本发明公开了一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法，其中所述搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体和位于搅拌头本体下部的搅拌针，搅拌头本体与焊机夹持连接，其特点在于，还设置有强制冷却装置、载流装置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置。本发明具有高效、低成本、高稳定性、优质的优点，其突破了常规搅拌摩擦焊接技术的局限性，解决了高熔点金属搅拌摩擦焊接的搅拌头对高品质材料和复杂制备技术的依赖，并丰富低熔点轻合金搅拌摩擦焊接的质量控制手段，实现搅拌摩擦焊接的高质量与低成本的有效合理匹配，完善搅拌摩擦焊接技术，从而在固相焊接领域和表面工程领域开拓新的工程应用范围。
1.一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体(1)和位于搅拌头本体(1)下部的搅拌针(17)，搅拌头本体(1)与焊机夹持(16)连接，其特征在于，还设置有强制冷却装置、载流装置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置，所述强制冷却装置包括设置于搅拌头本体(1)内部的一个中空结构的腔体(2)，和一根出水和入水复合式铜管(3)，所述复合式铜管(3)用于将冷凝液引入和导出腔体(2)；所述载流装置包括搅拌头本体(1)外沿设置的一个导电环(4)，可通过碳电刷(5)将电流导入搅拌头本体(1)，以形成载流搅拌摩擦焊接方式；所述气体保护装置(7)设置于搅拌头本体(1)的轴肩(6)侧面处，用于在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝及热影响区金属氧化；所述传感装置包括埋植于搅拌头轴肩(6)内的自耦合热电阻式温度传感器(8)和设置于搅拌头本体(1)与焊机夹持(16)连接部位的轴向和径向压力传感器(10)，其中，自耦合热电阻式温度传感器(8)通过搅拌头本体(1)上部与无线感应发射器(9)连接，用于形成轴肩(6)及其附近温度的无源无线电阻式感应传感，轴向和径向压力传感器(10)与搅拌头上部的无线感应发射器(15)连接，用于实现搅拌摩擦焊负载的传感检测；所述绝缘装置包括第一绝缘件(11)及其工件夹持机构的绝缘部件，用于使搅拌头本体(1)与焊机主轴绝缘，以及工件与焊机工作平台间的绝缘；所述密封装置包括在搅拌头本体(1)的中空腔体(2)与复合式铜管(3)之间设置的动密封构件(12)，用于达到密封冷凝液态介质的目的，并且使搅拌头本体(1)能自由旋转。
2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述载流装置包括导电环(4)，碳电刷(5)和绝缘支撑组件(18)，导电环(4)材料为紫铜，导电环(4)与搅拌头本体(1)通过径向摩擦焊接工艺连接成一体，碳电刷材料为添加5-15％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(5)，还设置有固定于摩擦焊机上的绝缘支撑组件(18)，碳电刷(5)与导电环(4)形成良好电接触，并通过设置于绝缘支撑组件(18)的电缆线(19)与电源(20)连接，通过碳电刷(5)和导电环(4)将辅助电流引入搅拌头，在工件(25)的焊缝结合部位设置有活动导电块(26)，并与电源(20)的另外一个电极相连，工件(25)和导电块(26)与周围的焊接夹具绝缘连接，形成载流搅拌摩擦焊接方式。
3.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述强制冷却装置中的复合式铜管(3)是与内管(13)原位隔离组合集成，内管(13)为出水口，相比进水口(14)其孔径要小，并且内管(13)的进水开口位于搅拌头本体(1)腔体(2)的上部，而复合铜管(3)的出水通道开口在搅拌头本体(1)腔体(2)的下部，接近搅拌针(17)的位置，实现搅拌头本体(1)及焊缝的温度控制。
4.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述气体保护装置(7)围绕轴肩(6)设置有喷嘴(22)，内部设置有气筛(23)，用于使保护气体形成层流在搅拌头轴肩(6)四周喷出，气体保护装置(7)通过绝缘支撑板(21)和绝缘支撑组件(18)与摩擦焊机固定，并与碳电刷(5)和搅拌头本体(1)本体绝缘，气体保护装置(7)的喷嘴(22)为陶瓷材料，通过设置于两侧的进气管(24)供给保护气体，保护摩擦焊接区和热影响区高温金属。
