CN1010664B - 摩擦焊 - Google Patents

Abstract

可移动式摩擦焊设备包括一个驱动马达，使一对工件相对转动。一个飞轮之类的辅助储能器同轴安装在驱动马达的驱动轴上。两工件随着马达相对于其支撑外壳的移动而互相压紧在一起。飞轮可以提供足够能量，使两工件之间在初始接触时所产生的抵抗扭矩被减小，基本上等于或小于驱动装置的驱动扭矩。

Description

本发明涉及摩擦焊方法和设备。

在传统的摩擦焊中，一对工件相互压紧下，使它们相对旋转运动。一般地说，一旦两工件的接合面产生足够热以后，停止相对转动，使工件在顶锻压力下相互压紧，顶锻压力可以相等于或大于原始压紧力。

传统摩擦焊的问题之一是在两工件初始接触时发生的。这时，两工件之间发生显著的干摩擦，需要显著增加能量以克服干摩擦。例如，焊接直径为10mm的螺柱时，初始摩擦扭矩的范围是30-40牛顿米。过去解决这个问题的方法是设计一种驱动马达，能够提供足够的驱动扭矩来克服干摩擦。这种驱动马达在固定式摩擦焊设备中是可以容许的，但是对于设计可移动式摩擦焊设备则不是一种满意的解决方法。目前要求在使用焊接工件的工地上完成摩擦焊。这和过去的生产方法正相反，过去是把工件带到摩擦焊设备上进行焊接，然后再运回使用地点。但是，适合于移动式摩擦焊设备的驱动马达，一般只有8牛顿米的驱动扭矩。因此，在上面提到的实例中，在焊接10mm直径的螺柱时，在触地时的净抵抗扭矩超过20牛顿米。马达迅速减速，使摩擦热减少，不能形成表面熔化。这样，在开始焊接以前，马达停转。因此，马达额定功率需要增加两三倍，使其轻便性不可行。

因此，本发明的目的是提供一种紧凑、更有效率和更加廉价的焊接方法和设备，并且可以设计出移动式摩擦焊设备。

根据本发明的一个方面，摩擦焊的方法包括启动驱动装置，驱动装置和一个主能源连接，使一对工件相对转动，它还和一个辅助能源连接;使工件在压力下相互接触，辅助能源能够提供供驱动装置以足够的附加能量，使驱动装置克服工件之间在初始接触时产生的抵抗扭矩的作用。

根据本发明的第二个方面，摩擦焊设备包括驱动装置，它和一个使用的主能源连接，使一对工件相对转动;一个辅助的储能器和驱动装置连接。还有挤压工件使其相互接触的装置。辅助储能器能够提供驱动装置以足够的附加能量，使驱动装置克服工件之间在初始接触时产生的抵抗扭矩的作用。

本发明可以获得紧凑、更有效率和更加廉价的焊接方法和设备，并且可以设计出移动式摩擦焊设备。

克服初始接触时产生的高抵抗扭矩的问题，可以通过使驱动装置和一个辅助能源连接来解决，辅助能源在接触阶段提供附加能源。足够的附加能源使驱动装置在工件初始接触时的减速被限制在允许的界限内，一直到抵抗扭矩下降到基本上等于或小于驱动装置的容量为止。换句话说，在驱动装置停转以前，驱动装置的驱动扭矩和工件之间的抵抗扭矩达到平衡。此后，驱动装置就可以根据主能源能量提供出焊接循环所需要的独立能量。

本发明和传统的摩擦焊设备相反，后者采用了诸如飞轮之类的辅助能源。在传统设备中，附加惯量是用来提供整个焊接能量的，因此需要非常笨重的飞轮。但是，在本发明的场合下，该附加惯量只用于在焊接初期阶段增加能量的供应。按照此方法，本焊机和那些在焊接时其输入能量全部依靠马达功率设备相比，其容量显著增大。

