一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，它涉及一种三层气体保护罩。本发明为了解决现有的保护装置随焊保护的区域较小且对已成形焊缝缺少必要的气体保护，从使焊缝在成形和冷却过程中由于保护不良而导致性能降低的问题。本发明包括内气罩(1)、中层气罩(2)、外气罩(3)、内气罩进气嘴(4)、中层气罩进气嘴(5)、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴(6)和外气罩拖尾段进气嘴(7)；内气罩(1)、中层气罩(2)与外气罩(3)沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩(1)装在中层气罩(2)的空腔内，中层气罩(2)装在外气罩(3)的空腔内。本发明用于钛及钛合金搅拌摩擦焊。
1.一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，其特征在于：它包括内气罩(1)、中层气罩(2)、外气罩(3)、内气罩进气嘴(4)、中层气罩进气嘴(5)、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴(6)和外气罩拖尾段进气嘴(7)；内气罩(1)、中层气罩(2)与外气罩(3)沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩(1)装在中层气罩(2)的空腔内，中层气罩(2)装在外气罩(3)的空腔内，内气罩(1)的外部形状为由上至下依次制成一体的内气罩圆柱形配合段(1-1)、内气罩圆柱形气体进入段(1-2)和内气罩圆台形气体流出段(1-3)组成，内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的外径小于内气罩圆柱形配合段(1-1)的外径，内气罩圆台形气体流出段(1-3)的上端外径大于其下端外径，内气罩圆台形气体流出段(1-3)的上端外径与内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的外径相等，内气罩圆柱形配合段(1-1)的上端面沿圆周方向开有用于与中层气罩(2)装配的多个第一连接孔(1-4)，内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的侧壁上沿径向开有一个第一进气孔；
中层气罩(2)的外部形状为由上至下依次制成一体的中层气罩圆柱形配合段(2-1)、中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)和中层气罩圆台形气体流出段(2-3)组成，中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)的外径小于中层气罩圆柱形配合段(2-1)的外径，中层气罩圆台形气体流出段(2-3)的上端外径大于其下端外径，中层气罩圆台形气体流出段(2-3)的上端外径与中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)的外径相等，中层气罩圆柱形配合段(2-1)的上端面沿圆周方向开有与外气罩装配的多个第二连接孔(2-4)，中层气罩圆柱形配合段(2-1)上与多个第一连接孔(1-4)相对应位置处开有用于与内气罩(1)装配的多个螺纹孔(2-5)，中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)的侧壁上对称开有两个第二进气孔，中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)与内气罩圆柱形气体进入段(1-2)之间以及中层气罩圆台形气体流出段(2-3)与内气罩圆台形气体流出段(1-3)之间均分别设有间距；
外气罩(3)的外部形状为由上至下依次制成一体的外气罩圆柱形配合段(3-1)、外气罩圆柱形气体进入段(3-2)、外气罩圆台形气体流出段(3-3)和外气罩拖尾段(3-4)组成，外气罩圆柱形气体进入段(3-2)的外径小于外气罩圆柱形配合段(3-1)的外径，外气罩圆台形气体流出段(3-3)的上端外径大于其下端外径，外气罩圆台形气体流出段(3-3)的上端外径与外气罩圆柱形气体进入段(3-2)的外径相等，外气罩拖尾段(3-4)的末端距三层气罩轴心距离是内气罩贯通空腔直径的2.5倍，外气罩拖尾段(3-4)由与内气罩贯通空腔直径相等的半圆柱组成，外气罩圆柱形配合段(3-1)的上端面沿圆周方向开有与焊机装配的多个第三连接孔(3-5)，外气罩圆柱形配合段(3-1)上与多个第二连接孔相对应位置处开有用于与中层气罩装配的多个螺纹孔(3-6)，外气罩圆柱形气体进入段(3-2)的侧壁上开有三个第三进气孔，内气罩进气嘴(4)穿过外气罩圆柱形气体进入段(3-2)上的三个第三进气孔中的任意一个并穿过中