5.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述传感装置包括温度传感装置和无线传感检测系统，其中温度传感装置是无源无线的高温自耦合传感测量系统，由温度传感器(8)，发射器(9)和接受器构成，温度传感器(8)是自耦合热电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头的轴肩(6)端面处，发射器(9)位于搅拌头本体(1)上部与温度感应器(8)连接，通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号，并利用计算机实现轴肩(6)及其附近温度的实时无源无线自耦合电阻式感应温度检测；安装在搅拌头本体(1)与摩擦焊机主轴夹持连接的部位的轴向和径向压力传感器(10)，发射器(15)和接受器构成实现搅拌摩擦焊轴向和径向负载或力矩的无线传感检测系统。
6.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述密封装置主要包括动密封构件(12)，动密封构件(12)设置于搅拌头本体(1)的中空腔体(2)与复合式铜管(3)之间，为唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合式铜管(3)轴旋转的动密封形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性。
7.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：所述绝缘装置包括设置于搅拌头本体(1)与动密封构件(12)之间的第二绝缘件(27)和设置于搅拌头本体(1)与焊机夹持(16)之间的第一绝缘件(11)，以及工件与夹持平台之间的第三绝缘件，第一绝缘件(11)和第二绝缘件(27)用于将载流的搅拌头本体(1)与搅拌摩擦焊机及其主轴绝缘，工件(25)和导电块(26)与焊接工作平台绝缘，以保证载流摩擦焊接安全和辅助电流有效回路的形成。
8.根据权利要求1或2所述的搅拌摩擦焊的搅拌头，其特征在于：搅拌头采用不锈钢材料，搅拌针(17)为锥形结构或者圆柱形结构；
在搅拌针表面和轴肩端面，采用Ti纳米改性的MoS2/Ti纳米复合膜，
或者，采用以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，
或者，使用类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，
对搅拌针(17)和轴肩(6)进行强化处理，以增强搅拌头关键部位的抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高搅拌头的使用寿命。
9.一种载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，使用上述权利要求书1-8任一项所述的搅拌头，基于内生电阻热的载流搅拌摩擦复合焊接方法，具体过程是：搅拌头的搅拌针(17)与工件(25)紧密接触旋转并缓慢压入，在产生搅拌摩擦热的同时，在载流条件下，辅助电流从搅拌头流出，辅助电流经过焊接区域时因接触电阻最大而在焊接搅拌区域最先产生电阻热，该电阻热与搅拌摩擦热复合，促使被焊工件(25)温度快速升高，当焊缝母材软化塑变时，搅拌针迅速旋转插入工件，当搅拌针(17)旋转插入到焊接工件(25)所要求的深度后，搅拌头整体开始向前运动，导电块(26)也同时随搅拌头运动，保持与搅拌头的相对距离不变，在搅拌头的温度控制系统、气体保护系统和参数检测监控系统的共同作用下，使工件(25)两侧分离的母材因摩擦搅拌、塑变流动、回复与再结晶、挤压成型而连接为一体，形成良好的固相焊缝，完成载流搅拌摩擦复合焊接过程，实现高效、低成本、优质搅拌摩擦焊接接头。
10.如权利要求9所述的一种载流搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：
载流搅拌摩擦焊的产生内生电阻热的辅助电流为普通直流电流；
或者，载流搅拌摩擦焊的产生内生电阻热的辅助电流为工频交流电流；
或者，载流搅拌摩擦焊的产生内生电阻热的辅助电流为脉冲直流电流，包括脉冲频率、占空比、脉冲时间参数、脉冲幅值参数的调节与变化；
或者，载流搅拌摩擦焊的产生内生电阻热的辅助电流为变极性脉冲直流电流，包括脉冲频率、占空比、脉冲时间参数、脉冲幅值参数的调节与变化；
载流搅拌摩擦焊保护气体为惰性气体：包括氩气、氦气一元气体，以及相互混合的二元气体；
或者，载流搅拌摩擦焊保护气体为活性气体：包括氮气、二氧化碳、氧气一元气体，以及与惰性气体混合的二元或多元气体；
载流搅拌摩擦焊的导电块(26)安装在工件(25)焊缝背面，以焊接运动的方向为基准，导电块(26)处于与搅拌针(17)相对位置的前面，实现预热模式载流搅拌摩擦焊接，或者导电块(26)处于与搅拌针(17)相对位置的后面，实现热处理模式载流搅拌摩擦焊接；或者导电块(26)处于搅拌针(17)正下方，实现常规的载流搅拌摩擦焊接；
或者，载流搅拌摩擦焊的导电块(26)安装在工件(25)焊缝侧面，以焊接运动的方向为基准，导电块(26)处于与搅拌针(17)相对位置的前面，实现预热模式载流搅拌摩擦焊接，或者导电块(26)处于与搅拌针(17)相对位置的后面，实现热处理模式载流搅拌摩擦焊接；
用于黑色和有色金属及其合金材质的搅拌摩擦焊接，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；
