，刀柄3和搅拌头6随主轴1进行旋转运动，所述护套4包围在搅拌头6的上半部分的外面，主轴1外面套有焊接装备外壳7，所述固定架2是由左右对称的两部分弯折板组成，固定架2上半部分固定安装在焊接装备外壳7的外表面的左右两侧，下半部分固定安装在护套4的外表面的左右两侧，固定架2、护套4、焊接装备外壳7均不随主轴1进行旋转运动，在护套4上设有进水口43和出水口44，所述进水口43和出水口44一上一下位于护套4正面正中间位置，在护套4内设有进水槽41和出水槽42，所述进水槽41和出水槽42为环状，分别与进水口43和出水口44相通，在搅拌头6对应护套4的进水槽41位置设有进水孔61，在搅拌头6对应护套4的出水槽42位置设有出水孔62，搅拌头6内部设有冷却腔63，所述进水孔61和出水孔62均与所述冷却腔63相通，冷却腔63位于搅拌头6内部正中间位置，冷却腔63的长度方向与搅拌头6的长度方向平行；在护套4的两端还分别设有密封圈5，因为搅拌头6在护套4内高速旋转，用密封圈5可以防止冷却液从二者间隙泄露。该水冷搅拌头结构设计合理，构造简单却能够满足冷却液循环的需求，通过护套和固定架来导入冷却液，制造成本低。
[0036] 如图1所示，利用上述水冷搅拌头进行水冷循环的方法为：在焊接过程中，水泵8从水槽9中抽取冷却液，经由进水口43进入护套4内的进水槽41，用以冷却搅拌头外表面，冷却液经由进水槽41对搅拌头6外表面进行冷却的同时，在水泵8压力的作用下经由进水孔61进入搅拌头6内部的冷却腔63，在冷却腔63上方设有堵头64，阻止冷却液外溢，在冷却腔63内对搅拌头6内部进行强制冷却，随后，冷却液在水泵8压力的作用下，由设置在搅拌头6上的出水孔62流出搅拌头6，进入护套4的出水槽42，再经由护套4上的出水口44流出，进入水槽9，冷却后继续循环。整个过程中，水槽中的冷却液体在水泵压力的驱动下，快速在循环通道中流动，以快速带走搅拌摩擦焊接过程中产生的焊接热量，在焊接过程中对搅拌头进行强制冷却，降低搅拌头温度，能够减少搅拌头磨损量、提升搅拌头使用寿命，降低熔池温度和缩小接头热影响区，提升焊接质量和稳定性。
[0037] 其中，冷却液为冰水混合物，冷却液温度为0℃，冷却液的压力为0.525MPa。
[0038] 搅拌头6的组成材料为：ZrO2 81.5％、CeO2 4.4％、Ce 0.4％、MoS2 0.75％、Si 1.1％、Mn 1.5％、Ti 0.5％、余量为Mo。以上成分是发明人根据长期反复实验最终确定下来的比例，由这些成分复合而成的材料性能优异，满足搅拌摩擦焊接的搅拌头材料性能要求。
[0039] 搅拌头6的制备方法为：
[0040] S1：按所述配料组成称取ZrO2、CeO2、Ce、MoS2、Si、Mn、Ti、Mo粉体混合，用化学共沉淀法制料、球磨；
[0041] S2：将球磨后的粉料烘干，加入21.6％的石蜡和0.39％的外加剂混合后制成蜡饼，外加剂为：钨与碳化钛按1:1.1的重量比组成的混合物，加入一定量的外加剂可以增强搅拌头的硬度、刚性及耐磨性；将蜡饼熔化、搅拌得到浆料，真空处理所述浆料，采用热压铸方式成型；
[0042] S3：排蜡、清灰后送入电隧道窑中进行无压烧成；
[0043] S4：冷加工成型。
[0044] 实施例3：
