CN104722912B - 一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置及焊接方法,包括用于支撑待焊管道的工作台,工作台设有固定待焊管道的固定装置,待焊管道焊缝的上方设有上轴肩紧贴待焊管道,上轴肩的底部为平面状,上轴肩上设有搅拌针,待焊管道焊缝的下方设有下轴肩,下轴肩的顶部为与待焊管道相适配的圆弧状,下轴肩安装在拘束套上,拘束套沿平面滑台滑动,搅拌针依次穿过上轴肩、待焊管道、下轴肩和拘束套,搅拌针通过旋转装置与下轴肩连接,焊接时,搅拌针和上轴肩高速旋转,但下轴肩不旋转。本发明的一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置及焊接方法,通过下轴肩的顶部紧密贴紧待焊管道,起到冷却焊缝的作用,提高焊接质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置及焊接方法,属于金属材料加工领域。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)自1991年TWI发明以来得到了广泛的研究和应用,特别是在低熔点易氧化的铝、镁及其合金焊接方面优势明显,并在铜、钛、复合材料及异种材料的焊接等领域得到广泛研究与推广应用。
为了能够焊接中空构件,随着近年来相关技术的发展,双面成形的搅拌摩擦焊接技术得到了快速发展,出现了双轴肩搅拌摩擦焊接技术。双轴肩搅拌摩擦焊焊接时,上、下轴肩、搅拌针同时旋转并与工件摩擦生热,在强烈的摩擦、搅拌作用之下,焊缝金属发生塑化,并被旋转挤压至搅拌摩擦头后侧,从而形成焊缝。但是双轴肩搅拌摩擦焊接时,产生了如下问题:(1)上下轴肩同时产热,使得摩擦产热过大,容易使焊缝金属过热;(2)目前已有的双轴肩搅拌摩擦头的端面均为平面或凹面,不能胜任管道焊接的工况。
为了解决上述问题,专利提出了一种静止式双轴肩搅拌摩擦头(申请号:201310184239.9),提供了一种下轴肩静止的焊具,但是其下轴肩端面仍为平面,只能适应对接接头为平面的情况,不适合管道的搅拌摩擦焊接;仅仅把其下轴肩改造成圆弧形外观,也会因为焊接时与搅拌针跟转而失去静止意义,还会导致焊接失败。
因此寻找一种既能发挥类似传统搅拌摩擦焊接时的衬垫作用、又能避免与搅拌针跟转的管道用搅拌摩擦焊接方法和装置,成为了一个新的重要任务。
发明内容
发明目的:为了克服现有技术中存在的不足,本发明提出一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置及焊接方法,通过下轴肩的顶部紧密贴紧待焊管道,起到冷却焊缝的作用,提高焊接质量。
技术方案:为解决上述技术问题,本发明的一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置,包括用于支撑待焊管道的工作台,工作台设有固定待焊管道的固定装置,待焊管道焊缝的上方设有上轴肩紧贴待焊管道,上轴肩的底部为平面状,上轴肩上设有搅拌针,待焊管道焊缝的下方设有下轴肩,下轴肩的顶部为与待焊管道相适配的圆弧状,下轴肩安装在拘束套上,拘束套沿平面滑台滑动,搅拌针依次穿过上轴肩、待焊管道、下轴肩和拘束套,搅拌针通过旋转装置与下轴肩连接,焊接时,搅拌针和上轴肩高速旋转,但下轴肩不旋转。
其中,下轴肩上部采用弧形顶肩,弧度与管道内壁一致;整个导轨沿着焊接方向穿过管道且长度大于管道,拘束套在管道内部可相对平面滑台沿着焊接方向滑动,但不能相对转动;焊接时,上轴肩、搅拌针高速旋转,下轴肩不旋转,使其只沿焊接方向运动。
作为优选,所述固定装置包含若干组沿待焊管道两侧设置的丝杆固定装置,丝杆固定装置包含安装板、丝杆和固定块,所述安装板安装在工作台上,丝杆通过螺纹连接在安装板上,丝杆的头部设有固定块,固定块与待焊管道连接。
作为优选,所述旋转装置包含第一径向轴承、第二径向轴承和平面轴承,所述下轴肩下方设有凹槽,第一径向轴承和第二径向轴承位于凹槽内并通过盖板固定在凹槽内,盖板的下方设有平面轴承,平面轴承下方通过螺母固定,螺母安装在搅拌针上。
作为优选,所述平面滑台包含导轨、与拘束套连接的滑块和安装块,所述安装块安装在工作台上,导轨安装在安装块上,滑块安装在导轨上并沿导轨移动。
