【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及摩擦焊接，具體地，涉及一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置及焊接方法，尤其是一種抑制高強鋁合金攪拌摩擦焊接起皮的焊接方法，特別是一種抑制以2195鋁合金為典型的高強鋁合金攪拌摩擦焊接表面起皮及拓寬工藝參數窗口的制造方法。
技術介紹
1、2195鋁合金為現有運載領域大型航天器常用的先進高強鋁合金材料，攪拌摩擦焊接技術為2195鋁合金大型貯箱等關重構件制造提供了極大技術支撐。但是，焊接過程中發現，以2195鋁合金為代表的高強鋁合金摩擦焊縫表面均存在不同程度的麩皮現象，在大對接環縫焊接過程中尤為顯著，起皮呈麥麩狀或片狀，如圖1所示，打磨后在焊縫表面留下不連續點狀凹坑，影響焊縫質量，同時增加后續處理的繁瑣工序，尤其是對于大型薄壁構件的強度影響嚴重。
2、對起皮的宏觀和微觀形貌進行初步分析，起皮厚度約0.1~0.4mm，經觀察發現起皮的正面和背面宏觀形貌不同，起皮正面較平滑，存在清晰的攪拌紋路，均勻分布亮白色顆粒狀析出相。背面粗糙，存在明顯的材料粘結現象。成分掃描結果表明，起皮正面和背面元素種類及含量基本無差異，主要元素均為al、cu元素，氧含量均處于3wt.%以下，排除表層與芯部成分差異及表層氧化等原因引起的起皮。
3、此外，貯箱研制過程中發現熔焊填補的2319鋁合金焊絲與2195鋁合金母材及2195鋁合金、2219鋁合金攪拌摩擦焊縫射線檢測結果顯示均存在較明顯的融合界面，如圖2所示，其中采用2319鋁合金焊絲熔焊填補2195鋁合金摩擦焊縫，后續經過充分攪拌摩擦作用，但x射線底片中仍清晰可見熔焊填補區域及
4、經文獻調研及試驗分析，表面麩皮現象為鋁合金焊接過程中表面過熱引起的表層與芯部材料塑化程度不一致引起的。而攪拌摩擦焊接過程中軸肩影響區產熱最高，與攪拌針影響區域存在較大的溫差。此外，如圖2所示，高強鋁合金焊接過程中攪拌針影響區域存在塑化不足的現象，因此，減小軸肩影響區熱影響同時不影響攪拌針影響區域產熱對于提升高強鋁合金攪拌磨擦焊縫綜合質量至關重要。
5、初期，采用氣冷、表層流動水冷卻等方式或兩者結合對軸肩影響區域進行降溫，對于表面起皮現象有一定的改善效果，但難以完全消除，且大范圍冷卻方式下攪拌針影響區域熱輸入更小，導致攪拌針影響區域材料融合性更差。因此，亟需開發即時有效的局部軸肩快冷卻方式對軸肩影響區域表面性能進行改善，同時不影響攪拌針影響區域熱輸入。
6、公開號為cn1714983a的文獻公開了一種等離子弧-攪拌摩擦復合焊接方法，采用等離子槍作為輔助加熱熱源,通過等離子槍形成的等離子弧產生的熱量使待焊工件在攪拌頭經過之前得到充分預熱，焊接時，攪拌頭在電機驅動下高速旋轉并沿待焊工件的對接面壓入待焊工件，當攪拌頭的軸肩與待焊工件緊密接觸后，攪拌頭沿對接面向前移動實現焊接，焊接區域在攪拌頭產生的摩擦熱與等離子弧產生的輔助熱量共同作用下發生塑化，在攪拌頭后部形成焊縫。但是該文獻仍然存在軸肩影響區產熱最高，與攪拌針影響區域存在較大的溫差的缺陷。
技術實現思路
1、針對現有技術中的缺陷，本專利技術的目的是提供一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置及焊接方法。
2、根據本專利技術提供的一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，包括：攪拌軸肩和攪拌針，所述攪拌針設置在所述攪拌軸肩的中軸位置；
3、所述攪拌軸肩內設置有多個冷卻通道，多個所述冷卻通道沿所述攪拌軸肩的徑向呈梯度排布設置；所述冷卻通道的深度沿所述攪拌軸肩軸向延伸；
4、多個所述冷卻通道之間相互獨立，每個所述冷卻通道均能夠單獨通入冷卻介質；
5、多個所述冷卻通道覆蓋攪拌摩擦焊縫的軸肩影響區和攪拌針影響區，能夠對所述軸肩影響區和所述攪拌針影響區進行冷卻。
6、優選的，在所述攪拌軸肩的徑向上，多個所述冷卻通道的排布密度由內到外逐漸增大。
7、優選的，在所述攪拌軸肩的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道的寬度逐漸增大。
8、優選的，用于冷卻所述軸肩影響區的所述冷卻通道與用于冷卻所述攪拌針影響區的所述冷卻通道采用不同的冷卻介質。
9、優選的，在所述攪拌軸肩的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道內的冷卻介質的比熱容逐漸增大。
10、優選的，每個所述冷卻通道均設置有通道開關；
11、所述通道開關用于控制所述冷卻通道的開閉和/或所述冷卻通道內的冷卻介質流速。
12、優選的，每個所述冷卻通道均通過通道開關與冷卻介質輸送管道連接。
13、優選的，攪拌裝置還包括溫度測量單元，所述溫度測量單元能夠監測所述軸肩影響區和所述攪拌針影響區的溫度；
14、所述溫度測量單元與控制單元連接，所述控制單元與所述通道開關連接，所述控制單元通過接受的溫度測量數據控制所述通道開關的開閉。
15、優選的，所述冷卻通道為帶缺口的圓環形冷卻通道，并在所述缺口位置形成冷卻介質進口和介質出口；
16、在所述攪拌軸肩的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道的缺口沿周向錯位設置。
17、本專利技術還提供一種用于攪拌摩擦焊接的焊接方法，采用上述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，具體包括如下步驟：
18、步驟s1：安裝攪拌裝置；
19、步驟s2：確定焊接路徑和焊接參數；