[0045] 如图1所示的一种用于搅拌摩擦焊接的水冷搅拌头，主要包括主轴1、固定架2、刀柄3、护套4、密封圈5、搅拌头6，所述刀柄3安装在所述主轴1的下端，所述搅拌头6安装在刀柄3的下端，刀柄3和搅拌头6随主轴1进行旋转运动，所述护套4包围在搅拌头6的上半部分的外面，主轴1外面套有焊接装备外壳7，所述固定架2是由左右对称的两部分弯折板组成，固定架2上半部分固定安装在焊接装备外壳7的外表面的左右两侧，下半部分固定安装在护套4的外表面的左右两侧，固定架2、护套4、焊接装备外壳7均不随主轴1进行旋转运动，在护套4上设有进水口43和出水口44，所述进水口43和出水口44一上一下位于护套4正面正中间位置，在护套4内设有进水槽41和出水槽42，所述进水槽41和出水槽42为环状，分别与进水口43和出水口44相通，在搅拌头6对应护套4的进水槽41位置设有进水孔61，在搅拌头6对应护套4的出水槽42位置设有出水孔62，搅拌头6内部设有冷却腔63，所述进水孔61和出水孔62均与所述冷却腔63相通，冷却腔63位于搅拌头6内部正中间位置，冷却腔63的长度方向与搅拌头6的长度方向平行；在护套4的两端还分别设有密封圈5，因为搅拌头6在护套4内高速旋转，用密封圈5可以防止冷却液从二者间隙泄露。该水冷搅拌头结构设计合理，构造简单却能够满足冷却液循环的需求，通过护套和固定架来导入冷却液，制造成本低。
[0046] 如图1所示，利用上述水冷搅拌头进行水冷循环的方法为：在焊接过程中，水泵8从水槽9中抽取冷却液，经由进水口43进入护套4内的进水槽41，用以冷却搅拌头外表面，冷却液经由进水槽41对搅拌头6外表面进行冷却的同时，在水泵8压力的作用下经由进水孔61进入搅拌头6内部的冷却腔63，在冷却腔63上方设有堵头64，阻止冷却液外溢，在冷却腔63内对搅拌头6内部进行强制冷却，随后，冷却液在水泵8压力的作用下，由设置在搅拌头6上的出水孔62流出搅拌头6，进入护套4的出水槽42，再经由护套4上的出水口44流出，进入水槽9，冷却后继续循环。整个过程中，水槽中的冷却液体在水泵压力的驱动下，快速在循环通道中流动，以快速带走搅拌摩擦焊接过程中产生的焊接热量，在焊接过程中对搅拌头进行强制冷却，降低搅拌头温度，能够减少搅拌头磨损量、提升搅拌头使用寿命，降低熔池温度和缩小接头热影响区，提升焊接质量和稳定性。
[0047] 其中，冷却液为干冰甲醇混合物，冷却液温度为-5℃，冷却液的压力为0.55MPa。
[0048] 搅拌头6的组成材料为：ZrO2 85％、CeO2 4.8％、Ce 0.6％、MoS2 1％、Si2％、Mn 3％、Ti 1％、余量为Mo。以上成分是发明人根据长期反复实验最终确定下来的比例，由这些成分复合而成的材料性能优异，满足搅拌摩擦焊接的搅拌头材料性能要求。
[0049] 搅拌头6的制备方法为：
[0050] S1：按所述配料组成称取ZrO2、CeO2、Ce、MoS2、Si、Mn、Ti、Mo粉体混合，用化学共沉淀法制料、球磨；
[0051] S2：将球磨后的粉料烘干，加入23％的石蜡和0.63％的外加剂混合后制成蜡饼，外加剂为：钨与碳化钛按1:1.2的重量比组成的混合物，加入一定量的外加剂可以增强搅拌头的硬度、刚性及耐磨性；将蜡饼熔化、搅拌得到浆料，真空处理所述浆料，采用热压铸方式成型；
[0052] S3：排蜡、清灰后送入电隧道窑中进行无压烧成；
[0053] S4：冷加工成型。
[0054] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行
修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。
