CN102962580B - 钢材类板材搅拌摩擦焊接设备 - Google Patents

Abstract

一种钢材类板材搅拌摩擦焊接设备，其特征是它主要包括：加热箱体（1），该加热箱体（1）主要用于将需要进行摩擦焊接的钢板进行焊接前的加热和焊接后的冷却，加热箱体（1）的内侧安装有加热用加热丝，加热箱体（1）的箱壁中安装的与冷却泵相连的冷却管；一工件夹持结构（2），该工件夹持结构（2）的主体安装在加热箱体（1）中，用于将被焊接的钢板夹住以便于摩擦焊的顺利进行；一控制装置（3），它用于对加热箱内的温度、冷却速度和工件夹持进行控制进行；所述的加热箱体（1）的上部安装有通随搅拌针移动的左伸缩盖板和右伸缩盖板，摩擦焊接用搅拌针从左伸缩盖板和右伸缩盖板之间的空隙伸入加热箱体中对待焊接钢板进行摩擦焊接。本发明焊接时搅拌针受力减小,残余应力，减小焊接变形。

Description

钢材类板材搅拌摩擦焊接设备

技术领域

本发明涉及一种焊接设备，尤其是一种摩擦焊接用设备，具体地说是一种能焊接高熔点钢材并能减小搅拌头的损耗的钢材类板材搅拌摩擦焊接设备。

背景技术

    众所周知，搅拌摩擦焊接主要针对的是铝合金、镁合金和铜合金等材料，这些材料本身熔点较低，其对搅拌针的要求不高，普通的合金工具钢就可以制作搅拌头进行焊接。而针对熔点相对较高的钢材来说，通过普通的合金工具钢制作的搅拌头无法实现焊接，因此目前主要采用钨铼合金钢制作搅拌头焊接，本身钨铼合金钢硬度高，加工比较困难，且成本太高，效果也不是太好，焊接时也是经常断裂，为了解决这个问题，有必要研制新的设备来满足钢材焊接的需要。

发明内容

本发明的目的是针对现有的钢材进行摩擦焊时难度大，对搅拌针要求高且使用寿命短的问题，设计一种能改善焊接性能，延长搅拌针使用寿命、成本低的钢材类板材搅拌摩擦焊接设备。

本发明的技术方案是：

一种钢材类板材搅拌摩擦焊接设备，其特征是它主要包括：

一加热箱体1，该加热箱体1主要用于将需要进行摩擦焊接的钢板进行焊接前的加热和焊接后的冷却，加热箱体1的内侧安装有加热用加热丝及，加热箱体1的箱壁中安装的与冷却泵相连的冷却管，通过冷却管对加热箱体中摩擦焊接结束后的钢材还原至原金属状态以消除摩擦焊接形成的内部残余应用，减少焊接变形；

    一工件夹持结构2，该工件夹持结构2的主体安装在加热箱体1中，用于将被焊接的钢板夹住以便于摩擦焊的顺利进行；

一控制装置3，它用于对加热箱内的温度、冷却速度和工件夹持进行控制进行；

所述的加热箱体1的上部安装有通随搅拌针移动的左伸缩盖板和右伸缩盖板，摩擦焊接用搅拌针从左伸缩盖板和右伸缩盖板之间的空隙伸入加热箱体中对待焊接钢板进行摩擦焊接。

所述的加热箱体1主要由右轨道1-1、左轨道1-2、后上盖板1-3、前上盖板1-4、左伸缩盖板1-5、右伸缩盖板1-6、箱体1-7、右螺栓1-8、左螺栓1-9、热电偶1-10、冷却进管1-15、冷却出管1-16和加热丝1-17组成，其中加热箱体1通过螺栓1-8和螺栓1-9连接在搅拌摩擦焊接设备工作台上；后上端盖1-3和前上端盖1-4在右轨道1-1和左轨道1-2滑动，起关闭和打开箱体以便于钢板装入和取出的作用；热电偶1-10均匀分布在加热箱体1四周，其数量视箱体大小而定，加热箱体1双层保温结构，双层之间安放有冷却管，在箱体1-7上开设有冷却进口1-13和冷却出口1-14，冷却管在加热箱体四周按S型排列方式布置，冷却进管1-15一端与冷却进口1-13相连，另一端与冷却泵2-16相连，冷却泵2-16安装在冷却池2-17里面，冷却出管1-16一端与冷却出口1-14相连，另一端放在冷却池2-17里面，加热箱体1内壁布置有加热丝1-17；在箱体1-7的前后两面分别设有供夹持结构上的前导杆及后导杆伸入的前小孔1-11和后小孔1-12。

