CN105312761B - 一种柔性搅拌头及其搅拌摩擦焊装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种搅拌摩擦焊装置，包括底座、主轴支座、左右推进机构、前后推进机构和工作台，左右推进机构安装在底座上，前后推进机构安装在左右推进机构上，工作台安装在前后推进机构上；主轴支座上设置有第一导轨和上下推进机构，第一导轨上滑动安装有第一支撑座，该第一支撑座与上下推进机构连接，第一支撑座上设置有旋转电机和主轴，主轴与旋转电机相连，柔性搅拌头连接在主轴上，并位于工作台上方。柔性搅拌头包括搅拌头主体以及连接在搅拌头主体下端的轴肩和搅拌针，搅拌针整体或搅拌针下部由耐高温柔性金属材料制成。本发明采用柔性搅拌针提高焊接接头的性能。简化主轴结构，使装置整体轻量化，小型化，节省材料和成本。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊设备领域，特别涉及一种柔性搅拌头及其搅拌摩擦焊装置。
背景技术
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的焊接技术。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接。作为一种先进的固相连接技术，搅拌摩擦焊广泛应用于航空航天、轨道交通、国防军工、轮船汽车等领域。搅拌摩擦焊过程中，使用搅拌头插入工件的待焊接部位，通过搅拌头与工件间的搅拌摩擦，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件焊接为一个整体。
现有的搅拌摩擦焊装置在焊接过程中主轴发生高速旋转、并完成Z轴移动、X轴移动和Y轴移动，即工作台不动，通过搅拌头的运动来实现焊接，设备体积大。传统的搅拌摩擦焊装置采用刚性搅拌针，焊接过程中需要较大的顶锻力才能为焊缝金属提供足够能量使其发生塑化，从而实现良好的焊接，所以传统的搅拌摩擦焊设备上部用于驱动主轴运动的驱动结构比较复杂，而且比较笨重，使得搅拌摩擦焊装置难以小型便携化，从而限制了搅拌摩擦焊的应用范围，阻碍了搅拌摩擦焊技术的发展。
在搅拌摩擦焊过程中，焊缝处的金属受到搅拌头轴肩和底面刚性垫板的双重限制作用。当搅拌头旋转引起塑化金属沿搅拌针螺纹表面轴向流动时，会形成一个入口端和一个出口端。在入口端，有可能形成一个瞬时空腔，周围塑化金属将被吸向此空腔，形成所谓“抽吸效应”；在出口端，塑化金属将改变流向并挤压周边金属，形成所谓“挤压效应”。在搅拌摩擦焊过程中前进侧和后退侧的材料流动是非对称的，在搅拌针后退侧的大部分材料仅仅发生了简单的挤压，并在搅拌针的后方发生了沉淀，常常导致焊接质量不高。为了改善前进侧和后退侧材料的流动，专利(公开号CN101474718)提出了一种利用电阻热的搅拌摩擦复合焊接装置及焊接方法，但是该装置需要在搅拌头附近安装类似于集流环或滑环的装置，增加了装置的复杂性和控制难度，而且由于接触电阻的变化使得搅拌头内部产热影响使用寿命。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔性搅拌头及其搅拌摩擦焊装置，简化结构，促进搅拌摩擦焊过程中前进侧和后退侧材料的流动，减小焊接所需的顶锻力，提高搅拌头的焊接性能，使装置轻量化、小型化、便携化。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种柔性搅拌头，包括用于夹持的搅拌头主体以及连接在搅拌头主体下端的轴肩和搅拌针，所述搅拌针与搅拌头主体一体成型或可拆卸连接，所述搅拌针整体或搅拌针下部由耐高温柔性金属材料制成。
采用上述结构的搅拌头，由于采用柔性金属制成的搅拌针，在搅拌摩擦焊过程中可以传递给塑化流动金属更多的能量，明显提升塑化金属的流动速度；促进坚实紧密的涡旋结构体发生松散，使塑化流动金属具有更高、更均衡的湍流性能，更有效的利用塑化流动金属内部的能量，增大搅拌效率；更有效的强化轴向塑化金属的轴向流动，更利于前进侧和后退侧的塑化金属混合和物质能量交换，从而提高焊接接头的性能。