所使用惯量的大小随被焊工件的种类而变化。

一般地说，该焊接方法还包括在两工件接合面上产生足够热量以后停止其相对转动的步骤，并包括其后的在顶锻压力下使工件压紧在一起。

辅助储能器最好只储存刚好足够的（惯性）能量，用于克服驱动装置运转速度上的接触摩擦阻力。这样使辅助储能器的尺寸尽量减小，而这对移动式摩擦焊设备是很重要的。

辅助储能器最好和驱动装置的转动部分相连接。这种连接可以使用 适当的传动装置来实现，例如储能器（如安装的可转动件）和驱动装置的可能动部分之间的一条或多条皮带。但是，从更方便的角度来说，储能器包括一个飞轮，和驱动装置的驱动轴相连接，并和驱动轴一起旋转。飞轮可以更方便地同轴安装到传动轴上。

驱动装置可以采用任何方便的驱动马达，最好采用风动马达。

一般地说，该设备包括机壳，机壳支撑着驱动装置，驱动装置的驱动轴可相对于机壳轴向移动，飞轮也可相对于外壳轴向移动。

对于移动式摩擦焊设备，当被焊工件是黑色金属时，该设备可以用夹持装置直接安装到另一工件上。夹持装置包含一个或多个磁性件。磁性夹持件可以是永久磁性件，也可以是由一个或多个电磁件组成的。后一种装置有助于焊接后折卸该设备。

当工件是有色金属时，焊接设备可以用一个密封装置安装到工件上，该密封装置有一个真空闭合室。

下面参照附图，对本发明的摩擦焊设备的一个实例进行描述，附图中：

图1    是处在收缩位置的可移动式焊接器械的局部纵向剖视图;

图2    是一个和图1相似的视图，但所表示的器械是处于其伸出位置;

图3    是图1和2所示的器械的俯视图，某些局部用假想图表示;

图4    是气动控制回路图;

图5    是在一个螺柱摩擦焊循环中，扭矩、压力和转速的关系曲线图;

图6    是图1图2中的器械在焊接循环中对驱动马达驱动轴的能量供应曲线图;

图7    是一个把器械夹紧到工件上的装置（沿图8的7-7线截取）的局部纵向剖视图;

图8    是夹紧装置的俯视图，其中省略了该器械。

图中所示的移动式焊接器械有金属机壳，其上部1用螺栓（图中未 示）固定到下部2上。该焊接器械通常具有以轴心3为中心的环形截面，而机壳的下部2以阶梯形状沿器械的长度向着轴心3延伸。在机壳上部1安装有手柄4，还有第二手柄5从器械的一侧向外延伸。手柄5是中空的，通过带螺纹的插头5′和压缩空气源连接。压缩空气通过机壳上部1上的开口6进入器械。

器械的上部有一个活塞-气缸装置。活塞包括一个盘形件7，和轴心3同轴，其轴向延伸的插头部分8也和轴心3同轴。活塞安装在器械机壳内，用制动滑座81（见图3）限制其转动。插头部分8上有两个轴向间隔的孔9、10，共同形成了一个阀体，两孔的连接处截头锥体状部分11形成了一个阀座。插头部分8用0形密封圈13和机壳上部1的径向腹板12密封。活塞7可相对于机壳1、2自由轴向移动，但不能转动。

阀件14的截头锥体形状和部分11的形状相似，阀件14在部分8的孔9内，位于轴向延伸的指杆15上，该指杆15可移动地安装在机壳部分1上。

活塞7用螺栓固定在马达外壳16上，马达外壳有一个内圆筒部分17，圆筒上有径向向内伸出的环形凸缘18。活塞7通过圆筒部分17和叶片式风动马达20的座板19接合。马达20可以采用任何通用的叶片风动马达，在速度高达12000转/分时提供4KW的功率。

风动马达20包含转子21，可转动地支承在一个双列斜面接触轴承22和一个滚针轴承23上。转子21包含一个轴向延伸的整体部分24，有一个盲孔25。部分24端头26上加工有外螺纹，使夹具27能够安装在其上。