所述的工作夹持结构2主要由安装在加热箱体1中的左上夹板2-1、左下夹板2-2、右上夹板2-3、右下夹板2-4、左立柱2-5、右立柱2-6、垫板2-15、吸盘2-24以及安装在加热箱体1外的前导杆2-18、后导杆2-19、前油缸2-20、后油缸2-21、冷却泵2-16和冷却池2-17组成，在左上夹板2-1、左下夹板2-2、右上夹板2-3和右下夹板2-4中均安装有对应的冷却进管和冷却出管；左立柱2-5安装在左下夹板2-2上，并被固定；左上夹板2-1安装在左立柱2-5上，并可在左立柱2-5上上下移动；同理，右立柱2-6安装在右下夹板2-4上并固定，右上夹板2-3安装在右立柱2-6上并可上下移动；前导杆2-18一端穿过加热箱体1上的前小孔1-11固定在左立柱2-5上，另一端伸入位于加热箱体1外的前油缸2-20中；后导杆2-19一端穿过加热箱体1上的后小孔1-12固定在右立柱2-6上，另一端伸入后油缸2-21里面；左上夹板2-1、下左夹板2-2、右上夹板2-3、右下夹板2-4分别是两块板材通过搅拌摩擦焊接而成，两块板材内面铣有S型沟槽，当两块板材焊接完成后形成S型封闭管道，管道两端分别形成冷却进口和冷却出口，并连接有相应的冷却进管及冷却出管，冷却进管及冷却泵的进口端及冷却出管的出口端均伸入注有冷却液的冷却池2-17；左下压板2-2、右下压板2-4和垫板2-15均安装在励磁吸盘2-24上，吸盘2-24固定在加热箱体1的底部。

所述的所有冷却进管和冷却出管2-12均设有置于液氮储存器2-23中的折弯段，以提高冷却效果。

所述的控制装置3主要由控制元件、温控元件3-16和电脑3-17组成；控制元件包括控制加热箱体1上部的前上盖板1-3、后上盖板1-4在对应轨道上移动的前后移动控制元件、控制加热箱体1上部的右伸缩板1-6和左伸缩板1-5移动的左右移动控制元件、控制加热丝1-17加热的加热控制元件、控制左上盖板2-1在左立柱2-5上移动和右上盖板2-3在右立柱2-6上移动的上下移动控制元件；控制前导杆2-18在前油缸2-20内部移动及控制后导杆2-19在后油缸2-21内部移动的导杆控制元件、控制左下压板2-2、右下压板2-4及垫板2-15与吸盘2-24实现吸附和分离的吸引控制元件以及控制各冷却进管中冷却液流动速度的冷却液控制元件；温控元件3-16与热电偶1-10连接，控制加热箱体1内部加热温度，各控制元件和温控元件3-16通过导线连接到电脑3-17上进行跟踪和记录。

本发明的有益效果：

本发明通过先对钢材进行加热塑化，使其焊接时搅拌针受力减小，便于焊接，有利于延长搅拌针的使用寿命3倍以上,待焊接完成后通过对冷却温度的控制，还原原金属的状态，最终达到高熔点金属的搅拌摩擦焊接，且对搅拌头起到保护作用，而且冷却温度的适当控制，也有利于消除焊接内部残余应力，减小焊接变形。

附图说明

图1是本发明的加热箱体的结构示意图。

图2是本发明的主体安装在图1的加热箱体中的工件夹持机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-2所示。