或用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；
或用于载流搅拌摩擦焊接：包括载流搅拌摩擦点焊，载流搅拌摩擦塞焊；
或用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；
或用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；
或用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括高熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备。
一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法
技术领域
[0001] 本发明涉及焊接技术领域，特别是一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法。
背景技术
[0002] 1991年英国焊接研究所(TWI)的W.M.Thomas发明了搅拌摩擦焊技术，并在中国取得了专利授权(ZL95192193.2)，这种来源于机械冷加工制造工艺、基于固相连接的新型焊接技术具有明显的优越性，使其成为近二十年内在世界范围内得到快速发展与广泛工程应用的焊接技术之一。搅拌摩擦焊的工业应用主要集中在铝合金领域，随着其应用领域、连接对象和材料的不断扩展，搅拌摩擦焊技术在低熔点的有色金属中得到了成功的拓展。但是，科研人员发现对于像合金钢、不锈钢、钛合金，甚至高温合金等工业领域比较重要的结构材料，搅拌摩擦焊技术的应用并不十分理想，目前只限于实验室的初步研究阶段。
[0003] 较高熔点金属材料搅拌摩擦焊接的难度主要在于：
[0004] 1)搅拌摩擦和塑性变形的热量输入不足，超塑性、回复与再结晶以及相变过程复杂，不易形成良好的焊缝组织；
[0005] 2)搅拌头的工作环境严酷，搅拌头的成本很高，使用寿命较低；
[0006] 3)焊接效率低，成型质量较差。
[0007] 如果一味为了增加热量输入和焊接效率而增大搅拌头的下压力和转速，会使搅拌头温度急速上升，使搅拌头高温强度降低，加剧搅拌头的磨损，严重时会导致搅拌头的搅拌针断裂，焊接质量严重下降，影响了搅拌头的使用寿命；同时也使得所需搅拌摩擦焊机的装机容量增大，对装夹具的要求提高，焊接设备的体积增大，耗能加大，搅拌摩擦的优势不再明显。
[0008] 搅拌摩擦焊技术并没有如早先乐观估计的那样在船舶、管道、卡车、铁路、交通等领域成为最具吸引力的制造技术而取得众多的应用成果，英国焊接研究所也认为搅拌摩擦焊接较高熔点的金属材料(如钢材等)，是目前所面临的挑战，这是搅拌摩擦焊进一步拓展应用领域所必须要解决的问题。
[0009] 同时，即使是在低熔点的有色金属的搅拌摩擦焊接时，也存在焊接缺陷，工艺要求比较苛刻，焊接的工艺窗口较窄，搅拌摩擦设备复杂，搅拌摩擦焊接技术的实际应用受到局限。这就是搅拌摩擦焊接技术发展目前所面临的重要关键问题，亟待解决。
发明内容
[0010] 针对现有搅拌摩擦技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种高效、低成本、高稳定性、优质的搅拌摩擦焊接的搅拌头及其一种新型的搅拌摩擦焊接方法，以便突破常规搅拌摩擦焊接技术的局限性，及其对搅拌头高昂的材料制备成本、苛刻的焊接工艺条件、较短的使用寿命的长期牵制，解决高熔点金属搅拌摩擦焊接的搅拌头对高品质材料和复杂制备技术的依赖，并丰富低熔点轻合金搅拌摩擦焊接的质量控制手段，实现搅拌摩擦焊接的高质量与低成本的有效合理匹配，完善搅拌摩擦焊接技术，从而在固相焊接领域和表面工程领域开拓新的工程应用范围。
[0011] 本发明的技术方案如下：
[0012] 一种搅拌摩擦焊的搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体和位于搅拌头本体下部的搅拌针，搅拌头本体与焊机夹持连接，其特点在于，还设置有强制冷却装置、载流装置、气体保护装置、传感装置、密封装置和绝缘装置，所述强制冷却装置包括设置于搅拌头本体内部的一个中空结构的腔体，和一根出水和入水复合式铜管，所述复合式铜管用于将冷凝液引入和导出腔体；所述载流装置包括搅拌头本体外沿设置通过径向摩擦焊接的一个导电环，可通过碳电刷将电流导入搅拌头，以形成载流搅拌摩擦焊接方式；所述气体保护装置设置于搅拌头本体的轴肩侧面处，用于在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝及热影响区金属氧化；所述传感装置包括埋植于搅拌头轴肩内的自耦合热电阻式温度传感器和设置于搅拌头与焊机夹持连接部位的轴向和径向压力传感器，其中，自耦合热电阻式温度传感器通过搅拌头本体上部与无线感应发射器连接，用于形成轴肩及其附近温度的无源无线电阻式感应传感，轴向和径向压力传感器与搅拌头上部的无线感应发射器连接，用于实现搅拌摩擦焊负载的传感检测；所述绝缘装置包括绝缘件及其工件夹持的绝缘部件，用于使搅拌头本体与焊机主轴绝缘，以及工件与焊机工作平台间的绝缘；所述密封装置包括在搅拌头本体的中空腔体与复合式铜管之间设置的动密封构件，用于达到密封冷凝液态介质的目的，并且使搅拌头能自由旋转。