作为优选：所述耐高温柔性金属材料为进行了表面耐磨处理的钛镍系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的钴镍系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的镍锰系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的铜铝基高温形状记忆合金。
所述的表面耐磨处理，为采用激光熔敷、高速电弧喷涂、等离子喷涂、刷镀、火焰喷涂中的一种方法，将WC-Co10Cr4合金粉末、Cr3C2-NiCr合金粉末、WC-Co17合金粉末、WC-Co12合金粉末、Ni60CuMo合金粉末、Co42合金粉末、Co50合金粉末、Co55合金粉末、Cr50合金粉末、Ni25WC35合金粉末、Ni45WC35合金粉末中的一种或多种合金粉末涂覆在材料表面形成耐磨层，耐磨层厚度为5～200μm；所述的表面耐磨处理，还包括采用渗碳、渗氮、碳氮共渗中的一种方法进行表面处理获得耐磨渗层，耐磨渗层厚度为10～500μm。
作为优选：所述搅拌针外周面上设置有多组螺纹，所述轴肩下端面设有多个凹槽。
作为优选：所述搅拌针包括位于上方的针颈部和位于下方的针尖部，所述针颈部和针尖部焊接或螺纹连接。
作为优选：所述搅拌针针颈部为锥形台，所述针尖部的纵截面为矩形、梯形或三角形。针颈部按现有搅拌针技术制备而成，所述针尖部由进行了表面耐磨处理的合金粉末布制成。所述针尖部的合金粉末柔性布是一种由WC或WC-Co、经机械合金化的Ni-30Cr合金粉末、橡胶、硬脂酸和树脂，通过辊压成型制备而成的金属丝网柔性复合布。所述的合金粉末布的表面耐磨处理与上述的表面耐磨处理相同。
本发明同时提供一种搅拌摩擦焊装置，包括上述的柔性搅拌头。
采用上述的柔性搅拌头后，不必再依赖主轴较大的顶锻力才能为焊缝金属提供足够能量使其发生塑化，从而可以使得搅拌摩擦焊装置的主轴驱动部分结构更简单，质量减轻，做到小型化便于移动等。
作为优选：搅拌摩擦焊装置还包括底座、主轴支座、左右推进机构、前后推进机构和工作台，所述左右推进机构安装在底座上，所述前后推进机构通过第一滑动机构安装在左右推进机构上，所述工作台通过第二滑动机构安装在前后推进机构上；所述主轴支座上沿竖直方向设置有第一导轨和上下推进机构，第一导轨上滑动安装有第一支撑座，该第一支撑座与上下推进机构连接，所述第一支撑座上设置有旋转电机和主轴，主轴与旋转电机输出端相连，所述柔性搅拌头连接在主轴上，并位于工作台上方。
上述结构，主轴驱动部分只需要旋转和在竖直方向运动，而通过工作台的前后左右移动来实现焊接位置的调整，从而使得设备主轴部分轻量化，装置整体实现小型化。
作为优选：所述前后推进机构和左右推进机构均包括电机和丝杆螺母副，丝杆水平设置并与电机相连，所述第一滑动机构和第二滑动机构均包括相配合滑轨和滑座，滑轨与丝杠平行布置，滑座通过螺母与丝杠连接。
作为优选：所述上下推进机构为气缸或者液压缸或者电机与丝杆的组合。
作为优选：所述工作台包括刚性的支撑台以及设置在支撑台上的压紧机构，所述支撑台面上开设有多个安装孔，所述压紧机构安装在安装孔内。
作为优选：所述导轨和第一导轨上均设置有光电限位开关装置；所述旋转电机和主轴分别通过第一支撑板和第二支撑板安装在第一支撑座上，旋转电机与主轴通过联轴器连接，所述主轴与第二支撑板之间设置有轴承。
如上所述，本发明的有益效果是：
与采用传统刚性搅拌针进行搅拌摩擦焊接相比，采用柔性搅拌针可以传递给塑化流动金属更多的能量，明显提升塑化金属的流动速度；促进坚实紧密的涡旋结构体发生松散，使塑化流动金属具有更高、更均衡的湍流性能，更有效的利用塑化流动金属内部的能量，增大搅拌效率；更有效的强化轴向塑化金属的轴向流动，更利于前进侧和后退侧的塑化金属混合和物质能量交换，从而提高焊接接头的性能，并减小焊接所需的顶锻力，使设备易于小型化。采用左右推进机构、前后推进机构的方式，通过移动工作台来改变焊接位置，简化主轴结构，使装置整体轻量化，小型化，节省材料和成本。
附图说明
图1为本发明中柔性搅拌头的结构示意图；
图2、图3、图4、图5为本发明中柔性搅拌头其他形状的结构示意图；
图6为本发明中搅拌摩擦焊装置的结构示意图；
图7为本发明中搅拌摩擦焊装置工作台部分的平面视图；
图8为本发明中搅拌摩擦焊装置主轴支座上的安装结构示意图。
零件标号说明
1 底座
2 主轴支座
3 上下推进机构
31 液压缸