马达20还有一个调速器28。

轴向载荷通过转子21传给轴承22，再通过马达座板19和马达外壳16传给活塞7。

飞轮29用螺栓固定到盘状支撑件30上，后者固定到马达20的可转动驱动轴20′上。在另一种装置（图中未示）中，飞轮支撑件可用花键配 合和马达20连接，它们相互间可以轴向移动。飞轮支撑件30上有三个开口，在绕轴心3的圆周上间隔配置，其中一个开口31表示在图中。

马达外壳16用一个0形密封圈32密封在外壳部分2内。

从图1中可以看到，马达外壳16被压缩弹簧33向上推动，该弹簧是作用在外壳部分2的内台阶34和从内圆筒部分17整体地径向向外伸出的凸缘35之间的。

转子本身可以相对于马达外壳16的内圆筒部分17轴向滑动一个小的距离。该转子被一个作用在圆筒部分17的凸缘37和马达20的部分38上的外伸凸缘之间的片簧36所推动，推到如图1所示的位置。

设备的操过程如下述。把螺栓70（见图7）装在有适当传动构造的夹具27上。例如，夹具可以有六边形的结构。螺柱穿过夹具27，安放在部分24的盲孔25内。在盲孔25内可以安放装配套筒（图中未示）以适应不同长度的螺柱。可以把替换的夹具拧到转子21的部分24上，以适应不同的传动。

用磁性夹持器72把器械夹持在碳钢板工件71上，螺柱将被焊到该工件上，而器械是通过一个卡口连接器39固定到夹持器上。在其他装置中，可以使用管式夹持器，梁式夹持器和真空夹持器等。

磁性夹持器72（见图7和8）包括一对条形磁铁73，通过马蹄形滑座74连接在一起。和卡口连接器39夹紧的卡口座75，用螺栓82固定到夹持器顶板76上，后者又用螺栓79固定到支腿78上。使支腿沿着滑座74上的两平行榫槽83滑动，就可以调节板76相对于滑座的位置，使焊头在电磁铁73励磁以后可以进行对位。该位置可以用锁紧螺丝80固定住。

器械和压缩空气源，例如150立方英尺/分的压缩机连接，压缩空气直接从压缩机提取，或者使用170升容积8巴压力容器中的储能空气。

现在叙述一下，空气从手柄5流向马达20的通道的情况。空气经过开口6流入容腔40，再沿着第一通道进入活塞7轴向伸出部分8的孔10 中。空气再经过孔9进入活塞7和飞轮支撑件30之间的空腔41中去。然后，空气通过飞轮支撑件上的开孔31以及绕飞轮周边流入飞轮支撑件30和从马达外壳16径向伸出的腹板43之间的第二空腔42中去。然后，空气再通过马达座板19和马达安装板44上的开孔（图中未示）流入马达壳体45内。然后，空气从马达壳体45壁上的孔46排出，经过回位弹簧33，并从外壳部分2壁上的排出口47排出外壳部分之外。

器械的全部控制是用单一的起动器自动触发焊接循环的。按动一个安全起动器48，焊接循环就被启动，起动器把阀（图中未示）打开，使空气流过手柄5，经过前述的通道流入马达20中去。马达20被加速到其初始工作速度。空气也流过第二通道，从泄放孔49进入空腔50。对于小直径的螺柱来说，适用于把空气直接作用在活塞7上，克服弹簧33的力相对于外壳部分2推动马达外壳16。但是，这个简单的动作，并不增大机械能。在生产实践中，把从泄放孔49流出的空气用来做辅加控制，可以获得更加满意的效果。控制系统在图1中用51来示意表示，在图4中则详细表示出来。