一种钢材类板材搅拌摩擦焊接设备，通过先对材料进行加热塑化，使得在焊接时搅拌针受力减小，便于焊接，待焊接完成后通过对冷却温度的控制，还原原金属的状态，最终达到高熔点金属的搅拌摩擦焊接，且对搅拌头起到保护作用，而且冷却温度的适当控制，也有利于消除焊接内部残余应力，减小焊接变形。它主要由加热箱体1、工件夹持结构2和控制装置3组成。加热箱体1主要由右轨道1-1、左轨道1-2、后上盖板1-3、前上盖板1-4、左伸缩盖板1-5、右伸缩盖板1-6、箱体1-7、右螺栓1-8、左螺栓1-9、热电偶1-10、前小孔1-11、后小孔1-12、冷却进口1-13、冷却出口1-14、冷却进管1-15、冷却出管1-16和加热丝1-17组成，如图1所示。其中加热箱体1通过右螺栓1-8和左螺栓1-9连接在搅拌摩擦焊接设备工作台上；后上端盖1-3和前上端盖1-4在右轨道1-1和左轨道1-2滑动，起关闭和打开作用；热电偶1-10均匀分布在加热箱体1四周，其数量视箱体大小而定，加热箱体1双层保温结构，双层之间安放有冷却管，冷却管的进口为冷却进口1-13，冷却管的出口为冷却出口1-14，冷却管在加热箱体四周按S型排列方式布置，冷却进管1-15一端安装在冷却进口1-13上，另一端安装在冷却泵2-16上，冷却泵2-16放在冷却池2-17里面，冷却出管1-16安装在冷却出口1-14上，另一端放在冷却池2-17里面，加热箱体1内壁布置加热丝1-17。搅拌针从左伸缩板1-5和右伸缩板1-6的中间空隙进入焊接，当搅拌针前进时，左伸缩板1-5拉长，右伸缩板1-6压缩。所述的工件夹持结构2主要由左上夹板2-1、左下夹板2-2、右上夹板2-3、右下夹板2-4、左立柱2-5、右立柱2-6、冷却进管2-7、冷却进管2-9、冷却进管2-11、冷却进管2-13、冷却出管2-8、冷却出管2-10、冷却出管2-12、冷却出管2-13、冷却泵2-16、冷却池2-17、垫板2-15、前导杆2-18、后导杆2-19、前油缸2-20、后油缸2-21和吸盘2-24组成，如图2所示，左上夹板2-1、左下夹板2-2、右上夹板2-3、右下夹板2-4、左立柱2-5、右立柱2-6、垫板2-15、吸盘2-24安装在加热箱体1中，前导杆2-18、后导杆2-19、前油缸2-20、后油缸2-21、冷却泵2-16和冷却池2-17安装在加热箱体1外。左立柱2-5安装在左下夹板2-2上，并被固定；左上夹板2-1安装在左立柱2-5上，并可在左立柱2-5上上下移动；同理，右立柱2-6安装在右下夹板2-4上并固定，右上夹板2-3安装在右立柱2-6上并可上下移动；前导杆2-18一端固定在左下压板2-2上，另一端伸入前油缸2-20里面；后导杆2-19一端固定在右下压板2-4上，另一端伸入后油缸2-21里面；左上夹板2-1、左下夹板2-2、右上夹板2-3、右下夹板2-4分别是两块板材通过搅拌摩擦焊接而成，两块板材内面铣有S型沟槽，当两块板材焊接完成后形成S型封闭管道，管道两端分别为进、出口，在左上夹板2-1上冷却进管2-7，冷却出管2-8；在左下夹板2-2上冷却进管2-9，冷却出管2-10；在上夹板2-3上，冷却进管2-11，冷却出管2-12；在右下夹板2-4上，冷却进管2-13，冷却出管2-14。冷却进管2-7、冷却进管2-9、冷却进管2-11、冷却进管2-13分别安装在冷却泵2-16上，冷却泵2-16和冷却出管2-8、冷却出管2-10、冷却出管2-12、冷却出管2-13均放入冷却池2-17中，冷却池2-17中装有冷却液，冷却进管2-7、冷却进管2-9、冷却进管2-11、冷却进管2-13、冷却出管2-8、冷却出管2-10、冷却出管2-12和冷却出管2-13部分放入液氮储存器2-23中；前导杆2-18和后导杆2-19分别安装在加热箱体1上的前小孔1-11和后小孔1-12上；左下压板2-2、右下压板2-4和垫板2-15放在励磁吸盘2-24上，通电即产生吸力，且吸盘2-24固定在加热箱体1底部上表面上。所述的控制装置主要由控制元件3-1、控制元件3-2、控制元件3-3、控制元件3-4 、控制元件3-5、控制元件3-6 、控制元件3-7、控制元件3-8 、控制元件3-9、控制元件3-10 、控制元件3-11、控制元件3-12、控制元件3-13、控制元件3-14 、控制元件3-15、温控元件3-16和电脑3-17组成。控制元件3-1控制上盖板1-3在轨道1-1和轨道1-2上移动；控制元件3-2 控制上盖板1-4在轨道1-1和轨道1-2上移动；控制元件3-3控制伸缩板1-6的移动；控制元件3-4控制伸缩板1-5的移动；控制元件3-5控制加热丝1-17；控制元件3-6控制上盖板2-1在立柱2-5上移动；控制元件3-7控制上盖板2-3在立柱2-6上移动；控制元件3-8控制导杆2-18在油缸2-20内部移动；控制元件3-9控制导杆2-19在油缸2-21内部移动；控制元件3-10控制下压板2-2、下压板2-4、垫板2-15在吸盘上的吸附和分离；控制元件3-11 、控制元件3-12、控制元件3-13、控制元件3-14 、控制元件3-15分别控制冷却进管2-7、冷却进管2-9、冷却进管2-11、冷却进管2-13、冷却进管1-15中冷却液的流动速度；温控元件3-16与热电偶1-10连接，控制加热箱体1内部加热温度，控制元件3-1、控制元件3-2、控制元件3-3、控制元件3-4 、控制元件3-5、控制元件3-6 、控制元件3-7、控制元件3-8 、控制元件3-9、控制元件3-10 、控制元件3-11、控制元件3-12、控制元件3-13、控制元件3-14 、控制元件3-15和温控元件3-16通过导线连接到电脑3-17上进行跟踪和记录。