32 第一导轨
33 第一支撑座
4 柔性搅拌头
41 搅拌头主体
42 轴肩
43 针颈部
44 针尖部
5 左右推进机构
51 第一电机
52 第一丝杆
53 第一滑轨
54 第一滑座
6 前后推进机构
61 第二电机
62 第二丝杆
63 第二滑轨
64 第一安装座
65 第二滑座
7 工作台
71 安装孔
81 旋转电机
82 第一支撑板
83 联轴器
84 第二支撑板
85 主轴
9 光电限位开关装置
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解发明的其他优点及功效。
如图1所示，本发明提供一种柔性搅拌头，包括用于夹持的搅拌头主体41以及连接在搅拌头主体41下端的轴肩42和搅拌针，搅拌针与搅拌头主体41一体成型或采用螺纹连接、销轴固定等可拆卸连接，可拆卸连接便于磨损后更换搅拌针。所述搅拌针包括位于上方的针颈部43和位于下方的针尖部44，针颈部43和针尖部44焊接或螺纹连接，至少针尖部44由耐高温柔性金属材料制成。
本例中，所述耐高温柔性金属材料为进行了表面耐磨处理的钛镍系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的钴镍系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的镍锰系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的铜铝基高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的合金粉末柔性布中的一种。
所述的表面耐磨处理，为采用激光熔敷、高速电弧喷涂、等离子喷涂、刷镀、火焰喷涂中的一种方法，将WC-Co10Cr4合金粉末、Cr3C2-NiCr合金粉末、WC-Co17合金粉末、WC-Co12合金粉末、Ni60CuMo合金粉末、Co42合金粉末、Co50合金粉末、Co55合金粉末、Cr50合金粉末、Ni25WC35合金粉末、Ni45WC35合金粉末中的一种或多种合金粉末涂覆在材料表面形成耐磨层，耐磨层厚度为5～200μm；所述的表面耐磨处理，还包括采用渗碳、渗氮、碳氮共渗中的一种方法进行表面处理获得耐磨渗层，耐磨渗层厚度为10～500μm。
本例中的钛镍系高温形状记忆合金为TiNiCu合金、TiNiHf合金、TiNiPd合金、TiNiPdSc合金、TiNiPt合金、TiNiZr合金、TiNiAu合金中的一种，进一步优选为Ni49Ti36Hf15合金、Ni50.6Ti29.4Hf20合金、Ni50.6Pd30Ti19.4合金、Ti51.2Pd27.0Ni21.8合金、Ni50Pd30Ti20合金、Ti49.5Ni25Pd25Sc0.5合金、Ni50Pt30Ti20合金、Ni50Ti35Zr15合金、Ni50Ti35Au15合金中的一种。
钴镍系高温形状记忆合金为CoNiGa合金，进一步优选为Co48Ni24Ga28合金、Co48Ni25Ga27合金、Co48Ni26Ga26合金、Co48Ni27Ga25合金、Co48Ni28Ga24合金、Co48Ni29Ga23合金、Co48Ni30Ga22合金中的一种。
镍锰系高温形状记忆合金为NiMnGa合金、NiMnGaAl合金、NiMnSn合金、NiMnSnCo合金中的一种，进一步优选为Ni53Mn25Ga22合金、Ni54Mn25Ga21合金、Ni55Mn25Ga20合金、Ni56Mn25Ga19合金、Ni54Mn25Ga15Al6合金、Ni45Mn43Sn12合金、Ni43Mn41Sn9Co7合金中的一种。
铜铝基高温形状记忆合金为CuAlNi合金，进一步优选为Cu-14Al-3Ni合金、Cu-14Al-4Ni合金、Cu-14Al-5Ni合金、Cu-15Al-3Ni合金、Cu-15Al-4Ni合金、Cu-15Al-5Ni、Cu-14Al-3.5Ni-1Ti、Cu-14Al-3.5Ni-1.5Ti、Cu-14Al-3.5Ni-2Ti、Cu-Al-Mn-Zn-Zr合金中的一种。
所述的合金粉末柔性布是一种由WC或WC-Co、经机械合金化的Ni-30Cr合金粉末、橡胶、硬脂酸和树脂，通过辊压成型制备而成的金属丝网柔性复合布。该材料仅用于针尖部44.