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段(1-2)上的第一进气孔伸入内气罩圆柱形气体进入段(1-2)的空腔内，中层气罩进气嘴(5)穿过外气罩圆柱形气体进入段(3-2)上的三个第三进气孔中的剩余两个中的任意一个和中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)上的第二进气孔中的剩余一个伸入中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)的空腔内，外气罩圆柱形气体进入段进气嘴(6)穿过外气罩圆柱形气体进入段(3-2)上的三个第三进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段(3-2)和中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)之间，外气罩拖尾段进气嘴(7)穿过拖尾段厚度进入外气罩拖尾段(3-4)，外气罩圆柱形气体进入段(3-2)与中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)之间以及外气罩圆台形气体流出段(3-3)与中层气罩圆台形气体流出段(2-3)之间均分别设有间距。
2.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，其特征在于：所述内气罩(1)、中层气罩(2)、外气罩(3)、内气罩进气嘴(4)、中层气罩进气嘴(5)、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴(6)和外气罩拖尾段进气嘴(7)均采用不锈钢制成。
3.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，其特征在于：所述外气罩圆柱形气体进入段(3-2)和中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)之间以及中层气罩圆柱形气体进入段(2-2)和内气罩圆柱形气体进入段(1-2)之间的间距均为4-6mm。
4.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，其特征在于：所述外气罩圆台形气体流出段(3-3)的锥角(α)为30°-45°，中层气罩圆台形气体流出段(2-3)的锥角(β)和内气罩圆台形气体流出段(1-3)的锥角(γ)相等均为
5.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，其特征在于：所述中层气罩圆台形气体流出段(2-3)和内气罩圆台形气体流出段(1-3)之间的距离为2-3mm。
6.根据权利要求1所述的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，其特征在于：所述第一连接孔(1-4)为光孔，第一连接孔(1-4)的数量为六个，六个第一连接孔(1-4)沿内气罩圆柱形配合段(1-1)的圆周方向均匀分布，所述第二连接孔(2-4)为光孔，第二连接孔(2-4)的数量为六个，六个第二连接孔(2-4)沿中层气罩圆柱形配合段(2-1)的圆周方向均匀分布，第三连接孔(3-5)为光孔，第三连接孔(3-5)的数量为六个，六个第三连接孔(3-5)沿外气罩圆柱形配合段(3-1)的圆周方向均匀分布。
一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩
技术领域
[0001] 本发明涉及一种三层气体保护罩，具体涉及一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩，属于焊接技术领域。
背景技术
[0002] 搅拌摩擦焊作为一种新型连接技术，是英国焊接研究所于20世纪90年代初首先提出并进行研究的一种固相连接方法。基于搅拌摩擦焊技术的简单、优质、高效、环保及自动化等方面的诸多优越性，经过世界范围内20多年的研究和开发，搅拌摩擦焊已经在轻金属材料领域得到非常瞩目的发展和很多成功的工业化应用，其中钛合金等高熔点材料逐渐成为搅拌摩擦焊的研究热点。与低熔点材料不同的是，高熔点材料在高温下才能塑化并实现焊接，焊接过程中需防止被焊材料与空气组分反应而影响焊接质量，对于活性较强的钛合金而言更是如此。
[0003] 针对钛及钛合金搅拌摩擦焊过程保护问题，洛克希德-马丁公司和南卡莱罗纳大学的研究人员将工件置于充满保护气体的封闭气室内进行焊接[5th International Friction Stir Welding Symposium,Metz,2004]。采用这种方式保护效果较好，但是需要考虑密封及工件结构尺寸等因素，导致气室结构复杂且适应性较差。中国专利公开号为CN101780601A中提出一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用双层气体保护罩，焊接过程中保护气体分别由内气罩进气嘴和外气罩进气嘴进入内气罩及内气罩与外气罩之间的区域内，并从内气罩的气体流出口和内气罩与外气罩之间的气体流出口流出，从而对焊接区域进行随焊保护。但现有的这种保护装置随焊保护的区域较小且对已成形焊缝缺少必要的气体保护，从使焊缝在成形和冷却过程中由于保护不良而导致性能降低。