具体实施时，所有冷却进出口管材料及所有控制元件的外壳均应采用耐高温和耐低温的不锈钢金属软管(适用温度在-196～+600℃)。

以下是本发明的实际应用例：

例1．

单轴肩焊接，焊接45#钢，搅拌头采用钨铼合金。

工件放置在下夹板2-2和2-4上，根据工件厚度调整上夹板2-1和2-3位置，使上夹板2-1和2-3位置压制到工件上，同时通过控制元件3-8和3-9分别控制油缸2-20和2-21内的导杆2-18和2-19移动，同时在下压板2-2和2-4之间放入垫板2-15，通过上下夹板与导杆相互作用，固定工件；下夹板2-2和2-4放置在吸盘2-24上，通过控制元件3-10控制下夹板2-2和2-4与吸盘2-24吸附和松开；待工件安装完毕，合上上盖板1-3和1-4，合上移动盖板1-5和1-6；通过电源加热加热丝1-17，使工件温度升高到其熔点3/5至4/5左右，打开移动盖板1-5和1-6，让搅拌头伸入焊接处焊接，焊接完成后，根据工件原有组织特性，选择冷却速度，各冷却速度分别通过相应的冷却系统控制。

对于45#钢的搅拌摩擦连接，采用传统搅拌摩擦焊接方法，搅拌头的适用寿命在20小时左右，而采用本发明焊接，搅拌头寿命提高了3倍左右；工件残余应力同比下降40%左右，而焊接处的力学性能并未降低。

例2．

双轴肩焊接，焊接45#钢，搅拌头采用钨铼合金。

工件放置在下夹板2-2和2-4上，根据工件厚度调整上夹板2-1和2-3位置，使上夹板2-1和2-3位置压制到工件上，同时通过控制元件3-8和3-9分别控制油缸2-20和2-21内的导杆2-18和2-19移动，同时在下压板2-2和2-4之间取出垫板2-15，通过上下夹板与导杆相互作用，固定工件；下夹板2-2和2-4放置在吸盘2-24上，通过控制元件3-10控制下夹板2-2和2-4与吸盘2-24吸附和松开；待工件安装完毕，合上上盖板1-3和1-4，合上移动盖板1-5和1-6；通过电源加热加热丝1-17，使工件温度升高到其熔点3/5至4/5左右，打开移动盖板1-5和1-6，让搅拌头伸入焊接处焊接，焊接完成后，根据工件原有组织特性，选择冷却速度，各冷却速度分别通过相应的冷却系统控制。

对于45#钢的搅拌摩擦连接，采用传统搅拌摩擦焊接方法，搅拌头的适用寿命在10小时左右，而采用本发明焊接，搅拌头寿命提高了2倍左右；工件残余应力同比下降30%左右，而焊接处的力学性能并未降低。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种钢材类板材搅拌摩擦焊接设备，其特征是它主要包括：

一加热箱体（1），该加热箱体（1）主要用于将需要进行摩擦焊接的钢板进行焊接前的加热和焊接后的冷却，加热箱体（1）的内侧安装有加热用加热丝，加热箱体（1）的箱壁中安装的与冷却泵相连的冷却管，通过冷却管对加热箱体中摩擦焊接结束后的钢材还原至原金属状态以消除摩擦焊接形成的内部残余应力，减少焊接变形；

