CN105537754B - 下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头及焊接方法，它涉及一种搅拌摩擦焊接用搅拌头及焊接方法。本发明为了解决现有自持式搅拌摩擦焊上、下轴肩距离在焊接过程中不可调，导致板材厚度不均时出现严重的飞边缺陷从而降低接头承载能力，或者导致搅拌针在焊接过程中断裂的问题。装置：上轴肩与搅拌针同轴固装在一起；浮动下轴肩套装在搅拌针上，搅拌针的下部与气腔体连接；在浮动下轴肩中心与搅拌针配合处设置第一密封圈，在浮动下轴肩与气腔体配合处设置第二密封圈。方法：步骤一、搅拌头的组装；步骤二、搅拌摩擦焊接；步骤三、搅拌头的拆卸。本发明适用于搅拌摩擦焊接。
Description
技术领域
本发明涉及一种自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头及焊接方法，具体涉及一种下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头及焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是英国焊接研究所在1991年发明的一种新型的固相连接方法。自发明以来，这一方法在轨道交通和航空航天等领域得以广泛应用。自持式搅拌摩擦焊是由常规搅拌摩擦焊衍生而来的一种焊接技术，既有效避免了采用传统熔焊方法所导致的裂纹和气孔等问题，又解决了常规搅拌摩擦焊需要背部垫板支撑和根部未焊合等问题，因此自持式搅拌摩擦焊很大程度上增加了焊接的灵活性和适应性，在中空构件的焊接方面具有独特的优势。
目前，自持式搅拌摩擦焊所使用的搅拌头在焊接过程中上、下轴肩距离固定不变，如果装卡不慎或被焊工件厚度不均，就容易出现严重的飞边缺陷降低接头承载能力，或者导致搅拌头在焊接过程中发生断裂。而在实际生产中，一个长达五十多米甚至上百米的工件的装卡是无法完全避免其厚度方向上的变化。现有的下轴肩位置可调的双轴肩搅拌摩擦头仅仅可以实现手动调节上、下轴肩的距离，即一个搅拌头适用于多种厚度板材的焊接，而无法实现焊接过程中上、下轴肩距离随板材厚度的变化而变化；浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接工具是通过在上轴肩设置导向槽，再与刀柄配合来实现焊接时轴向的运动，但是并没有实现上、下轴肩距离的随焊调节。因此，现有的自持式搅拌摩擦焊上、下轴肩距离在焊接过程中不可调，导致板材厚度变化时出现严重的飞边缺陷从而降低接头承载能力，或者搅拌针在焊接过程中发生断裂。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有自持式搅拌摩擦焊上、下轴肩距离在焊接过程中不可调，导致板材厚度不均时出现严重的飞边缺陷从而降低接头承载能力，或者导致搅拌针在焊接过程中发生断裂的问题，进而提供一种随焊浮动自持式搅拌下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头及焊接方法。
本发明的技术方案是：下轴肩随焊浮动的搅拌摩擦焊接用搅拌头，它包括上轴肩、搅拌针、浮动下轴肩、箍紧环、气腔体、第一密封圈、第二密封圈、多个螺杆、多个螺母和多个沉头螺钉，
上轴肩的下端与搅拌针的上端同轴固装在一起；浮动下轴肩套装在搅拌针上，搅拌针与浮动下轴肩配合处不攻螺纹且加工有第一密封圈槽，搅拌针的其余侧面均攻有螺纹，搅拌针的非螺纹上部为上部螺纹，搅拌针的非螺纹下部为下部螺纹，搅拌针的下部与气腔体连接；在浮动下轴肩中心与搅拌针配合处设置第一密封圈，在浮动下轴肩与气腔体配合处设置第二密封圈，
浮动下轴肩的中心开设圆形第一通孔并与搅拌针配合，第一通孔周向加工有第二密封圈槽，浮动下轴肩的边缘均匀分布四个圆柱形轨道，且浮动下轴肩与气腔体的配合处加工有第三密封圈槽；
箍紧环上均匀分布四个圆形第二通孔与浮动下轴肩圆柱形轨道相配合，并在相邻两圆形第二通孔之间设置第一螺纹孔用以与气腔体的连接，在箍紧环外围各第二通孔连接处开设第三通孔，第二通孔均由相邻两部分拼成，多个螺杆和多个螺母与第三通孔配合使箍紧环周向固定，第一螺纹孔处相邻两部分呈“Z”字形交叉并用沉头螺钉与气腔体连接使箍紧环轴向固定；