[0013] 本发明中的载流装置，可以是以下结构：所述载流装置包括导电环，碳电刷和绝缘支撑组件，导电环材料为紫铜，导电环与搅拌头本体通过径向摩擦焊接工艺连接成一体，碳电刷材料为添加5-15％石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷，还设置有固定于摩擦焊机上的绝缘支撑组件，碳电刷与导电环形成良好电接触，并通过设置于绝缘支撑组件的电缆线与电源连接，通过碳电刷和导电环将辅助电流引入搅拌头，在工件的焊缝结合部位设置有活动导电块，并与电源的另外一个电极相连，工件和导电块与周围的焊接夹具绝缘连接，形成载流搅拌摩擦焊接方式。
[0014] 本发明中的强制冷却装置，可以是包括以下结构：所述强制冷却装置中的复合式铜管是与内管原位隔离组合集成，内管为出水口，相比进水口其孔径要小，并且内管的进水开口位于搅拌头腔体的上部，而复合铜管的出水通道开口在搅拌头腔体的下部，接近搅拌针的位置，实现搅拌头及焊缝的温度控制。
[0015] 本发明中的气体保护装置，可以是以下结构：所述气体保护装置围绕轴肩设置有喷嘴，内部设置有气筛，用于使保护气体形成层流在搅拌头轴肩四周喷出，气体保护装置通过绝缘支撑板和绝缘支撑组件与摩擦焊机固定，并与碳电刷和搅拌头本体绝缘，气体保护装置的喷嘴为陶瓷材料，通过设置于两侧的进气管供给保护气体，保护摩擦焊接区和热影响区高温金属。
[0016] 本发明中的传感装置，可以是包括以下结构：所述传感装置包括温度传感装置和无线传感检测系统，其中温度传感装置是无源无线的高温自耦合传感测量系统，由温度传感器，发射器和接受器构成，温度传感器是自耦合热电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头的轴肩端面处，发射器位于搅拌头本体上部与温度感应器连接，通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号，并利用计算机实现轴肩及其附近温度的实时无源无线自耦合电阻式感应温度检测；安装在搅拌头与摩擦焊机主轴夹持连接的部位的轴向和径向压力传感器，发射器和接受器构成实现搅拌摩擦焊轴向和径向负载或力矩的无线传感检测系统。
[0017] 本发明中的密封装置主要包括动密封构件，动密封构件设置于搅拌头本体的中空腔体与复合式铜管之间，为唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合式铜管轴旋转的动密封形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性。
[0018] 本发明中的绝缘装置，可以是以下结构：所述绝缘装置包括设置于搅拌头本体与动密封构件之间的绝缘件和设置于搅拌头本体与焊机夹持之间的绝缘件，以及工件与夹持平台之间的绝缘件，两种绝缘件用于将载流的搅拌头与搅拌摩擦焊机及其主轴绝缘，工件和导电块与焊接工作平台绝缘，以保证载流摩擦焊接安全和辅助电流有效回路的形成。
[0019] 本发明中的搅拌头可以是以下结构或材料：搅拌头本体采用不锈钢材料，搅拌针为锥形结构或者圆柱形结构；
[0020] 在搅拌针表面和轴肩端面，采用Ti纳米改性的PVD共同沉积MoS2/Ti纳米复合膜，
[0021] 或者，采用真空烧结氮化方法制备以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，[0022] 或者，使用PVD方法共同沉积的类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，[0023] 或者，使用PVD方法制备的类金刚石纳米复合膜，
[0024] 对搅拌针和轴肩进行强化处理，以增强搅拌头关键部位的抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高搅拌头的使用寿命。
[0025] 本发明还提供一种与上述搅拌头对应的载流搅拌摩擦焊接方法，其特点在于，使用了具有上述结构形式的搅拌头，基于内生电阻热的载流搅拌摩擦复合焊接方法，具体过程是：搅拌头的搅拌针与工件紧密接触旋转并缓慢压入，在产生搅拌摩擦热的同时，在载流条件下，辅助电流从搅拌头流出，辅助电流经过焊接区域时因接触电阻最大而在焊接搅拌区域最先产生电阻热，该电阻热与搅拌摩擦热复合，促使被焊工件温度快速升高，当焊缝母材软化塑变时，搅拌针迅速旋转插入工件，当搅拌针旋转插入到焊接工件所要求的深度后，搅拌头整体开始向前运动，导电块也同时随搅拌头运动，保持与搅拌头的相对距离不变，在搅拌头的温度控制系统、气体保护系统和参数检测监控系统的共同作用下，使工件两侧分离的母材因摩擦搅拌、塑变流动、回复与再结晶、挤压成型而连接为一体，形成良好的固相焊缝，完成载流搅拌摩擦复合焊接过程，实现高效、低成本、优质搅拌摩擦焊接接头。
[0026] 上述的载流搅拌摩擦焊接方法，还具有以下特点：
[0027] 载流搅拌摩擦焊的辅助电流为普通直流电流产生内生电阻热；