如图2至图4所示，搅拌针的针尖部纵向截面可以为梯形、矩形以及下端圆滑过渡的三角形等。
如图5所示，其他实施例中，搅拌针为一体式结构，整体可以由耐高温柔性金属材料制成，其中的耐高温柔性金属材料为上述所例举的进行了表面耐磨处理的钛镍系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的钴镍系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的镍锰系高温形状记忆合金、进行了表面耐磨处理的铜铝基高温形状记忆合金中的一种。还可以在搅拌针外周面上设置有多组螺纹，轴肩42下端面可开设多个凹槽等。
由于采用柔性金属制成的搅拌针，可以传递给塑化流动金属更多的能量，明显提升塑化金属的流动速度；促进坚实紧密的涡旋结构体发生松散，使塑化流动金属具有更高、更均衡的湍流性能，更有效的利用塑化流动金属内部的能量，增大搅拌效率；更有效的强化轴向塑化金属的轴向流动，更利于前进侧和后退侧的塑化金属混合和物质能量交换，从而提高焊接接头的性能。
如图6至图8所示，本发明同时提供一种搅拌摩擦焊装置，包括上述的柔性搅拌头4，还包括底座1、主轴支座2、左右推进机构5、前后推进机构6和工作台7，左右推进机构5安装在底座1上，前后推进机构6通过第一滑动机构安装在左右推进机构5上，工作台7通过第二滑动机构安装在前后推进机构6上；主轴支座2上沿竖直方向设置有第一导轨32和上下推进机构3，第一导轨32上滑动安装有第一支撑座33，该第一支撑座33与上下推进机构3连接，第一支撑座33上设置有旋转电机81和主轴85，旋转电机81和主轴85分别通过第一支撑板82和第二支撑板84安装在第一支撑座33上，旋转电机81与主轴85通过联轴器83连接，主轴85与第二支撑板84之间设置有轴承。柔性搅拌头4连接在主轴85上，并位于工作台7上方。采用上述的柔性搅拌头4后，不必再依赖主轴85较大的顶锻力才能为焊缝金属提供足够能量使其发生塑化。主轴85驱动部分只需要旋转和在竖直方向运动，而通过工作台7的前后左右移动来实现焊接位置的调整，从而使得设备主轴85部分结构更简单，轻量化，装置整体实现小型化。
进一步如图7所示，左右推进机构5包括第一电机51和第一丝杆螺母副，第一电机51通过第一电机51安装座安装在底座1上，第一丝杆52水平设置在底座1上，并与第一电机51相连，第一滑动机构由第一滑座54和第一滑轨53构成，第一滑轨53与第一丝杆52平行地设置在底座1上，第一滑座54架设在第一滑轨53上，第一滑座54与第一丝杠52螺纹配合。前后推进机构6安装在第一安装座64上，第一安装座64固定在第一滑座54上，前后推进机构6包括第二电机61和第二丝杆螺母副，第二电机61通过第二电机安装座安装在第一安装座64上，第二丝杆62水平设置在第一安装座64上，并与第二电机61相连，第二滑动机构由第二滑座65和第二滑轨63构成，第二滑轨63与第二丝杆62平行地设置在第一安装座64上，第二滑座65架设在第二滑轨63上，第二滑座65与第二丝杠62螺纹配合，工作台7安装在第二滑座65上。
本例中，上下推进机构3包括液压缸31以及连接在液压缸31下端的驱动杆，驱动杆与第一支撑座33连接，其他实施例中还可以为气缸或者电机与丝杆组合等。
工作台7包括刚性的支撑台以及设置在支撑台上的压紧机构，压紧机构可以为螺栓一压板的组合等，支撑台面上开设有多个螺纹安装孔71，压紧机构安装在安装孔71内。焊接前，将被焊工件置于刚性支撑台上，并用压紧装置对其进行夹紧，以实现被焊工件的刚性固定。工作台7上设置多个均匀分布的螺纹孔，便于选用合适的方式与位置固定被焊工件。