发明内容
[0004] 本发明的目的是为了解决现有的保护装置随焊保护的区域较小且对已成形焊缝缺少必要的气体保护，从使焊缝在成形和冷却过程中由于保护不良而导致性能降低的问题。进而提供一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩。
[0005] 本发明的技术方案是：一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩包括内气罩、中层气罩、外气罩、内气罩进气嘴、中层气罩进气嘴、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴和外气罩拖尾段进气嘴；内气罩、中层气罩与外气罩沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩装在中层气罩的空腔内，中层气罩装在外气罩的空腔内，
[0006] 内气罩的外部形状为由上至下依次制成一体的内气罩圆柱形配合段、内气罩圆柱形气体进入段和内气罩圆台形气体流出段组成，内气罩圆柱形气体进入段的外径小于内气罩内气罩圆柱形配合段的外径，内气罩圆台形气体流出段的上端外径大于其下端外径，内气罩圆台形气体流出段的上端外径与内气罩圆柱形气体进入段的外径相等，内气罩内气罩圆柱形配合段的上端面沿圆周方向开有用于与中层气罩装配的多个第一连接孔，内气罩圆柱形气体进入段的侧壁上沿径向开有一个第一进气孔；
[0007] 中层气罩的外部形状为由上至下依次制成一体的中层气罩圆柱形配合段、中层气罩圆柱形气体进入段和中层气罩圆台形气体流出段组成，中层气罩圆柱形气体进入段的外径小于中层气罩圆柱形配合段的外径，中层气罩圆台形气体流出段的上端外径大于其下端外径，中层气罩圆台形气体流出段的上端外径与中层气罩圆柱形气体进入段的外径相等，中层气罩圆柱形配合段的上端面沿圆周方向开有与外气罩装配的多个第二连接孔，中层气罩圆柱形配合段上与多个第一连接孔相对应位置处开有用于与内气罩装配的多个螺纹孔，中层气罩圆柱形气体进入段的侧壁上对称开有两个第二进气孔，中层气罩圆柱形气体进入段与内气罩圆柱形气体进入段之间以及中层气罩圆台形气体流出段与内气罩圆台形气体流出段之间均分别设有间距；
[0008] 外气罩的外部形状为由上至下依次制成一体的外气罩圆柱形配合段、外气罩圆柱形气体进入段、外气罩圆台形气体流出段和外气罩拖尾段组成，外气罩圆柱形气体进入段的外径小于外气罩圆柱形配合段的外径，外罩圆台形气体流出段的上端外径大于其下端外径，外气罩圆台形气体流出段的上端外径与外气罩圆柱形气体进入段的外径相等，外气罩拖尾段的末端距三层气罩轴心距离是内气罩贯通空腔直径的2.5倍，外气罩拖尾段由与内气罩贯通空腔直径相等的半圆柱组成，外气罩圆柱形配合段的上端面沿圆周方向开有与焊机装配的多个第三连接孔，外气罩圆柱形配合段上与多个第二连接孔相对应位置处开有用于与中层气罩装配的多个螺纹孔，外气罩圆柱形气体进入段的侧壁上开有三个第三进气孔，内气罩进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的三个第三进气孔中的任意一个并穿过中层气罩圆柱形气体进入段上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段上的第一进气孔伸入内气罩圆柱形气体进入段的空腔内，中层气罩进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的三个第三进气孔中的剩余两个中的任意一个和中层气罩圆柱形气体进入段上的第二进气孔中的剩余一个伸入中层气罩圆柱形气体进入段的空腔内，外气罩圆柱形气体进入段进气嘴穿过外气罩圆柱形气体进入段上的三个第三进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段和中层气罩圆柱形气体进入段之间，外气罩拖尾段进气嘴穿过拖尾段厚度进入外气罩拖尾段，外气罩圆柱形气体进入段与中层气罩圆柱形气体进入段之间以及外气罩圆台形气体流出段与中层气罩圆台形气体流出段之间均分别设有间距。
[0009] 本发明与现有技术相比具有以下效果：
