一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置及其工作方法与流程

本发明属于摩擦焊，特别是涉及一种用于环状结构摩擦焊辅助冷却装置及其工作方法。

背景技术：

1、近年来，惯性摩擦焊具有工艺参数少、稳定性高、热输入少、焊缝区间窄、接头力学性能高等优点，在工业领域内有着巨大的潜力，很多产品应用于航空航天领域等，现有的惯性摩擦焊工艺过程为：将待焊工件分别固定在旋转端和滑移端，当旋转端的转速达到设定值时，主轴的驱动马达与旋转端分离，滑移端由液压伺服驱动，朝旋转端方向移动，在接触界面处产生摩擦热，由于摩擦力的作用，材料在焊接界面处发生塑性变形，材料的温度逐渐升高，当旋转端的转速下降到一定值时，开始对待焊工件进行顶锻，保持一定时间后，滑移端退出，焊接结束后，根据相应材料特性、针对焊后及性能需求进行热处理，对焊后进行淬火热处理工艺，特别是环管结构采用惯性摩擦焊进行焊接，比如，应用于汽车、机床、风电等领域的齿轮环传动部件，其在工作时需要承受来自传动力和载荷的力，因此需要具备足够高的强度以及需要满足较高的材料综合力学性能，进而需要在惯性摩擦焊焊接之后对焊缝处进行淬火工序。

2、但是由于是环管结构焊后内环表面散热较慢、外环表面散热快，从而导致焊接区域的冷却速度不均匀，进而导致残余应力存在梯度变化，影响焊接接头的强度，内环表面散热慢同样会导致微观组织变化不均匀，基于上述问题，本发明提出一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置及其工作方法。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种用于环状结构摩擦焊辅助冷却装置及工作方法,以解决现有技术中由于大径厚比环材内环表面散热较慢，焊接区域的冷却速度不均匀，会导致残余应力的增加，影响焊接接头的强度，内环表面散热慢会导致微观组织变化不均匀，影响材料的力学性能的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种用于环状结构摩擦焊辅助冷却装置，包括尾座侧夹具、主轴侧夹具、惰性气体连接管、气体喷头以及冷却介质喷雾机构，所述尾座侧夹具安装在摩擦焊设备的移动滑台箱体内，所述尾座侧夹具内夹持有尾座侧待焊件，所述主轴侧夹具安装在摩擦焊设备的主轴侧箱体内，所述主轴侧夹具内夹持有主轴侧待焊件，所述主轴侧待焊件内设有惰性气体连接管，所述惰性气体连接管的出口端与气体喷头连接，所述尾座侧待焊件内侧设有冷却介质喷雾机构，所述冷却介质喷雾机构与气体喷头皆处于主轴侧待焊件与尾座侧待焊件的焊缝处。

4、更进一步的，所述冷却介质喷雾机构包括冷却介质连接管、内部气管、雾化喷嘴以及冷却介质喷头，所述冷却介质连接管设置在尾座侧待焊件内侧，所述冷却介质连接管内设置有内部气管，所述内部气管的出气部位于冷却介质喷头内，所述冷却介质喷头通过过渡接头与冷却介质连接管连通，所述冷却介质喷头的外侧均布有多个雾化喷嘴，所述内部气管的出气部位设有若干个出气孔。

5、更进一步的，所述冷却介质喷头内设有隔板，所述隔板套接在内部气管外侧且位于内部气管无出气孔的部位，所述隔板上设有通孔。

6、更进一步的，所述内部气管通过气体喷管弯头与气源的输出管路连接，所述冷却介质连接管通过冷却介质管弯头与冷却介质源的输出管路连接，所述惰性气体连接管与惰性气体源的输出管路连接。