    一工件夹持结构（2），该工件夹持结构（2）的主体安装在加热箱体（1）中，用于将被焊接的钢板夹住以便于摩擦焊的顺利进行；

一控制装置（3），它用于对加热箱内的温度、冷却速度和工件夹持进行控制进行；

所述的加热箱体（1）的上部安装有通随搅拌针移动的左伸缩盖板和右伸缩盖板，摩擦焊接用搅拌针从左伸缩盖板和右伸缩盖板之间的空隙伸入加热箱体中对待焊接钢板进行摩擦焊接； 

所述的加热箱体(1)主要由右轨道(1-1)、左轨道(1-2)、后上盖板(1-3)、前上盖板(1-4)、左伸缩盖板(1-5)、右伸缩盖板(1-6)、箱体(1-7)、右螺栓(1-8)、左螺栓(1-9)、热电偶(1-10)、冷却进管(1-15)、冷却出管(1-16)和加热丝(1-17)组成，其中加热箱体(1)通过右螺栓(1-8)和左螺栓(1-9)连接在搅拌摩擦焊接设备工作台上；后上盖板(1-3)和前上盖板 (1-4)在右轨道(1-1)和左轨道(1-2)滑动，起关闭和打开箱体以便于钢板装入和取出的作用；热电偶(1-10)均匀分布在加热箱体(1)四周，其数量视箱体大小而定，加热箱体(1)双层保温结构，双层之间安放有冷却管，在箱体（1-7）上开设有冷却进口(1-13)和冷却出口(1-14)，冷却管在加热箱体四周按S型排列方式布置，冷却进管(1-15)一端与冷却进口(1-13)相连，另一端与冷却泵(2-16)相连，冷却泵(2-16)安装在冷却池(2-17)里面，冷却出管(1-16)一端与冷却出口(1-14)相连，另一端放在冷却池(2-17)里面，加热箱体(1)内壁布置有加热丝(1-17)；在箱体（1-7）的前后两面分别设有供工件夹持结构上的前导杆及后导杆伸入的前小孔(1-11)和后小孔(1-12)。

2.根据权利要求1所述的钢材类板材搅拌摩擦焊接设备，其特征是所述的工件夹持结构（2）主要由安装在加热箱体（1）中的左上夹板(2-1)、左下夹板(2-2)、右上夹板(2-3)、右下夹板(2-4)、左立柱(2-5)、右立柱(2-6)、垫板(2-15)、吸盘(2-24)以及安装在加热箱体（1）外的前导杆(2-18)、后导杆(2-19)、前油缸(2-20)、后油缸(2-21)、冷却泵(2-16)和冷却池(2-17)组成，在左上夹板(2-1)、左下夹板(2-2)、右上夹板(2-3)和右下夹板(2-4)中均安装有对应的冷却进管和冷却出管；左立柱(2-5)安装在左下夹板(2-2)上，并被固定；左上夹板(2-1)安装在左立柱(2-5)上，并可在左立柱(2-5)上上下移动；同理，右立柱(2-6)安装在右下夹板(2-4)上并固定，右上夹板(2-3)安装在右立柱(2-6)上并可上下移动；前导杆(2-18)一端穿过加热箱体（1）上的前小孔（1-11）固定在左立柱（2-5）上，另一端伸入位于加热箱体（1）外的前油缸(2-20)中；后导杆(2-19)一端穿过加热箱体（1）上的后小孔（1-12）固定在右立柱(2-6)上，另一端伸入后油缸(2-21)里面；左上夹板(2-1)、左下夹板(2-2)、右上夹板(2-3)、右下夹板(2-4)分别是两块板材通过搅拌摩擦焊接而成，两块板材内面铣有S型沟槽，当两块板材焊接完成后形成S型封闭管道，管道两端分别形成冷却进口和冷却出口，并连接有相应的冷却进管及冷却出管，冷却进管及冷却泵的进口端及冷却出管的出口端均伸入注有冷却液的冷却池(2-17)；左下压板(2-2)、右下压板(2-4)和垫板(2-15)均安装在吸盘(2-24)上，吸盘(2-24)固定在加热箱体(1)的底部。

3.根据权利要求2所述的钢材类板材搅拌摩擦焊接设备，其特征是所述的所有冷却进管和冷却出管均设有置于液氮储存器(2-23)中的折弯段，以提高冷却效果。