在图4中，压缩空气源52供气给起动阀53。该阀由起动器48控制。运行时，如前所述从阀53进入空腔40的一部分空气通过泄放孔49，在这里分叉。在图4中同样也表示了，施加给泄放孔49中的压力通过孔10等直接施加给马达20，如前面所述。一条支路54导引空气经过调压器55，进入一个两位三通气动控制弹簧回位阀56的入口。另一条支路使压缩空气沿着管路57并经过时间调节器58和三通阀56的控制口连通。起初，控制空气压力不够大，不能克服回位弹簧的压力，因此，空腔50（在图4中只示意地表示）通过在螺栓59上形成的排出口和大气压力连通，该螺栓安装在外壳上部1上并支撑着阀56。经过大约两秒种的延时以后，控制压力克服回位弹簧的压力，使空气沿着管路54和空腔50连通，这个时间是由时间调节器确定的，足以使马达20达到满速，调压器55的使用， 可以使活塞免受供气压力波动的影响，并且可以根据不同的螺柱尺寸和条件来调节活塞压力。

摩擦焊接方法依靠摩擦表面所产生的热使材料熔化，然后在锻压下使两表面之间产生整体接头。在一个典型的摩擦焊接循环里，把螺柱在较小压力下压向工件，以较高速度旋转一定时间，使产生足够的热以实现表面熔化状态，然后使螺柱停止旋转，以更大的锻压压力把螺柱压向工件。在本实例中，整个焊接过程只采用单一的锻压压力。

图5中的曲线60，61和62表示在焊接循环中，转速、施加压力和抵抗扭矩的一般变化情况。参见图4，阀48被打开，把空气提供给马达，马达就迅速提高到最高速度，并把能量储存到飞轮中。一般延时两秒以后，阀56动作，空气从管路54经过调压器55提供给空腔50，产生一个顶锻压力，它在整个焊接循环中基本上是恒定的。因此，工件和螺柱之间的初始接触（触地）只有在马达加速到达工作速度以后才发生。在触地时会受到很大的抵抗扭矩，可能会超出马达的驱动扭矩。同时，马达和飞轮的转速减小，而飞轮中的动能被取出，用来在两磨损表面上建立一个熔化区。达到熔化后，抵抗扭矩下降，和马达的驱动容量相等，经过这段时间之后，转速基本保持恒定，而马达单独提供能量继续保持烧化阶段。在活塞轴向移动期间，阀座11慢慢趋近阀件14，直到最后，阀闭合，阻止空气继续和马达连通（见图2）。此时，马达停转，产生焊接熔合。现在，关闭阀48，中断给气缸的供气，完成焊接循环。

因此，可以看到，本器械可自动控制过程，即在焊接循环中，转速和加在螺柱上的压力可以变化，而不需任何操作者介入。

在这个控制过程中，关键因素之一是烧化阶段持续时间。改变阀座11和阀件14之间的初始相对位置，例如改变指杆15的长度，就可以改变这个持续时间。

螺柱焊接的另一个问题是在焊接循环中，摩擦扭矩有很大的变化， 如图5中曲线62所示。在摩擦表面初始接触时，产生很大的摩擦扭矩，一直持续到产生热金属熔化状态为止。在理想的焊接循环中，高扭矩只持续很短的时间，比方说0.2秒。产生熔化状态后，在烧化阶段，抵抗扭短下跌到一个低水平线，一般为初始扭矩峰值的25%。在这个阶段，加在螺柱上的压力仍然保持，螺柱材料处于“烧化”和熔化状态。烧化阶段延续到驱动扭短被除去为止。这时，如前所述，熔化层冷却，接头熔合而抵抗扭矩增大。

为了使焊接器械便于移动，一般都用轻材料来制造，因此，马达20的旋转部件和螺柱夹持装置的固有惯性很小。这对于外理上述的高初始扭矩的问题是无益的。

为处理该问题，采用了飞轮29。在马达20初始加速时，把动能储存在飞轮29内。在螺柱和工件接触时，由于两者之间的干磨擦。马达20上的负载突然增大。但是，由于飞轮29中予先储存的能量可以克服附加的负载，使螺柱继续低速旋转。一般地说，所产生的深度损失约为最高速度的20%（见图5中的曲线60）。重要的是应该注意到，和传统的惯性摩擦焊的情况一样，惯性并不用来提供全部焊接能量，而是在焊接的初始（触地）阶段用以辅助风动马达20。这种方式和一个在焊接时整个依靠马达的输入能量的设备相比，焊接器械的容量大大增加。所使用的惯性的大小可以随被焊的螺柱类型而改变。