气腔体的中心开有第二螺纹孔与搅拌针下部螺纹连接，气腔体的边缘均匀分布四个第三螺纹孔与箍紧环用多个沉头螺钉连接，气腔体的内侧壁加工有第二密封圈槽，下部开设有一个一级进气孔和四个二级进气孔；
搅拌头的上轴肩、搅拌针、浮动下轴肩、箍紧环、气腔体、第一密封圈和第二密封圈均同轴设置；
箍紧环的第二通孔的高度t小于浮动下轴肩的圆柱形轨道高度T；四个二级进气孔均与一级进气孔相连，一级进气孔与外部气动辅助装置相连。
本发明还提供了一种使用下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头的焊接方法，它包括以下步骤：
步骤一、搅拌头的组装：
将固装在一起的上轴肩和搅拌针穿过浮动下轴肩中心的第一通孔，此时将第一密封圈固定在浮动下轴肩下端部中心和搅拌针配合的第一密封圈槽和第二密封圈槽内，将第二密封圈固定在浮动下轴肩外缘的第二密封圈槽内，再将搅拌针下部侧面螺纹旋入气腔体中心的第二螺纹孔固定，并使浮动下轴肩上的第二密封圈嵌入气腔体的第四密封圈槽内，然后将箍紧环箍在浮动下轴肩的外缘使各圆柱形轨道与第二通孔同轴配合，用四套螺杆和螺母与第三通孔配合使箍紧环周向固定，再用四颗沉头螺钉旋入第一螺纹孔和第三螺纹孔将箍紧环和气腔体轴向固定，最后将一级进气孔与外部气动辅助装置相连，完成下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头的组装；
步骤二、搅拌摩擦焊接：
固定被焊工件，设置焊接工艺参数，打开气动辅助装置，进行搅拌摩擦焊接，焊接完成后关闭气动辅助装置，并将搅拌头移出工件；
步骤三、搅拌头的拆卸：
将下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头与气动辅助装置分离，固定搅拌头的上轴肩、搅拌针、浮动下轴肩和气腔体，旋出箍紧环的周向固定螺杆、螺母和轴向固定沉头螺钉并将其与浮动下轴肩和气腔体分离，然后旋动气腔体使其与上轴肩、搅拌针和浮动下轴肩分离，取下第一密封圈和第二密封圈并将浮动下轴肩与上轴肩和搅拌针分离，完成搅拌头的拆卸。
本发明与现有技术相比具有以下效果：
本发明在下轴肩外缘对称设置圆柱形轨道，与下方的气腔体配合实现随焊浮动，借助气动辅助装置实现恒压力下自持式搅拌摩擦焊接保证焊缝成形。通过浮动下轴肩在气腔体里的轴向运动适应焊接过程中工件厚度方向的变化，极大地增强了自持式搅拌摩擦焊对实际工况的适应性，可有效避免焊接缺陷的产生。
与现有自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头相比，克服了上、下轴肩距离在焊接过程中不可调问题，真正实现了下轴肩随焊浮动适应板厚变化，从而改善焊缝成形提高焊接质量。
附图说明
图1为本发明的下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头分体示意图，11是上轴肩，12是搅拌针，13是浮动下轴肩，14是箍紧环，15是气腔体，16是第一密封圈，17是第二密封圈，18是螺杆，19是螺母，20是沉头螺钉；
图2为本发明的焊接过程示意图，21是被焊工件；
图3为图1中上轴肩11和搅拌针12结构示意图，31是上部焊接螺纹，32是下部连接螺纹，33是第一密封圈槽；
图4为图1中浮动下轴肩13的结构示意图；
图5为图1中浮动下轴肩13的剖视图，41是圆形第一通孔，42是圆柱形轨道，43是第一密封圈槽，44是第二密封圈槽，T是圆柱形轨道高度；
图6为图1中箍紧环14结构示意图，51是圆形第二通孔，52是第一螺纹孔，53是圆形第三通孔，t是圆形第二通孔高度；
图7为图1中气腔体15的结构示意图；
图8为图1中气腔体15的剖视图，61是第二螺纹孔，62是第一螺纹孔，63是一级进气孔，64是二级进气孔，65是第二密封圈槽。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式下轴肩随焊浮动的搅拌摩擦焊接用搅拌头，它包括上轴肩11、搅拌针12、浮动下轴肩13、箍紧环14、气腔体15、第一密封圈16、第二密封圈17、多个螺杆18、多个螺母19和多个沉头螺钉20，