所述第一滑轨、第二滑轨和第一导轨32上均设置有光电限位开关装置9；光电限位开关装置9由限位开关安装滑台和光电限位开关组成，光电限位开关装置9安装在第一滑轨52、第二滑轨62和第一导轨32的任一侧；当滑块超出限位时，光电开关发射器与接收器之间的光路被切断，发出超限信号，从而保证搅拌摩擦焊接装置可靠工作。
本例中的旋转电机81、第一电机51、第二电机61均采用伺服电机，便于控制，精度高，当然还包括控制系统等，与各个伺服电机连接进行控制。
任何熟悉此技术的人士皆可在不违背发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由发明的权利要求所涵盖。
Claims (9)
1.一种柔性搅拌头，包括用于夹持的搅拌头主体以及连接在搅拌头主体下端的轴肩和搅拌针，其特征在于：所述搅拌针与搅拌头主体一体成型或可拆卸连接，所述搅拌针整体或搅拌针下部由耐高温柔性金属材料制成；所述耐高温柔性金属材料为进行了表面耐磨处理的钛镍系形状记忆合金、钴镍系形状记忆合金、镍锰系形状记忆合金、铜铝基形状记忆合金中的一种。
2.根据权利要求1所述的一种柔性搅拌头，其特征在于：所述搅拌针包括位于上方的针颈部和位于下方的针尖部，所述针颈部和针尖部焊接或螺纹连接，所述针尖部由耐高温柔性金属材料制成。
3.根据权利要求2所述的一种柔性搅拌头，其特征在于：所述针颈部为锥形台，所述针尖部的纵截面为矩形、梯形或三角形，所述针尖部由合金粉末柔性布制成；所述合金粉末柔性布是一种由WC或WC-Co、经机械合金化的Ni-30Cr合金粉末、橡胶、硬脂酸和树脂，通过辊压成型制备而成的金属丝网柔性复合布。
4.一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：包括权利要求1至3任意一项所述的柔性搅拌头。
5.根据权利要求4所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：还包括底座、主轴支座、左右推进机构、前后推进机构和工作台，所述左右推进机构安装在底座上，所述前后推进机构通过第一滑动机构安装在左右推进机构上，所述工作台通过第二滑动机构安装在前后推进机构上；所述主轴支座上沿竖直方向设置有第一导轨和上下推进机构，第一导轨上滑动安装有第一支撑座，该第一支撑座与上下推进机构连接，所述第一支撑座上设置有旋转电机和主轴，主轴与旋转电机输出端相连，所述柔性搅拌头连接在主轴上，并位于工作台上方。
6.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述前后推进机构和左右推进机构均包括电机和丝杆螺母副，丝杆水平设置并与电机相连，所述第一滑动机构和第二滑动机构均包括相配合滑轨和滑座，滑轨与丝杠平行布置，滑座通过螺母与丝杠连接。
7.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述上下推进机构为电机与丝杆组合、气缸或液压缸。
8.根据权利要求5所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述工作台包括刚性的支撑台以及设置在支撑台上的压紧机构，所述支撑台面上开设有多个安装孔，所述压紧机构安装在安装孔内。
9.根据权利要求6所述的一种搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述滑轨和第一导轨上均设置有光电限位开关装置；所述旋转电机和主轴分别通过第一支撑板和第二支撑板安装在第一支撑座上，旋转电机与主轴通过联轴器连接，所述主轴与第二支撑板之间设置有轴承。
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