图6表示在焊接循环中，使螺柱旋转的能量供给情况。如图6所示，在产生加速约两秒以后，螺柱和工件之间发生接触（触地），还可以看到，在这之后非常短的时间内，需要利用飞轮29内储存的的辅助惯性能。但是，这种需要在抵抗扭矩被克服之后就停止了，然后就是一个颇为恒定的能量需要，如曲线图中的部分63所示。最后，在供给马达20的空气被切断以后，当残余惯性能被消耗净，驱动能就逐渐减少到零。

在某些场合下，可能需要包括传感器以监测马达转速，活塞压力和 螺柱位移。在这种情况下，在焊接时传感器的输出可以储存在微型计算机里，然后和标准结果相比较，可以获得焊接质量的无损评定。

应该注意的是如果夹紧装置在焊接过程中出故障，空气压力就会立即把活塞7压向图2的位置，因此使马达20停转。这是一个重要的安全特征。

Claims (6)

1、一种摩擦焊方法，该方法包括启动第一和第二驱动装置(20，29)，使一对工件(70，71)相对转动，将第一驱动装置(20)和主能源连接，使第二驱动装置(29)适于储存辅助能量，将工件在压力下相互接触，在两工件(70，71)接合面上产生足够热量以后接着停止第一驱动装置(20)以停止两工件(70，71)之间的相对转动的步骤，然后在顶锻压力下将两工件压紧在一起。其特征在于：由此第一和第二驱动装置可一起提供足够的旋转能量，以克服两工件之间在初始接触时所产生的抵抗扭矩的作用；然后，继续启动第一驱动装置(20)，以保持两工件(70，71)之间的相对转动。

2、根据权利要求1的方法，其特征在于该方法还包括在将工件接触以前，使第二驱动装置（29）储存予定的能量。

3、根据权利要求1的方法，其特征在于该方法还包括把一个工件（70）装到第一和第二驱动装置（20，29）上;把第一和第二驱动装置（20，29）装在另一个工件（71）上，再启动第一和第二驱动装置。

4、一种实施权利要求1所述方法的摩擦焊设备，该设备包括可与主能源连接的第一驱动装置（20），可储存辅助能量的第二驱动装置（29），第一和第二驱动装置可使一对工件（70，71）相对转动，还有推压工件使其相互接触的装置和控制装置，第一和第二驱动装置（20，29）与一个可支持一根工件（70）的公共的可旋转件相连接，第二驱动装置包括一个飞轮（29），同轴安装在第一驱动装置（20）的驱动轴（20′）上，使之随驱动轴一起转动，该设备包括支撑着第一驱动装置的机壳（1，2），第一驱动装置（20）的驱动轴（20′）可相对于机壳轴向移动，飞轮（29）也可相对于机壳轴向移动，该设备的控制装置包括时间调节装置（56），用来

延迟启动推压装置（7），一直到第一驱动装置达到预定速度之后再推压工件使之接触，其特征在于该设备的所述第一和第二驱动装置的每一个的扭矩都小于两工件初始接触时的两工件之间的抵抗扭矩;第一和第二驱动装置的扭矩之和等于或大于两工件初始接触时的两工件之间的抵抗扭矩，第一驱动装置（20）的扭矩等于或大于两工件初始接触以后的抵抗扭矩，保持两工件（70，71）之间的基本恒定的相对转速。

5、根据权利要求4的摩擦焊设备，其特征在于该设备是可移动式设备。

6、根据权利要求4或5的摩擦焊设备，其特征在于第一驱动装置包括流体动力马达。

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