上轴肩11的下端与搅拌针12的上端同轴固装在一起；浮动下轴肩13套装在搅拌针12上，搅拌针12与浮动下轴肩13配合处不攻螺纹且加工有第一密封圈槽33，搅拌针12的其余侧面均攻有螺纹，搅拌针12的非螺纹上部为上部螺纹31，搅拌针12的非螺纹下部为下部螺纹32，搅拌针12的下部与气腔体15连接；在浮动下轴肩13中心与搅拌针12配合处设置第一密封圈16，在浮动下轴肩13与气腔体15配合处设置第二密封圈17，
浮动下轴肩13的中心开设圆形第一通孔41并与搅拌针12配合，第一通孔41周向加工有第二密封圈槽43，浮动下轴肩13的边缘均匀分布四个圆柱形轨道42，且四个圆柱形轨道42与气腔体15的配合处加工有第三密封圈槽44；
箍紧环14上均匀分布四个圆形第二通孔51与浮动下轴肩圆柱形轨道42相配合，并在相邻两圆形第二通孔51之间设置第一螺纹孔52用以与气腔体15的连接，在箍紧环14外围各第二通孔51连接处开设第三通孔53，第二通孔51均由相邻两部分拼成，多个螺杆18和多个螺母19与第三通孔53配合使箍紧环14周向固定，第一螺纹孔52处相邻两部分呈“Z”字形交叉并用沉头螺钉20与气腔体15连接使箍紧环14轴向固定；
气腔体15的中心开有第二螺纹孔61与搅拌针下部螺纹32连接，气腔体15的边缘均匀分布四个第三螺纹孔62与箍紧环14用多个沉头螺钉20连接，气腔体15的内侧壁加工有第四密封圈槽65，下部开设有一个一级进气孔63和四个二级进气孔64；
搅拌头的上轴肩11、搅拌针12、浮动下轴肩13、箍紧环14、气腔体15、第一密封圈16和第二密封圈17均同轴设置；
箍紧环14的第二通孔51的高度t小于浮动下轴肩13的圆柱形轨道高度T；四个二级进气孔64均与一级进气孔63相连，一级进气孔63与外部气动辅助装置相连，在恒压力下完成下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接。
为加强搅拌头的密封性，在浮动下轴肩13中心与搅拌针12配合处设置第一密封圈16，在浮动下轴肩13与气腔体15配合处设置第二密封圈17。
具体实施方式二：结合图1和图6说明本实施方式，本实施方式的箍紧环14由八块相同的弧形环组成，每两个弧形环相对对接组成一组连接块，四组连接块顺次连接组成箍紧环。如此设置，可以实现箍紧环14与浮动下轴肩13和气腔体15的紧密连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图6说明本实施方式，本实施方式的箍紧环14的第二通孔51的高度t为8-12mm。如此设置，是为了保证箍紧环14具有较高强度。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图6说明本实施方式，本实施方式的箍紧环14的第二通孔51的高度t为10mm。如此设置，是为了保证箍紧环14具有较高强度。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图5说明本实施方式，本实施方式的浮动下轴肩13的圆柱形轨道高度T为13-17mm。如此设置，以便于与箍紧环14的第二通孔51配合实现浮动下轴肩13在随焊浮动。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。
具体实施方式六：结合图5说明本实施方式，本实施方式的浮动下轴肩13的圆柱形轨道高度T为15mm。如此设置，以便于与箍紧环14的第二通孔51配合实现浮动下轴肩13在随焊浮动。其它组成和连接关系与具体实施方式一或五相同。
具体实施方式七：结合图1至图8说明本实施方式，本实施方式的使用下轴肩随焊浮动的搅拌摩擦焊接用搅拌头的焊接方法，它包括以下步骤：
步骤一、搅拌头的组装：