[0028] 或者，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为工频交流电流产生内生电阻热；
[0029] 或者，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为脉冲直流电流产生内生电阻热，包括脉冲频率、占空比、脉冲时间参、脉冲幅值参数的调节与变化；
[0030] 或者，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为变极性脉冲直流电流产生内生电阻热，包括脉冲频率、占空比、脉冲时间参、脉冲幅值参数的调节与变化；
[0031] 载流搅拌摩擦焊保护气体为惰性气体：包括氩气、氦气一元气体，以及相互混合的二元气体；
[0032] 或者，载流搅拌摩擦焊保护气体为活性气体：包括氮气、二氧化碳、氧气一元气体，以及与惰性气体混合的二元或多元气体；
[0033] 载流搅拌摩擦焊的导电块安装在工件焊缝背面，以焊接运动的方向为基准，导电块处于与搅拌针相对位置的前面，实现预热模式载流搅拌摩擦焊接，或者导电块处于与搅拌针的相对位置的后面，实现热处理模式载流搅拌摩擦焊接；或者导电块处于与搅拌针正下方，实现常规的载流搅拌摩擦焊接；
[0034] 或者，载流搅拌摩擦焊的导电块安装在工件焊缝侧面，以焊接运动的方向为基准，导电块处于与搅拌针相对位置的前面，实现预热模式载流搅拌摩擦焊接，或者导电块处于与搅拌针的相对位置的后面，实现热处理模式载流搅拌摩擦焊接；
[0035] 用于黑色和有色金属及其合金材质的搅拌摩擦焊接，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；
[0036] 用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；
[0037] 用于载流搅拌摩擦焊接：包括载流搅拌摩擦点焊，载流搅拌摩擦塞焊；
[0038] 用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；
[0039] 用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；
[0040] 用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括高熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备。
[0041] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0042] 本发明提供的采用该搅拌头、基于内生电阻热的载流搅拌摩擦复合焊接方法，可以解决采用常规搅拌摩擦焊在搅拌区或界面处产热不足与连接困难的问题，获得组织性能良好的高熔点搅拌摩擦焊接接头。在高熔点金属搅拌摩擦焊接过程中，对摩擦界面导通以辅助电流，在搅拌区摩擦或塑变界面处因为接触电阻较大而形成内生电阻热，与摩擦热伴生并同时加热接头，这样可以使用普通材料的搅拌头进行高熔点金属的搅拌摩擦焊接，同时可明显提高搅拌头的使用寿命，极大地降低焊接成本，提高效率，并不需要增加一套焊接系统(如激光复合搅拌摩擦焊接技术、电弧复合搅拌摩擦焊接技术那样)，焊接设备结构没有大的改变，满足接头处于固相焊接的要求，增强了接头性能。
[0043] 本发明开拓了固相焊接工程领域新型搅拌摩擦焊接技术，突破了高熔点金属搅拌摩擦焊接高成本和低质量的两个相互矛盾的限制，实现了高熔点金属与低熔点金属搅拌摩擦焊接高效、优质、低成本的有效协调与合理统一，降低了对搅拌头材料使用与加工制备、搅拌摩擦焊接工艺的苛刻要求，采用完善载流摩擦复合焊接技术成功克服了普通搅拌头和搅拌摩擦接技术的使用局限，从而在可持续发展、满足循环经济需求的先进搅拌摩擦技术工艺与设备的开发与实际利用方面作出了贡献。
[0044] 本发明不仅拓展了载流搅拌摩擦学的工程应用范围，而且在高熔点金属搅拌摩擦焊接技术领域实现突破，同时，在表面工程领域的纳米制造新技术中得到实际的应用和体现，能够原位复合制备超细晶或纳米晶；在机械传动件及机构、机械设备的制造与利用，关键部件修复，先进材料的制备，资源的循环利用，以及绿色循环制造与装备、表面工程等领域具有广阔的应用价值与发展前景。本发明实现高效、低成本、高质量、高稳定性、多适用性、多方式综合易控的搅拌摩擦焊接过程。
[0045] 总之，本发明通过提供新型搅拌摩擦焊的搅拌头，并通过该搅拌头的使用，提供基于内生电阻热的载流搅拌摩擦复合焊接的先进方法，利用载流搅拌摩擦的综合作用，消除采用常规搅拌摩擦焊接技术的一系列难题，克服了高熔点金属搅拌摩擦焊接的难题，以及低熔点金属搅拌摩擦焊接的苛刻工艺要求，提高了焊接接头的质量，延长了搅拌头的使用寿命，实现了低成本、高效、优质高熔点金属和低熔点轻合金的搅拌摩擦焊接，并在表面工程领域开拓纳米制造、超细晶制造的新应用范围，拓展了载流摩擦学的工程应用领域。
附图说明
[0046] 图1是本发明搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法的示意图；
[0047] 图2是本发明搅拌头的唇型动密封的结构示意图；