7、更进一步的，所述冷却介质连接管安装在移动滑台箱体内的固定座上设有的u型槽内。

8、更进一步的，所述固定座的侧面与伸缩机构连接。

9、更进一步的，所述伸缩机构包括伸缩缸和连杆，所述连杆的一端与伸缩缸的输出端连接，另一端与固定座连接，所述伸缩缸的固定端安装在移动滑台箱体内。

10、更进一步的，所述伸缩缸、惰性气体源、气源以及冷却介质源皆与控制系统连接。

11、更进一步的，所述气体喷头上均布有若干个喷气孔。

12、一种用于环状结构摩擦焊辅助冷却装置的工作方法，它包括以下步骤：

13、步骤1：焊接前，通过尾座侧夹具将尾座侧待焊件夹持固定，通过主轴侧夹具将主轴侧待焊件夹持固定；

14、步骤2：焊接时，通过控制系统控制主轴侧进行惰性气体的充入对焊接过程进行保护；

15、步骤3：通过控制系统控制伸缩缸将冷却介质喷头的位置调整到焊接区域处；

16、步骤4：根据所需的冷却效果，通过雾化喷嘴喷出所需的冷却介质量，保证焊接接头的效果。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

18、1、本发明焊接后通过内部雾化喷管喷出气雾对焊接接头内部进行快速冷却，使环管结构内外冷却统一，同时达到淬火的效果，焊接环境快速冷却至室温以下，环管整体形成马氏体结构，能够大大增强焊缝的强度。

19、2、本发明通过快速冷却可以促使金属在焊接过程中形成细小的晶粒结构，提高焊接接头的强度和韧性，细小的晶粒结构通常意味着更加均匀的力学性能和更好的抗拉伸新能。

20、3、本发明通过控制冷却速率，气雾冷却可以有助于减少焊接接头中残余应力梯度，帮助焊接区域更快的达到稳定状态，整体提高焊接接头的质量和可靠性，能够统一促进金属的结晶过程，减少焊接缺陷的产生，提高焊接接头的性能。

21、4、本发明焊接后通过内部雾化喷管喷出气雾对环管结构焊接接头进行急速降温，可以迅速的冷却焊接接头，减少热影响区域的扩散范围，可以保证环管工件其他位置不受影响，同时提高焊缝质量。

22、5、本发明在焊接结束后，对焊接接头进行冷却，能够强化接头软化区，提高焊接接头的室温和高温抗拉强度以及焊接接头的硬度，接头组织变化，异种材料连接提高较弱材料弱化区性能。

23、6、在焊后及时对焊缝处进行快速冷却，实现淬火的效果，能够减少摩擦焊工艺过程中最后的热处理工序，减少了工艺步骤，提高了工作效率，并且减少了对焊缝处二次加热的过程，使焊缝组织一次成型，进一步的提高效率。

24、7、本发明在焊接过程进行惰性气体的喷射可以在焊接过程中提供氧化保护，防止焊缝处金属与空气中氧气发生氧化反应，保持焊缝处金属的纯净度，减少氧化层的生成，进而提高焊接质量，喷射惰性气体可以在焊接过程中保护焊缝处的金属免受外部气体的污染，减少焊缝处的夹杂物和气孔的产生，提高焊接接头的密封性和强度。

25、8、本发明在内部喷射惰性气体可以帮助调节管体结构焊接区域的温度分布变得更加均匀，减少焊接过程中的温度梯度，减轻热应力的影响，降低焊接过程中的变形和裂纹的风险。

26、9、本发明在内壁喷射惰性气体可以减少焊接过程中产生的火花飞溅，降低对操作人员和设备的危害，提高工作环境的安全性，减少焊接过程中可能出现的缺陷，提高焊接接头的质量和可靠性。

27、10、本发明可以随时调整内部气雾喷出组件的位置，由于在焊接过程中，焊缝位置是变化的，进而通过伸缩缸可以控制内部气雾喷出组件的位置，使内部气雾喷出组件一直与焊缝位置保持一致，保证焊缝处冷却温度的稳定。