[0010] 本发明利用内气罩、中层气罩、外气罩、内气罩进气嘴、中层气罩进气嘴、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴、外气罩拖尾段进气嘴组成的三层气体保护罩加拖尾，使保护气体在焊接过程中分别由内气罩进气嘴、中层气罩进气嘴、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴和外气罩拖尾段进气嘴进入内气罩、内气罩与中层气罩之间的区域、中层气罩与外气罩之间的区域及拖尾区域内，并从内气罩气体流出口、内气罩与中层气罩之间的气体流出口、中层气罩与外气罩之间的气体流出口和拖尾段流出，从而对焊接区和已成形焊缝区进行随焊保护。采用这种设计，除了在内气罩、中层气罩以及内气罩与中层气罩之间的区域提供保护气体外，还能在外气罩与中层气罩之间的区域以及拖尾段提供气体。这些气体的存在，可进一步将周围的空气完全隔离在焊接区和处于冷却过程的已成形焊缝以外，从而使焊接区和处于冷却过程的焊缝得到比双层气罩更好的保护效果。因此，采用这种设计可以对焊接区域和处于冷却过程的焊缝提供稳定的气体保护，从而保证钛及钛合金的搅拌摩擦焊接质量。
附图说明
[0011] 图1是本发明的三层气体保护罩的立体分解图；图2是本发明的三层气体保护罩的主视剖视图；图3是图1的A-A剖视图。
具体实施方式
[0012] 具体实施方式一：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的一种钛及钛合金搅拌摩擦焊用三层气体保护罩包括内气罩1、中层气罩2、外气罩3、内气罩进气嘴4、中层气罩进气嘴5、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴6和外气罩拖尾段进气嘴7；内气罩1、中层气罩2与外气罩3沿轴向均设有贯通的空腔，内气罩1装在中层气罩2的空腔内，中层气罩2装在外气罩3的空腔内，
[0013] 内气罩1的外部形状为由上至下依次制成一体的内气罩圆柱形配合段1-1、内气罩圆柱形气体进入段1-2和内气罩圆台形气体流出段1-3组成，内气罩圆柱形气体进入段1-2的外径小于内气罩内气罩圆柱形配合段1-1的外径，内气罩圆台形气体流出段1-3的上端外径大于其下端外径，内气罩圆台形气体流出段1-3的上端外径与内气罩圆柱形气体进入段1-2的外径相等，内气罩内气罩圆柱形配合段1-1的上端面沿圆周方向开有用于与中层气罩2装配的多个第一连接孔1-4，内气罩圆柱形气体进入段1-2的侧壁上沿径向开有一个第一进气孔；
[0014] 中层气罩2的外部形状为由上至下依次制成一体的中层气罩圆柱形配合段2-1、中层气罩圆柱形气体进入段2-2和中层气罩圆台形气体流出段2-3组成，中层气罩圆柱形气体进入段2-2的外径小于中层气罩圆柱形配合段2-1的外径，中层气罩圆台形气体流出段2-3的上端外径大于其下端外径，中层气罩圆台形气体流出段2-3的上端外径与中层气罩圆柱形气体进入段2-2的外径相等，中层气罩圆柱形配合段2-1的上端面沿圆周方向开有与外气罩装配的多个第二连接孔2-4，中层气罩圆柱形配合段2-1上与多个第一连接孔1-4相对应位置处开有用于与内气罩1装配的多个螺纹孔2-5，中层气罩圆柱形气体进入段
2-2的侧壁上对称开有两个第二进气孔，中层气罩圆柱形气体进入段2-2与内气罩圆柱形气体进入段1-2之间以及中层气罩圆台形气体流出段2-3与内气罩圆台形气体流出段1-3之间均分别设有间距；
[0015] 外气罩3的外部形状为由上至下依次制成一体的外气罩圆柱形配合段3-1、外气罩圆柱形气体进入段3-2、外气罩圆台形气体流出段3-3和外气罩拖尾段3-4组成，外气罩圆柱形气体进入段3-2的外径小于外气罩圆柱形配合段3-1的外径，外罩圆台形气体流出段3-3的上端外径大于其下端外径，外气罩圆台形气体流出段3-3的上端外径与外气罩圆柱形气体进入段3-2的外径相等，外气罩拖尾段3-4的末端距三层气罩轴心距离是内气罩贯通空腔直径的2.5倍，外气罩拖尾段3-4由与内气罩贯通空腔直径相等的半圆柱组成，外气罩圆柱形配合段3-1的上端面沿圆周方向开有与焊机装配的多个第三连接孔3-5，外气罩圆柱形配合段3-1上与多个第二连接孔相对应位置处开有用于与中层气罩装配的多个螺纹孔3-6，外气罩圆柱形气体进入段3-2的侧壁上开有三个第三进气孔，内气罩进气嘴4穿过外气罩圆柱形气体进入段3-2上的三个第三进气孔中的任意一个并穿过中层气罩圆柱形气体进入段2-2上的两个第二进气孔中的任意一个和内气罩圆柱形气体进入段1-2上的第一进气孔伸入内气罩圆柱形气体进入段1-2的空腔内，中层气罩进气嘴5穿过外气罩圆柱形气体进入段3-2上的三个第三进气孔中的剩余两个中的任意一个和中层气罩圆柱形气体进入段2-2上的第二进气孔中的剩余一个伸入中层气罩圆柱形气体进入段2-2的空腔内，外气罩圆柱形气体进入段进气嘴6穿过外气罩圆柱形气体进入段3-2上的三个第三进气孔中的剩余一个伸入外气罩圆柱形气体进入段3-2和中层气罩圆柱形气体进入段2-2之间，外气罩拖尾段进气嘴7穿过拖尾段厚度进入外气罩拖尾段3-4，外气罩圆柱形气体进入段3-2与中层气罩圆柱形气体进入段2-2之间以及外气罩圆台形气体流出段3-3与中层气罩圆台形气体流出段2-3之间均分别设有间距。