[0048] 图3是本发明搅拌头的唇型动密封的正向弹簧位置与密封性能示意图；
[0049] 图4是本发明搅拌头的唇型动密封的密封特性曲线图。
[0050] 图中，1.搅拌头本体；2.搅拌头腔体；3.复合式铜管；4.导电环；5.碳电刷；6.轴肩；7.气体保护装置；8.温度传感器；9.温度无线感应发射器；10.压力传感器；11.绝缘件；12.动密封构件；13.内管；14.进水口；15.压力无线感应发射器；16.夹持；17.搅拌针；18.绝缘支撑组件；19.电缆线；20.电源；21.螺纹水流沟槽；22.喷嘴；23.气筛；24.进气管；25.工件；26.导电块；27.绝缘件。
具体实施方式
[0051] 本发明主要包含一种搅拌摩擦焊的搅拌头和载流搅拌摩擦焊接方法，以及在载流摩擦学工程、表面工程与纳米制造工程技术中的应用。
[0052] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。
[0053] 一.一种搅拌摩擦焊的搅拌头
[0054] 本发明的搅拌头是一种集温度检测与控制、参数检测、气体保护等多项重要功能于一体的集成式智能化的搅拌摩擦焊接的搅拌头。
[0055] 如图1所示：搅拌摩擦焊的搅拌头，包括设置于摩擦焊机上的搅拌头本体1和位于搅拌头本体1下部的搅拌针17，搅拌头本体1与焊机夹持连接，还包括强制冷却装置，载流装置，气体保护装置，传感装置，密封装置和绝缘装置，是一种带气体保护装置内部强制循环液体介质冷却的温度与压力感应集成式载流搅拌摩擦焊的搅拌头。搅拌头本体1内部是一个中空结构的腔体2，一根出水和入水复合式铜管3将冷凝液引入和导出搅拌头本体1的腔体2，使冷凝液在搅拌头内部空腔体循环流动，达到控制搅拌头温度的目的；搅拌头本体1外沿通过径向摩擦焊接一个导电环4，通过碳电刷5将电流导入搅拌头本体1，形成载流搅拌摩擦焊接方式；搅拌头本体1的轴肩6侧面处设有气体保护装置7，在焊接区域形成有效的气体保护，防止焊缝及热影响区金属氧化；搅拌头轴肩6内埋植热电阻式温度传感器8，通过搅拌头本体1上部与无线感应发射器9连接，形成搅拌肩及其附近温度的无源无线电阻式感应传感；在搅拌头与焊机夹持16连接部位设有轴向和径向压力传感器10与搅拌头上部的无线感应发射器15连接，实现搅拌摩擦焊负载的传感检测，绝缘件11使搅拌头与焊机主轴绝缘；在搅拌头腔体2上部以及与复合式铜管3之间设有动密封构件12，达到密封冷凝液态介质的目的，并且使搅拌头本体1能自由旋转。
[0056] 搅拌头强制冷却装置中的复合式铜管3是与内管13原位隔离组合集成，内管13为出水口，相比复合式铜管3的进水口14其孔径要小，并且内管13的进水开口位于搅拌头腔体2的上部，而复合铜管3的出水通道开口在搅拌头腔体2的下部，接近搅拌针17的位置，这样使液态冷凝介质能够达到并充满搅拌头的底部，将搅拌头最大产热区的热量带走，减少搅拌针17的磨损，提高搅拌头的使用寿命，并且能够控制焊接温度，使焊缝形成合理的温度分布，提高接头质量。
[0057] 搅拌头载流装置由导电环4，碳电刷5和绝缘支撑组件18构成，导电环4材料为紫铜，通过径向摩擦焊接工艺，将导电环4与搅拌头本体1连接成一体，碳电刷材料为添加5-15％石墨铜基材料，经粉末冶金烧结压制加工成型为铜基复合碳电刷5，绝缘支撑组件
18将其固定于摩擦焊机上，并与导电环4形成良好接触，通过电缆线19由电源20供给能量，最终通过碳电刷5和导电环4将辅助电流引入搅拌头，在工件25的焊缝结合部位设置有活动导电块26，并与电源20的另外一个电极相连，工件25和导电块26与周围的焊接夹具绝缘，形成载流搅拌摩擦焊接方式。
[0058] 搅拌头的气体保护装置7围绕轴肩，为喷嘴22结构形状，内部设置有气筛23，使保护气体形成层流在搅拌头轴肩四周喷出，气体保护装置7通过绝缘支撑板21和绝缘支撑组件18与摩擦焊机固定，并与碳电刷5和搅拌头本体1绝缘，气体保护装置7的喷嘴22为陶瓷材料，通过两侧进气管24供给保护气体，使摩擦焊接区和热影响区高温金属获得良好保护，防止氧化产生，降低焊缝质量，实现优质搅拌摩擦焊接头。
[0059] 搅拌头的温度传感装置是无源无线的高温传感测量系统，由温度传感器8，发射器9和接受器构成，温度传感器8是热电阻式温度感应器，深埋植于搅拌头的轴肩端面处，发射器9位于搅拌头本体上部与温度感应器连接，通过固定于摩擦焊机上的接受器接受信号，利用计算机实现搅拌肩及其附近温度的实时无源无线电阻式感应温度检测；而安装在搅拌头与摩擦焊机主轴夹持连接的部位的轴向和径向压力传感器10，发射器15和接受器构成实现搅拌摩擦焊轴向和径向负载或力矩的无线传感检测系统，绝缘件11和绝缘件27将载流的搅拌头与搅拌摩擦焊机及其主轴绝缘，工件25和导电块26与焊接夹具绝缘，保证载流摩擦焊接安全和辅助电流有效回路的形成。
[0060] 如图2、图3和图4所示，搅拌头的密封装置主要包括动密封构件12，动密封构件12为唇型密封结构，是一种接触型的相对于复合式铜管3轴旋转的动密封形式，同时具有绝缘、密封和运动三种特性，保证了在搅拌头腔体2冷凝液态介质的密封润滑，以及腔体2与复合式铜管3之间的密封，并且使搅拌头本体1能旋转运动而不受到影响，实现对搅拌头本体1的温度控制。图3所示为唇型动密封的正向弹簧位置与密封性能示意图；图4所示为唇型动密封的密封特性曲线图。
