一种搅拌摩擦焊的搅拌头及其超细晶制备方法

摘要

一种搅拌摩擦焊的搅拌头，该搅拌头集电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统于一体，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦焊接的搅拌头及其装置，可用于电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接，以及剧烈塑性变形制备大厚度大面积超细晶粒材料。

主权项

一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括搅拌头(1)本体和位于搅拌头(1)本体下部的轴肩(3)和搅拌针(2)，其特征在于，还包括电磁振动系统、电磁作用系统、内部强制冷却系统、气体保护强制冷却系统、温度感应系统和密封绝缘系统，是一种电磁振动原位复合电磁作用、强制温度控制、气体保护、温度检测的集成式搅拌摩擦焊接的搅拌头装置；所述电磁振动系统包括搅拌头(1)的本体上部设计成的E形结构，安装在E形结构内的电磁振动线圈(4)，固定于摩擦焊机上的衔铁(11)，提供激磁电流的电磁振动电源(7)，以及由导电环(5)、碳电刷(17)、绝缘支撑架(6)和绝缘块(14)构成的激磁电流通道；导电环(5)材料为紫铜，通过径向摩擦焊接，将导电环(5)与搅拌头(1)的本体连接成一体，碳电刷(17)材料为添加8‑12％石墨的铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷(17)；绝缘块(14)使导入电磁振动线圈(4)的正负极电流回路分离，电磁振动线圈(4)通过导线与导电环(5)连接；电磁振动电源(7)提供一定强度的交变电流，电磁振动线圈(4)产生的磁场与衔铁(11)相互作用形成电磁力，而衔铁(11)固定在摩擦焊机上不动，促使搅拌头(1)本体以一定的振幅和较高的频率振动，通过搅拌头(1)本体将电磁振动能量导入工件(15)，在工件(15)与搅拌头(1)的搅拌针(2)和轴肩(3)之间的接触面上快速相对移动因振动搅拌摩擦而使金属发生塑性变形，用电磁振动与搅拌摩擦复合作用的方法实现材料的连接；所述电磁作用系统由电磁振动系统和搅拌头原位复合构成，位于搅拌头(1)的本体上部的E形结构，电磁振动线圈(4)产生的一定强度和频率的交变磁场，通过搅拌头(1)的本体、搅拌针(2)和轴肩(3)得到增强并传递到工件(15)，在工件(15)的内部形成分布的电磁场，该磁场与搅拌摩擦过程相互作用，电磁作用复合搅拌摩擦过程共同影响并作用焊缝搅拌摩擦塑性变形金属内部的位错运动过程，控制晶粒的回复、再结晶、长大行为，形成优质焊缝，完成对工件(15)的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊接；所述气体保护强制冷却系统包括安装在搅拌头(1)后侧面紧靠轴肩(3)和工件(15)位置的保护气体冷却喷管(16)，从保护气体冷却喷管(16)中喷出的冷却保护气体介质直接冷却焊缝后部的高温金属，在保证焊接金属塑性应变速率的条件下控制焊缝金属的温度，保证焊缝晶粒细化、减少缺陷，并避免焊缝金属氧化起到气体保护功能，实现焊缝的优质连接；所述内部强制冷却系统包括设置于搅拌头(1)本体内部的一个中空结构的空腔(18)，入水管(8)，套管(10)和动密封绝缘组件(9)，所述入水管(8)用于将液体冷凝介质引入搅拌头(1)的腔体(18)内，并到达接近于搅拌针(2)的搅拌头本体的下部位置，套管(10)为出水管，通过所述动密封绝缘组件(9)与旋转的搅拌头(1)本体连接，使冷凝介质在搅拌头内部空腔体内循环流动，实现对搅拌头(1)本体和焊缝搅拌区塑变金属的温度控制；所述温度感应系统是无源无线的高温传感测量系统，由温度传感器(12)，发射器(13)和接受器构成，温度传感器(12)是自耦合电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头(1)的轴肩(3)端面处，发射器(13)位于搅拌头(1)本体上部与温度传感器(12)连接，通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号并传输给控制计算机，并利用计算机实现搅拌针(2)及其附近温度的实时无源无线电阻式感应温度检测；所述密封绝缘系统主要包括所述动密封绝缘组件(9)，绝缘支撑架(6)和第一绝缘件(14)以及设置于工件(15)与焊接平台夹持机构之间的第二绝缘件，所述动密封绝缘组件(9)设置于搅拌头(1)本体内部腔体(18)的上部与套管(10)和入水管(8)之间，所述动密封绝缘组件(9)为唇型密封结构，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，密封绝缘系统保证摩擦焊机的安全，电磁振动系统的正常工作，实现对工件(15)的电磁振动复合电磁作用搅拌摩擦焊。