[0016] 具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的内气罩1、中层气罩2、外气罩3、内气罩进气嘴4、中层气罩进气嘴5、外气罩圆柱形气体进入段进气嘴6和外气罩拖尾段进气嘴7均采用不锈钢制成。如此设置，以保证长期工作过程中具有光洁的表面和尺寸稳定性。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
[0017] 具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的内气罩进气嘴4距离内气罩圆柱形气体进入段1-2的内壁1-2mm。如此设置，以保证气体可靠流入内气罩1。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。
[0018] 具体实施方式四：结合图2说明本实施方式，本实施方式的中层气罩进气嘴5距离中层气罩圆柱形气体进入段2-2的内壁1-2mm。如此设置，以保证气体可靠流入中层气罩2和内气罩1之间的区域。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。
[0019] 具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的外气罩圆柱形气体进入段进气嘴6距离外气罩圆柱形气体进入段3-2的内壁1-2mm。如此设置，以保证气体可靠流入外气罩3和中层气罩2之间的区域。其他组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。
[0020] 具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式的外气罩拖尾段进气嘴7距离外气罩拖尾段3-4的内壁1-2mm。如此设置，以保证气体可靠流入外气罩拖尾段3-4区域。其他组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。
[0021] 具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的外气罩圆柱形气体进入段3-2和中层气罩圆柱形气体进入段2-2之间以及中层气罩圆柱形气体进入段2-2和内气罩圆柱形气体进入段1-2之间的间距均为4-6mm。如此设置，以保证气体稳定流动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。
[0022] 具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的外气罩圆台形气体流出段3-3的锥角α为30°-45°，中层气罩圆台形气体流出段2-3的锥角β和内气罩圆台形气体流出段1-3的锥角γ相等均为90°-120°，外气罩拖尾段3-4的倾角θ为20°-30°。如此设置，以保证气体稳定流动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。
[0023] 具体实施方式九：结合图2说明本实施方式，本实施方式的中层气罩圆台形气体流出段2-3和内气罩圆台形气体流出段1-3之间的距离为2-3mm。如此设置，以保证气体稳定流出。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。
[0024] 具体实施方式十：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第一连接孔1-4为光孔，第一连接孔1-4的数量为六个，六个第一连接孔1-4沿内气罩圆柱形配合段1-1的圆周方向均匀分布。如此设置，以保证中层气罩圆柱形配合段2-1和内气罩柱形配合段1-1之间的紧密结合。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。
[0025] 具体实施方式十一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的第二连接孔2-4为光孔，第二连接孔2-4的数量为六个，六个第二连接孔2-4沿中层气罩圆柱形配合段
2-1的圆周方向均匀分布，第三连接孔3-5为光孔，第三连接孔3-5的数量为六个，六个第三连接孔3-5沿外气罩圆柱形配合段3-1的圆周方向均匀分布。如此设置，以保证外气罩圆柱形配合段3-1上端面与焊机之间的紧密结合。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八、九或十相同。
[0026] 本发明能够对焊接区域和处于冷却过程的焊缝区提供稳定的气体保护，从而保证钛及钛合金的搅拌摩擦焊接质量，用于钛及钛合金搅拌摩擦焊。
[0027] 虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。