[0061] 搅拌头的基体采用不锈钢材料，搅拌针17为锥形结构或者圆柱形结构；
[0062] 在搅拌针表面和轴肩端面，采用Ti纳米改性的PVD共同沉积MoS2/Ti纳米复合膜，
[0063] 或者，采用真空烧结氮化方法制备以纳米TiN改性的Ti(C，N)基金属陶瓷材料，[0064] 或者，使用PVD方法共同沉积的类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM，[0065] 或者，使用PVD方法制备的类金刚石纳米复合膜，
[0066] 对搅拌针17和轴肩6进行强化处理，以增强搅拌头关键部位的抗磨损、抗氧化、抗高温的能力，大幅度提高搅拌头的使用寿命。
[0067] 本发明的搅拌摩擦焊的搅拌头，在以下领域的用途：
[0068] 用于高熔点金属及其合金的焊接，碳钢、合金钢、钛合金、不锈钢、高温合金钢；
[0069] 用于低熔点金属及其合金的焊接：铝合金、镁合金、铜及其合金；
[0070] 用于常规搅拌摩擦焊接：包括搅拌摩擦点焊，搅拌摩擦塞焊；
[0071] 用于载流搅拌摩擦焊接：包括载流搅拌摩擦点焊，载流搅拌摩擦塞焊；
[0072] 用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒。
[0073] 二.一种载流搅拌摩擦焊接方法
[0074] 本发明的搅拌摩擦焊接方法是一种基于内生电阻热的载流搅拌摩擦复合焊接新方法，采用本发明的搅拌头实现高熔点金属和低熔点轻合金的载流搅拌摩擦焊接。其具体过程如下：
[0075] 如图1所示，搅拌头的搅拌针17与工件25紧密接触旋转并缓慢压入，在产生搅拌摩擦热的同时，在载流条件下，辅助电流从搅拌头流出，辅助电流经过焊接区域时因接触电阻最大而在焊接搅拌区域最先产生电阻热，该电阻热与搅拌摩擦热复合，促使被焊工件25温度快速升高，当焊缝母材软化塑变时，搅拌针17迅速旋转插入工件25，当搅拌针17旋转插入到焊接工件25所要求的深度后，搅拌头整体开始向前运动，导电块26也同时随搅拌头运动，保持与搅拌头的相对距离不变，在搅拌头的温度控制系统、气体保护系统和参数检测监控系统的共同作用下，使工件25两侧分离的母材因摩擦搅拌、塑变流动、回复与再结晶、挤压成型而连接为一体，形成良好的固相焊缝，完成载流搅拌摩擦复合焊接过程，实现高效、低成本、优质搅拌摩擦焊接接头。
[0076] 本发明的搅拌摩擦焊接方法，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为普通直流电流产生内生电阻热；
[0077] 或者，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为工频交流电流产生内生电阻热；
[0078] 或者，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为脉冲直流电流产生内生电阻热，包括脉冲频率、占空比、脉冲时间参、脉冲幅值参数的调节与变化；
[0079] 或者，载流搅拌摩擦焊的辅助电流为变极性脉冲直流电流产生内生电阻热，包括脉冲频率、占空比、脉冲时间参、脉冲幅值参数的调节与变化。
[0080] 本发明的搅拌摩擦焊接方法，负载电流由普通直流电弧焊接电源提供，或普通交流电弧焊接电源提供，或普通电阻焊接电源提供，或数字式逆变电弧焊接电源提供，或数字式逆变电阻焊接电源提供。
[0081] 本发明的搅拌摩擦焊接方法，载流搅拌摩擦焊保护气体为惰性气体：包括氩气、氦气一元气体，以及相互混合的二元气体；
[0082] 或者，载流搅拌摩擦焊保护气体为活性气体：包括氮气、二氧化碳、氧气一元气体，以及与惰性气体混合的二元或多元气体；。
[0083] 本发明的搅拌摩擦焊接方法，载流搅拌摩擦焊的导电块26安装在工件25焊缝背面，以焊接运动的方向为基准，导电块26处于与搅拌针17相对位置的前面，实现预热模式载流搅拌摩擦焊接，或者导电块26处于与搅拌针17的相对位置的后面，实现热处理模式载流搅拌摩擦焊接；或者导电块26处于与搅拌针17正下方，实现常规的载流搅拌摩擦焊接；
[0084] 或者，载流搅拌摩擦焊的导电块26安装在工件25焊缝侧面，以焊接运动的方向为基准，导电块26处于与搅拌针17相对位置的前面，实现预热模式载流搅拌摩擦焊接，或者导电块26处于与搅拌针17相对位置的后面，实现热处理模式载流搅拌摩擦焊接。
[0085] 本发明的搅拌摩擦焊接方法，在以下方面的用途：
[0086] 用于黑色和有色金属及其合金材质的搅拌摩擦焊接，包括：碳钢，合金钢，高温合金，不锈钢，铜及其合金，铝及其合金，镁及其合金，钛及其合金；
[0087] 用于点焊、对接、搭接、角接、全位置的多种焊接接头形式；
[0088] 用于表面改性处理，包括单一材料的单层表面堆敷改性处理，或多层表面堆敷改性处理，或多种材料的单层表面堆敷改性处理、多层表面堆敷改性处理，或梯度材料的多层表面堆敷改性处理；
[0089] 用于剧烈塑性变形制备超细晶粒或纳米晶粒，包括高熔点金属材料和低熔点金属材料的超细晶粒或纳米晶粒制备。