作为优选,所述下轴肩下半部分为方形状,拘束套设有与下轴肩方形状相适配的方形孔。
一种基于上述轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置的焊接方法,包括以下步骤:
(1)组装下轴肩:在凹槽内安装第一径向轴承和第二径向轴承,将搅拌针穿过下轴肩、第一径向轴承和第二径向轴承,然后安装盖板、平面轴承,旋上螺母;
(2)组装搅拌摩擦头:安装上轴肩,保持上轴肩与下轴肩的间距比待焊管道的壁厚小0.2mm,旋紧螺母;
(3)安放待焊管道:将待焊管道放在工作台所示的位置,待焊区域朝上,通过若干个旋转丝杆固定待焊管道,使之不能在水平方向运动,以及不能向上运动;
(4)安装平面滑台、拘束套,使下轴肩与拘束套紧密配合;
(5)上轴肩、搅拌针开始旋转,进入焊缝,此时移动滑块与焊缝内表面紧密接触;
(6)以设定的焊接速度、旋转速度进行焊接,直至下轴肩带着拘束套完全移出待焊管道,焊接结束。
有益效果:本发明的轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置及焊接方法,具有以下优点:
(1)在常规的搅拌摩擦焊机基础上,只需要添加下轴肩、拘束套、平面滑台即可进行管道焊接,节约成本;
(2)下轴肩弧形顶部起到了强制成形、冷却焊缝的作用,克服了常规搅拌摩擦焊需要刚性固定垫板的结构,这有利于进一步提高焊接质量;
(3)结构简单、实用性强,该搅拌摩擦焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便,这对于其推广与应用具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为图1中搅拌针与下轴肩结构示意图;
图3为图1中俯视结构示意图;
图4为图1中拘束套与下轴肩的结构示意图;
图5为图1中平面滑台的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1至图5所示,本发明的一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置,包括用于支撑待焊管道2的工作台5,工作台5设有固定待焊管道2的固定装置,待焊管道2焊缝的上方设有上轴肩10紧贴待焊管道2,上轴肩10的底部为平面状,上轴肩10上设有搅拌针1,待焊管道2焊缝的下方设有下轴肩9,下轴肩9的顶部9-1为与待焊管道2相适配的圆弧状,下轴肩9安装在拘束套3上,拘束套3沿平面滑台6滑动,搅拌针1依次穿过上轴肩10、待焊管道2、下轴肩9和拘束套3,搅拌针1通过旋转装置与下轴肩9连接,焊接时,搅拌针1和上轴肩10高速旋转,但下轴肩9不旋转。
在本发明中,固定装置包含若干组沿待焊管道2两侧设置的丝杆4固定装置,丝杆4固定装置包含安装板7、丝杆4和固定块8,安装板7安装在工作台5上,丝杆4通过螺纹连接在安装板7上,丝杆4的头部设有固定块8,固定块8与待焊管道2连接。旋转装置包含第一径向轴承9-3、第二径向轴承9-4和平面轴承9-5,下轴肩9下方设有凹槽,第一径向轴承9-3和第二径向轴承9-4位于凹槽内并通过盖板固定在凹槽内,盖板的下方设有平面轴承9-5,平面轴承9-5下方通过螺母9-6固定,螺母9-6安装在搅拌针1上。
在本发明中,平面滑台6包含导轨6-1、与拘束套3连接的滑块6-2和安装块6-3,安装块6-3安装在工作台5上,导轨6-1安装在安装块6-3上,滑块6-2安装在导轨6-1上并沿导轨6-1移动。
在本发明中,下轴肩9下半部分为方形状,拘束套3设有与下轴肩9方形状相适配的方形孔3-1。下轴肩9可采用不锈钢材质,拘束套3、平面滑台6的材料可采用常规钢种。下轴肩9具有方形外观,该方形与拘束套3上的方形孔3-1相配合;拘束套3在管道内部可相对平面滑台6沿着焊接方向滑动,但不能相对转动;焊接时,上轴肩10、搅拌针1高速旋转,下轴肩9不旋转,使其只沿焊接方向做直线运动。焊接时,下轴肩9的顶部对焊接区域的金属起支撑、强迫成形作用,同时也起散热的作用。
如图1和图4所示,拘束套3的作用有两个:第一,用来确保下轴肩9只沿轨道方向做直线运动;第二,下轴肩9可相对拘束套3沿着径向浮动。由图所示1所示,拘束套3的长度要远小于待焊管道2的长度,但要比下轴肩9的长度大一些。