技术特征：

1.一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：包括尾座侧夹具(5)、主轴侧夹具(10)、惰性气体连接管(13)、气体喷头(14)以及冷却介质喷雾机构，所述尾座侧夹具(5)安装在摩擦焊设备的移动滑台箱体(1)内，所述尾座侧夹具(5)内夹持有尾座侧待焊件(19)，所述主轴侧夹具(10)安装在摩擦焊设备的主轴侧箱体(11)内，所述主轴侧夹具(10)内夹持有主轴侧待焊件(12)，所述主轴侧待焊件(12)内设有惰性气体连接管(13)，所述惰性气体连接管(13)的出口端与气体喷头(14)连接，所述尾座侧待焊件(19)内侧设有冷却介质喷雾机构，所述冷却介质喷雾机构与气体喷头(14)皆处于主轴侧待焊件(12)与尾座侧待焊件(19)的焊缝处。

2.根据权利要求1所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述冷却介质喷雾机构包括冷却介质连接管(6)、内部气管(7)、雾化喷嘴(9)以及冷却介质喷头(15)，所述冷却介质连接管(6)设置在尾座侧待焊件(19)内侧，所述冷却介质连接管(6)内设置有内部气管(7)，所述内部气管(7)的出气部位于冷却介质喷头(15)内，所述冷却介质喷头(15)通过过渡接头(16)与冷却介质连接管(6)连通，所述冷却介质喷头(15)的外侧均布有多个雾化喷嘴(9)，所述内部气管(7)的出气部位设有若干个出气孔。

3.根据权利要求2所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述冷却介质喷头(15)内设有隔板(8)，所述隔板(8)套接在内部气管(7)外侧且位于内部气管(7)无出气孔的部位，所述隔板(8)上设有通孔。

4.根据权利要求2所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述内部气管(7)通过气体喷管弯头(17)与气源的输出管路连接，所述冷却介质连接管(6)通过冷却介质管弯头(18)与冷却介质源的输出管路连接，所述惰性气体连接管(13)与惰性气体源的输出管路连接。

5.根据权利要求4所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述冷却介质连接管(6)安装在移动滑台箱体(1)内的固定座(4)上设有的u型槽内。

6.根据权利要求4所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述固定座(4)的侧面与伸缩机构连接。

7.根据权利要求6所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述伸缩机构包括伸缩缸(2)和连杆(3)，所述连杆(3)的一端与伸缩缸(2)的输出端连接，另一端与固定座(4)连接，所述伸缩缸(2)的固定端安装在移动滑台箱体(1)内。

8.根据权利要求7所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述伸缩缸(2)、惰性气体源、气源以及冷却介质源皆与控制系统连接。

9.根据权利要求1所述的一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置，其特征在于：所述气体喷头(14)上均布有若干个喷气孔。

10.一种如权利要求1-9中任意一项所述的用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置的工作方法，其特征在于：它包括以下步骤：

技术总结
本发明提出了一种用于环管结构摩擦焊辅助冷却装置及其工作方法，属于摩擦焊技术领域。解决了现有技术中由于大径厚比环材内环表面散热较慢，焊接区域的冷却速度不均匀，会导致残余应力的增加，影响焊接接头的强度，内环表面散热慢会导致微观组织变化不均匀，影响材料的力学性能的问题。它包括尾座侧夹具、主轴侧夹具、惰性气体连接管、气体喷头以及冷却介质喷雾机构，尾座侧夹具安装在摩擦焊设备的移动滑台箱体内，尾座侧夹具内夹持有尾座侧待焊件，主轴侧夹具内夹持有主轴侧待焊件，主轴侧待焊件内设有惰性气体连接管，惰性气体连接管的出口端与气体喷头连接，尾座侧待焊件内侧设有冷却介质喷雾机构。它主要用于摩擦焊焊缝处的冷却。

技术研发人员：王志永,张春波,周军,乌彦全,梁武,李睿,赵玉珊,王祁,杨海峰,袁明强,李运雷,黄彩艳,秦丰,张雪龙,王浩,董志,林跃
受保护的技术使用者：中国机械总院集团哈尔滨焊接研究所有限公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/20