[0090] 下面简述一下本发明的基本原理和特点：
[0091] 采用基于内生电阻热的搅拌摩擦复合焊接新方法的基本原理是：在搅拌摩擦焊接过程中，通过搅拌头对摩擦界面导通以辅助电流时(可为直流、交流或者脉冲等形式)，(1)首先，软化焊缝金属使其易于塑变，形成软化塑变流动通道，有利于搅拌头压入等初始焊接过程；(2)其次，在搅拌摩擦区或塑变界面因为搅拌摩擦造成局部不均匀性，利用在搅拌区或界面或洋葱环间接触电阻最大的原理而形成内生电阻热，与搅拌摩擦热伴生并同时输入焊缝，这样可以使用普通材料的搅拌头进行高熔点金属搅拌摩擦焊接；(3)同时，因为在辅助电流密度作用下，促使焊缝金属软化与塑变流动状态的快速形成，可明显提高搅拌头的使用寿命，极大地降低了搅拌头成本，提高了焊接效率；(4)最后，因为辅助内生电阻热的输入，拓宽了搅拌摩擦焊接工艺区间和范围，在相同设备功率和装机容量下有利于更厚板轻金属搅拌摩擦焊接，改善轻金属焊接缺陷。
[0092] 采用基于内生电阻热的搅拌摩擦复合焊接新方法有如下优点：(1)对低熔点金属搅拌摩擦界面导通辅助电流，在界面或搅拌区形成内生电阻热，与摩擦热复合共同作用，提高焊缝成形质量，拓展搅拌摩擦焊接工艺窗口，增加厚板搅拌摩擦焊适应性；(2)在高熔点金属搅拌摩擦焊接过程中，可以解决采用常规搅拌摩擦焊接在焊接区或界面处产热不足与连接困难的问题，降低对搅拌头材料和制造工艺的要求，减少搅拌头成本，提高搅拌头使用寿命，实现低成本的优质连接；(3)从搅拌头导入辅助电流，并不需要增加一套复杂的焊接系统(如激光)，焊接设备结构简单、没有大的改变；内生的电阻热与摩擦热同时产生与输入，满足接头仍然处于固相焊接的要求，获得无缺陷、无弱结合面的优质接头，保持了搅拌摩擦焊接技术优势。本发明对与搅拌摩擦在我国航空航天、国防、军事等领域拓展应用具有重要意义。
[0093] 三.具体实施例：
[0094] 下述实施例是按照本发明提供的搅拌头和搅拌摩擦焊接方法来实施的，但并不意味着是对本发明保护范围的限制。
[0095] 例1：采用本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接1.6mm厚的Q235碳钢，焊接工艺参数如下：采用数字式电弧焊接电源提供辅助电流，辅助电流为150-500A，搅拌头转数200-1500rmp，焊接速度0.1-1.2m/min，氩气保护10-30L/min。
[0096] 例2：采用本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接2.8mm厚的304不锈钢，焊接工艺参数如下：采用数字式逆变中频交流电阻焊接电源提供辅助电流，辅助电流功率为20VA-5KVA，频率为120-800Hz，搅拌头转数300-1200rmp，焊接速度0.1-0.8m/min，氮气保护18-30L/min。
[0097] 例3：采用本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接3.2mm厚的TC4钛合金，焊接工艺参数如下：采用数字式逆变高频交流电阻焊接电源提供辅助电流，辅助电流功率为300VA-1KVA，频率为1200-2000Hz，搅拌头转数250-2000rmp，焊接速度0.1-1.0m/min，氩气保护15-30L/min。
[0098] 例4：采用本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接5mm厚的铝合金，焊接工艺参数如下：采用数字式逆变脉冲电弧焊接电源提供辅助电流，辅助电流为300-800A，频率为20-100Hz，搅拌头转数300-1000rmp，焊接速度0.3-1.6m/min，氩气+10％的氦气混合气体保护20-30L/min。
[0099] 例5：采用本搅拌头，搅拌摩擦焊接3mm厚的镁合金，焊接工艺参数如下：搅拌头转数300-1000rmp，焊接速度0.1-0.8m/min，氩气保护20-30L/min。
[0100] 例6：采用本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接2mm厚的高温合金，焊接工艺参数如下：采用数字式逆变高频交流电阻焊接电源提供辅助电流，辅助电流功率为500VA-5KVA，频率为1500-2000Hz，搅拌头转数300-3000rmp，焊接速度0.1-0.8m/min，氩气保护15-30L/min。
[0101] 例7：采用本搅拌头，在3mm厚的紫铜上载流搅拌摩擦制备超细晶和纳米晶粒，载流搅拌摩擦的工艺参数如下：采用数字式脉冲电弧焊接电源提供辅助电流，辅助电流为200-600A，频率为20-120Hz，搅拌头转数300-3000rmp，速度0.1-1.6m/min，氮气保护20-30L/min。
[0102] 例8：使用类石墨/Cr复合镀层Graphit-iCTM改性搅拌针的本搅拌头，载流搅拌摩擦焊接2.0mm厚的双相不锈钢，焊接工艺参数如下：采用数字式电弧焊接电源提供辅助电流，辅助电流为200-600A，搅拌头转数300-1000rmp，焊接速度0.1-0.6m/min，氮气保护10-30L/min。