如图3和图5所示,为了安装拘束套3,首先要安装好平面滑台6,平面滑台6主要部件有:导轨6-1、滑块6-2、用来固定导轨的两个固定端6-3;安装时,首先将一个固定端6-3与工作台5通过螺钉相连接,其次,将滑块6-2串在导轨6-1上,再将两根导轨6-1穿过待焊管道2后安装到固定端6-3上,最后通过安装孔将滑块6-2与拘束套3焊接在一起,将另一个固定端6-3安装好。
一种基于上述轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置的焊接方法,包括以下步骤:
(1)组装下轴肩9:在凹槽内安装第一径向轴承9-3和第二径向轴承9-4,将搅拌针1穿过下轴肩9、第一径向轴承9-3和第二径向轴承9-4,然后安装盖板、平面轴承9-5,旋上螺母9-6;
(2)组装搅拌摩擦头:安装上轴肩10,保持上轴肩10与下轴肩9的间距比待焊管道2的壁厚小0.2mm,旋紧螺母9-6;
(3)安放待焊管道:将待焊管道放在工作台5所示的位置,待焊区域朝上,通过若干个旋转丝杆4固定待焊管道,使之不能在水平方向运动,以及不能向上运动;
(4)安装平面滑台6、拘束套3,使下轴肩9与拘束套3紧密配合;
(5)上轴肩10、搅拌针1开始旋转,进入焊缝,此时移动滑块6-2与焊缝内表面紧密接触;
(6)以设定的焊接速度、旋转速度进行焊接,直至下轴肩9带着拘束套3完全移出待焊管道,焊接结束。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置,其特征在于:包括用于支撑待焊管道的工作台,工作台设有固定待焊管道的固定装置,待焊管道焊缝的上方设有上轴肩紧贴待焊管道,上轴肩的底部为平面状,上轴肩上设有搅拌针,待焊管道焊缝的下方设有下轴肩,下轴肩的顶部为与待焊管道相适配的圆弧状,下轴肩安装在拘束套上,拘束套沿平面滑台滑动,搅拌针依次穿过上轴肩、待焊管道、下轴肩和拘束套,搅拌针通过旋转装置与下轴肩连接,焊接时,搅拌针和上轴肩高速旋转,但下轴肩不旋转;所述固定装置包含若干组沿待焊管道两侧设置的丝杆固定装置,丝杆固定装置包含安装板、丝杆和固定块,所述安装板安装在工作台上,丝杆通过螺纹连接在安装板上,丝杆的头部设有固定块,固定块与待焊管道连接。
2.根据权利要求1所述的轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置,其特征在于:所述旋转装置包含第一径向轴承、第二径向轴承和平面轴承,所述下轴肩下方设有凹槽,第一径向轴承和第二径向轴承位于凹槽内并通过盖板固定在凹槽内,盖板的下方设有平面轴承,平面轴承下方通过螺母固定,螺母安装在搅拌针上。
3.根据权利要求1所述的轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置,其特征在于:所述平面滑台包含导轨、与拘束套连接的滑块和安装块,所述安装块安装在工作台上,导轨安装在安装块上,滑块安装在导轨上并沿导轨移动。
4.根据权利要求1所述的轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置,其特征在于:所述下轴肩下半部分为方形状,拘束套设有与下轴肩方形状相适配的方形孔。
5.一种基于权利要求1至4任一项所述轨道跟随式管道用搅拌摩擦焊接装置的焊接方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)组装下轴肩:在凹槽内安装第一径向轴承和第二径向轴承,将搅拌针穿过下轴肩、第一径向轴承和第二径向轴承,然后安装盖板、平面轴承,旋上螺母;
(2)组装搅拌摩擦头:安装上轴肩,保持上轴肩与下轴肩的间距比待焊管道的壁厚小,旋紧螺母;
(3)安放待焊管道:将待焊管道放在工作台所示的位置,待焊区域朝上,通过若干个旋转丝杆固定待焊管道,使之不能在水平方向运动,以及不能向上运动;
(4)安装平面滑台、拘束套,使下轴肩与拘束套紧密配合;
(5)上轴肩、搅拌针开始旋转,进入焊缝,此时移动滑块与焊缝内表面紧密接触;
(6)以设定的焊接速度、旋转速度进行焊接,直至下轴肩带着拘束套完全移出待焊管道,焊接结束。
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