20、步驟s3：根據焊接路徑和焊接參數，通過攪拌裝置對待加工件進行攪拌焊接，在攪拌焊接過程中，通過溫度測量單元測量所述攪拌軸肩上各區域的溫度，根據溫度測量數據，通過控制單元控制相應區域內的所述冷卻通道的開閉和/或冷卻介質流速。
21、與現有技術相比，本專利技術具有如下的有益效果：
22、1、本專利技術通過設置多個冷卻流道，能夠實現對軸肩影響區和攪拌針影響區的分別控制，同時對于不同的區域，可以通過控制是否通入冷卻介質和控制冷卻介質的種類、流速，來實現不同的冷卻效果，實現局部溫度控制，大大提成了冷卻效果，提高了冷卻控制的精度。
23、2、本專利技術通過設置多個冷卻流道，在不同的階段可以開啟不同位置和不同數量的冷卻通道，實現局部冷卻，比如在開始階段，軸肩影響區外圍邊緣的產熱較高，可以先打開位于軸肩影響區外圈的冷卻通道，隨著焊接路徑的增加，熱量積累，再逐步打開靠近中心的冷卻通道，進而實現階段局部控溫。
24、3、本專利技術采用徑向梯度排布環形多冷卻通道實現動軸肩影響區域定區域冷卻及快速響應精準溫控策略調控溫度場，從而提升高強鋁合金攪拌摩擦焊接表面質量。
25、4、本專利技術基于焊材的熱物性本征特性及焊接工具，根據不同軸肩影響半徑內產熱及對焊縫性能影響的差異性，結合攪拌裝置的冷卻結構及實時工藝過程協同控制可實現軸肩影響區域溫度梯度分布，通過徑向密排環繞流道的布局、選擇性開啟及通入差異性冷卻液隨動精細化調控摩擦焊接過程中不同區域的溫度。在實現軸肩影響區域梯度降溫的同時，攪拌針影響區域可通過添加不同冷卻液實現獨立溫控，攪拌針影響區域溫本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，包括：攪拌軸肩（1）和攪拌針（2），所述攪拌針（2）設置在所述攪拌軸肩（1）的中軸位置；
2.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，在所述攪拌軸肩（1）的徑向上，多個所述冷卻通道（101）的排布密度由內到外逐漸增大。
3.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，在所述攪拌軸肩（1）的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道（101）的寬度逐漸增大。
4.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，用于冷卻所述軸肩影響區的所述冷卻通道（101）與用于冷卻所述攪拌針影響區的所述冷卻通道（101）采用不同的冷卻介質。
5.根據權利要求4所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，在所述攪拌軸肩（1）的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道（101）內的冷卻介質的比熱容逐漸增大。
6.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，每個所述冷卻通道（101）均設置有通道開關；
7.根據權利要求6所述的用于攪拌
8.據權利要求6所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，攪拌裝置還包括溫度測量單元，所述溫度測量單元能夠監測所述軸肩影響區和所述攪拌針影響區的溫度；
9.據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，所述冷卻通道（101）為帶缺口（102）的圓環形冷卻通道，并在所述缺口（102）位置形成冷卻介質進口和介質出口；
10.一種用于攪拌摩擦焊接的焊接方法，其特征在于，采用權利要求1至9任一項所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，具體包括如下步驟：
...【技術特征摘要】
1.一種用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，包括：攪拌軸肩（1）和攪拌針（2），所述攪拌針（2）設置在所述攪拌軸肩（1）的中軸位置；
2.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，在所述攪拌軸肩（1）的徑向上，多個所述冷卻通道（101）的排布密度由內到外逐漸增大。
3.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，在所述攪拌軸肩（1）的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道（101）的寬度逐漸增大。
4.根據權利要求1所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，用于冷卻所述軸肩影響區的所述冷卻通道（101）與用于冷卻所述攪拌針影響區的所述冷卻通道（101）采用不同的冷卻介質。
5.根據權利要求4所述的用于攪拌摩擦焊接的攪拌裝置，其特征在于，在所述攪拌軸肩（1）的徑向上，由內向外的多個所述冷卻通道（101）...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孫靖，金陽，李送斌，王捷，蔣笑，陳海，馬飛煌，徐勇，張瑩，尹玉環，
申請(專利權)人：上海航天設備制造總廠有限公司，
類型：發明
國別省市：
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