将固装在一起的上轴肩11和搅拌针12穿过浮动下轴肩13中心的第一通孔41，此时将第一密封圈16固定在浮动下轴肩13下端部中心和搅拌针12配合的第一密封圈槽33和第二密封圈槽43内，将第二密封圈17固定在浮动下轴肩13外缘的第三密封圈槽44内，再将搅拌针12下部侧面螺纹32旋入气腔体中心的第二螺纹孔61固定，并使浮动下轴肩13上的第二密封圈17嵌入气腔体15的第四密封圈槽65内，然后将箍紧环14箍在浮动下轴肩13的外缘使各圆柱形轨道42与第二通孔51同轴配合，用四套螺杆18和螺母19与第三通孔53配合使箍紧环14周向固定，再用四颗沉头螺钉20旋入第一螺纹孔52和第三螺纹孔62将箍紧环14和气腔体15轴向固定，最后将一级进气孔63与外部气动辅助装置相连，完成下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头的组装；
步骤二、搅拌摩擦焊接：
固定被焊工件21，设置焊接工艺参数，打开气动辅助装置，进行搅拌摩擦焊接，焊接完成后关闭气动辅助装置，并将搅拌头移出工件；
步骤三、搅拌头的拆卸：
将下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头与气动辅助装置分离，固定搅拌头的上轴肩11、搅拌针12、浮动下轴肩13和气腔体15，旋出箍紧环14的周向固定螺杆18、螺母19和轴向固定沉头螺钉20并将其与浮动下轴肩13和气腔体15分离，然后旋动气腔体15使其与上轴肩11、搅拌针12和浮动下轴肩13分离，取下第一密封圈16和第二密封圈17并将浮动下轴肩13与上轴肩11和搅拌针12分离，完成搅拌头的拆卸。
具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式的步骤二中利用装卡工具将被焊工件固定在搅拌摩擦焊焊机的工作台上，使被焊工件对接且处于同一水平面上。如此设置，可以获得高质量的焊缝。其它组成和连接关系与具体实施方式一或七相同。
Claims (8)
1.一种下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：它包括上轴肩(11)、搅拌针(12)、浮动下轴肩(13)、箍紧环(14)、气腔体(15)、第一密封圈(16)、第二密封圈(17)、多个螺杆(18)、多个螺母(19)和多个沉头螺钉(20)，
上轴肩(11)的下端与搅拌针(12)的上端同轴固装在一起；浮动下轴肩(13)套装在搅拌针(12)上，搅拌针(12)与浮动下轴肩(13)配合处不攻螺纹且加工有第一密封圈槽(33)，搅拌针(12)的其余侧面均攻有螺纹，搅拌针(12)的非螺纹上部为上部螺纹(31)，搅拌针(12)的非螺纹下部为下部螺纹(32)，搅拌针(12)的下部与气腔体(15)连接；在浮动下轴肩(13)中心与搅拌针(12)配合处设置第一密封圈(16)，在浮动下轴肩(13)与气腔体(15)配合处设置第二密封圈(17)，
浮动下轴肩(13)的中心开设圆形第一通孔(41)并与搅拌针(12)配合，第一通孔(41)周向加工有第二密封圈槽(43)，浮动下轴肩(13)的边缘均匀分布四个圆柱形轨道(42)，且浮动下轴肩(13)与气腔体(15)的配合处加工有第三密封圈槽(44)；
箍紧环(14)上均匀分布四个圆形第二通孔(51)与浮动下轴肩圆柱形轨道(42)相配合，并在相邻两圆形第二通孔(51)之间设置第一螺纹孔(52)用以与气腔体(15)的连接，在箍紧环(14)外围各第二通孔(51)连接处开设第三通孔(53)，第二通孔(51)均由相邻两部分拼成，多个螺杆(18)和多个螺母(19)与第三通孔(53)配合使箍紧环(14)周向固定，第一螺纹孔(52)处相邻两部分呈“Z”字形交叉并用沉头螺钉(20)与气腔体(15)连接使箍紧环(14)轴向固定；
气腔体(15)的中心开有第二螺纹孔(61)与搅拌针下部螺纹(32)连接，气腔体(15)的边缘均匀分布四个第三螺纹孔(62)与箍紧环(14)用多个沉头螺钉(20)连接，气腔体(15)的内侧壁加工有第四密封圈槽(65)，下部开设有一个一级进气孔(63)和四个二级进气孔(64)；
搅拌头的上轴肩(11)、搅拌针(12)、浮动下轴肩(13)、箍紧环(14)、气腔体(15)、第一密封圈(16)和第二密封圈(17)均同轴设置；
箍紧环(14)的第二通孔(51)的高度(t)小于浮动下轴肩(13)的圆柱形轨道高度(T)；四个二级进气孔(64)均与一级进气孔(63)相连，一级进气孔(63)与外部气动辅助装置相连。
2.根据权利要求1所述的下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：箍紧环(14)由八块相同的弧形环组成，每两个弧形环相对对接组成一组连接块，四组连接块顺次连接组成箍紧环。
3.根据权利要求2所述的下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：箍紧环(14)的第二通孔(51)的高度(t)为8-12mm。
4.根据权利要求3所述的下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：箍紧环(14)的第二通孔(51)的高度(t)为10mm。
5.根据权利要求4所述的下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：浮动下轴肩(13)的圆柱形轨道高度(T)为13-17mm。
6.根据权利要求5所述的下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于：浮动下轴肩(13)的圆柱形轨道高度(T)为15mm。
7.一种使用权利要求1所述的下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头的焊接方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一、搅拌头的组装：
将固装在一起的上轴肩(11)和搅拌针(12)穿过浮动下轴肩(13)中心的第一通孔(41)，此时将第一密封圈(16)固定在浮动下轴肩(13)下端部中心和搅拌针(12)配合的第一密封圈槽(33)和第二密封圈槽(43)内，将第二密封圈(17)固定在浮动下轴肩(13)外缘的第三密封圈槽(44)内，再将搅拌针(12)下部侧面螺纹(32)旋入气腔体中心的第二螺纹孔(61)固定，并使浮动下轴肩(13)上的第二密封圈(17)嵌入气腔体(15)的第四密封圈槽(65)内，然后将箍紧环(14)箍在浮动下轴肩(13)的外缘使各圆柱形轨道(42)与第二通孔(51)同轴配合，用四套螺杆(18)和螺母(19)与第三通孔(53)配合使箍紧环(14)周向固定，再用四颗沉头螺钉(20)旋入第一螺纹孔(52)和气腔体(15)的第三螺纹孔(62)将箍紧环(14)和气腔体(15)轴向固定，最后将一级进气孔(63)与外部气动辅助装置相连，完成下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头的组装；
步骤二、搅拌摩擦焊接：
固定被焊工件(21)，设置焊接工艺参数，打开气动辅助装置，进行搅拌摩擦焊接，焊接完成后关闭气动辅助装置，并将搅拌头移出工件；
步骤三、搅拌头的拆卸：
将下轴肩随焊浮动适应板厚变化的自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头与气动辅助装置分离，固定搅拌头的上轴肩(11)、搅拌针(12)、浮动下轴肩(13)和气腔体(15)，旋出箍紧环(14)的周向固定螺杆(18)、螺母(19)和轴向固定沉头螺钉(20)并将其与浮动下轴肩(13)和气腔体(15)分离，然后旋动气腔体(15)使其与上轴肩(11)、搅拌针(12)和浮动下轴肩(13)分离，取下第一密封圈(16)和第二密封圈(17)并将浮动下轴肩(13)与上轴肩(11)和搅拌针(12)分离，完成搅拌头的拆卸。
8.根据权利要求7所述的使用下轴肩随焊浮动自持式搅拌摩擦焊接用搅拌头的焊接方法，其特征在于：步骤二中的利用装卡工具将被焊工件固定在搅拌摩擦焊焊机的工作台上，使被焊工件对接且处于同一水平面上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |