CN105598574B - 搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴 - Google Patents

Abstract

本发明公开搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴。该主轴通过增加外套筒而使得外套筒、搅拌针和搅拌套组成双动环结构，外套筒的回转运动不仅可以加速焊接材料的温升速度，而且可以增加对搅拌针以及搅拌套外围塑性流动材料的约束，从而，提高搅拌摩擦焊材料的回填效率，以达到提高焊缝或者焊点质量的目的，从而，解决目前薄壁铝锂合金密封结构等对高质量、高可靠、低应力焊接等的需求问题。

Description

搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴

技术领域

本发明涉及焊接设备，尤其涉及搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴，该主轴将搅拌摩擦缝焊和搅拌摩擦点焊两种功能集于一体，可以通过对可回抽搅拌针以及可回抽搅拌套运动的伺服控制，从而实现缝焊和点焊的切换，以满足搅拌磨擦缝焊和点焊的需求。

背景技术

随着航天、航空、轨道交通以及汽车等制造业的发展，铝合金材料以其质量轻、抗腐蚀等特性赢得了青睐，并得到了广泛应用。而随着工业发展对铝合金材料性能越来越高的要求，并在材料技术的推动下，铝合金材料的性能不断提高，大量优异性能的新牌号硬铝、超硬铝等材料不断涌向现。焊接作为铝合金常用的一种加工方法，传统的弧焊以及电阻电焊等焊接方法，由于铝合金材料表面致密的氧化层以及焊接变形，将会制约铝合金材料的进一步推广。因此，新型的焊接方式是铝合金技术得以推广应用的有力保障，基于此，英国焊接研究所（The Welding Institute）发明了搅拌摩擦焊，作为一种新型的轻金属材料的固相联接技术。随着工业需求对搅拌摩擦焊焊缝和焊点质量的要求，德国GKSS在搅拌摩擦焊接基础上发明了回填式搅拌摩擦点焊（FSSW），这是一种新型的无匙孔搅拌摩擦焊技术。搅拌摩擦焊技术的问世进一步推动了铝合金材料在各工业行业的应用。自搅拌摩擦（点）焊技术发明以来，该技术得到广泛的关注和深入的研究，特别是针对铝合金材料。而搅拌摩擦焊主轴头及搅拌摩擦焊工具的设计和研制关系到搅拌摩擦焊的焊接质量和效率。

发明内容

本发明解决的问题是目前薄壁铝锂合金密封结构等对高质量、高可靠、低应力焊接等的需求问题。

为解决上述问题，本发明提供一种搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴，包括具有搅拌针和搅拌套的搅拌摩擦焊主轴头，所述搅拌针位于搅拌套内，其特征是：该主轴还包括驱动装置和外套筒，所述搅拌套和搅拌针位于外套筒内而与该外套筒共同组成双动环结构，所述驱动装置驱动外套筒绕着搅拌针的轴线转动。

在进一步方案中，所述驱动装置是电主轴驱动装置。

在进一步方案中，所述搅拌摩擦焊主轴头包括空心的主轴支撑壳体、安装于主轴支撑壳体的座体、搅拌轴肩轴、搅拌套回抽机构、搅拌针回抽机构和回转机构，其中，所述搅拌套回抽机构包括肩轴空心丝杠、由带轮和螺母构成的肩轴回抽螺母和搅拌套回抽电机，其中，所述搅拌套连接于搅拌轴肩轴的尾端，该搅拌抽肩轴的中间端与肩轴空心丝杠连接，肩轴空心丝杠与肩轴回抽螺母的螺母连接，肩轴回抽螺母与所述座体通过肩轴回抽轴承连接，肩轴回抽螺母的带轮通过肩轴回抽螺母同步带连接于所述搅拌套回抽电机，搅拌套回抽电机转动而通过所述肩轴回抽螺母同步带以及肩轴回抽螺母的带轮带动所述肩轴回抽螺母的螺母转动，该螺母转动带动所述肩轴空心丝杠直线运动；所述搅拌针回抽机构包括搅拌针回抽主轴、回抽主轴连接接口、搅拌针回抽轴、回抽轴空心丝杠、搅拌针回抽螺母、回抽主电机同步带和回抽电机，其中，所述搅拌针回抽主轴的尾端连接有所述搅拌针，顶端通过所述回抽主轴连接接口连接搅拌针回抽轴，搅拌针回抽轴连接于回抽轴空心丝杠，回抽轴空心丝杠连接于搅拌针回抽螺母，该搅拌针回抽螺母通过回抽主电机同步带连接搅拌针回抽电机，该搅拌针回抽电机转动通过回抽主电机同步带带动所述搅拌针回抽螺母转动，搅拌针回抽螺母转动带动回抽轴空心丝杠使得搅拌针回抽主轴直线运动而带动搅拌针直线运动；所述回转机构包括回转电机、回转同步带、回转同步带轮、回转同步支承轴承和转接法兰，其中，所述搅拌轴肩轴的顶端通过平键连接于所述回转同步带轮，该回转同步带轮通过回转同步带连接于所述回转电机，还通过回转同步支撑轴承连接于转接法兰，该转接法兰固定于底座，回转电机转动而通过回转同步带和回转同步带轮使得搅拌轴肩轴转动，搅拌轴肩轴转动带动搅拌针和搅拌套同步转动。

在进一步方案中，所述电主轴驱动装置包括电主轴定子、电主轴转子和外套轴，其中，所述外套筒连接于外套轴的尾端，所述电主轴定子固定于主轴支撑壳体的内壁，所述电主轴转子固定于外套轴，所述外套轴的顶端通过第一支撑轴承连接于主轴支撑壳体的顶端以及尾端通过第二支撑轴承连接于主轴支撑壳体的尾端；所述搅拌轴肩轴的尾端还通过转接滑套轴承与外套轴转接滑套连接，外套轴转接滑套与转接大滑套通过滑动摩擦副连接，转接大滑套通过支撑轴承连接于所述外套轴的尾端内壁。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明通过增加外套筒而使得外套筒、搅拌针和搅拌套组成双动环结构，外套筒的回转运动不仅可以加速焊接材料的温升速度，而且可以增加对搅拌针以及搅拌套外围塑性流动材料的约束，从而，提高搅拌摩擦焊材料的回填效率，以达到提高焊缝或者焊点质量的目的，从而，解决目前薄壁铝锂合金密封结构等对高质量、高可靠、低应力焊接等的需求问题。

附图说明

图1是本发明搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴第一实施方式的结构示意图；

图2是本发明搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴第二实施方式的结构示意图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

请参阅图1，本发明搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴包括具有搅拌针1和搅拌套2的搅拌摩擦焊主轴头、驱动装置和外套筒3。所述搅拌针1位于搅拌套2内。所述搅拌套2和搅拌针1位于外套筒3内而与外套筒3共同组成双动环结构。所述驱动装置驱动外套筒3绕着搅拌针1的轴线转动。搅拌套2相对于外套筒3可以正向运动和负向运动（假设外套筒3不动）；搅拌针1相对于外套筒3可以正向运动和负向运动（假设外套筒3不动）；搅拌针1相对于搅拌套2可以正向运动和负向运动。本发明通过增加外套筒3，外套筒3的回转运动不仅可以加速焊接材料的温升速度，而且可以增加对搅拌针1以及搅拌套2外围塑性流动材料的约束，从而提高搅拌摩擦焊材料的回填效率，以达到提高焊缝或者焊点质量的目的，从而解决目前薄壁铝锂合金密封结构等对高质量、高可靠、低应力焊接等的需求问题。

请参阅图2，本发明搅拌摩擦焊接焊缝与点焊一体化主轴的第二实施方式公开了结构更为详细的主轴。在该第二实施方式中，搅拌针1和搅拌套2的回转动采用同一个伺服电机实现；而外套筒3的转动则通过电主轴实现，主要是为了减小该双动环主轴的体积和质量。搅拌针1的回抽和搅拌套2的回抽由独立的伺服电机通过同步带带动螺母转动，从而，通过螺母丝杠机构将转动转换为回抽的直线运动。下面结合图2具体说明该第二实施方式的结构如下：

请参阅图2，在该实施方式中，所述主轴头包括空心的主轴支承壳体33、安装于主轴支撑壳体33的座体34、搅拌轴肩轴32、搅拌套回抽机构、搅拌针回抽机构和回转机构。

请继续参阅图2，所述搅拌套回抽机构包括肩轴空心丝杠21、由带轮和螺母构成的肩轴回抽螺母19、肩轴回抽轴承5、回抽螺母同步带6、搅拌套回抽电机18。所述搅拌套2连接于搅拌轴肩轴32的尾端。该搅拌抽肩轴32的中间端与肩轴空心丝杠21连接。肩轴空心丝杠21与肩轴回抽螺母19的螺母连接，还通过连接轴承20连接于搅拌轴肩轴32。肩轴回抽螺母19与所述座体34通过肩轴回抽轴承5连接，肩轴回抽螺母19的带轮通过肩轴回抽螺母同步带6连接于所述搅拌套回抽电机18。搅拌套回抽电,18转动而通过所述肩轴回抽螺母同步带6以及肩轴回抽螺母19的带轮带动所述肩轴回抽螺母19的螺母转动，该螺母转动带动所述肩轴空心丝杠21直线运动。在上述结构中，轴肩回抽螺母采用带轮和螺母一体化设计的思想，是螺母副传动进行转动与直线运动之间的转换；肩轴空心丝杠21采用空心丝杠与花键的一体化设计，并与肩轴回抽花键套22之间采用滑动副连接。

请继续参阅图2，所述搅拌针回抽机构包括搅拌针回抽主轴17、回抽主轴连接接口15、搅拌针回抽轴10、回抽轴空心丝杠、搅拌针回抽轴花键套11、搅拌针回抽螺母支撑轴承12、搅拌针回抽螺母13、回抽主电机同步带14和搅拌针回抽电机。所述搅拌针回抽主轴17的尾端连接有所述搅拌针1，顶端通过所述回抽主轴连接接口15连接搅拌针回抽轴10。搅拌针回抽轴10连接于回抽轴空心丝杠。回抽轴空心丝杠连接于搅拌针回抽螺母13。该搅拌针回抽螺母与所述搅拌针回抽螺母支撑轴承12连接并通过回抽主电机同步带14连接搅拌针回抽电机。该搅拌针回抽电机转动通过回抽主电机同步带14带动所述搅拌针回抽螺母13转动，搅拌针回抽螺母13转动带动回抽轴空心丝杠使得搅拌针回抽主轴17直线运动而带动搅拌针1直线运动。

请继续参阅图2，在搅拌套回抽机构中采用搅拌套回抽电机18+同步带+丝杠螺母的结构实现，在搅拌针回抽机构中采用搅拌针回抽电机+同步带+丝杠螺母的结构实现，而搅拌套2的回转和搅拌针1回转运动则用同一套回转机构实现，在本实施方式中包括回转电机4、回转同步带轮9、回转同步带16、回转同步带支承轴承8和转接法兰7，其中，所述搅拌轴肩轴32的顶端通过平键连接于所述回转同步带轮9，该回转同步带轮9通过回转同步带16连接于所述回转电机4，还通过回转同步支撑轴承8连接于转接法兰7，该转接法兰7固定于底座34，回转电机4转动而通过回转同步带16和回转同步带轮9使得搅拌轴肩轴32转动，搅拌轴肩轴32转动带动搅拌针1和搅拌套2同步转动。

请继续参阅图2，所述驱动装置为电主轴驱动装置，该电主轴驱动装置包括电主轴定子26、电主轴转子25、外套轴24、第一支撑轴承23和第二支撑轴承27。所述外套筒3连接于外套轴24的尾端。所述电主轴定子26固定于主轴支撑壳体33的内壁。所述电主轴转子25固定于外套轴24，所述外套轴24的顶端通过第一支撑轴承23连接于主轴支撑壳体33的顶端以及尾端通过第二支撑轴承27连接于主轴支撑壳体33的尾端。所述搅拌轴肩轴32的尾端还通过转接滑套轴承29与外套轴转接滑套28连接，外套轴转接滑套28与转接大滑套31通过滑动摩擦副连接，转接大滑套31通过支撑轴承30连接于所述外套轴24的尾端内壁。

综上所述，本发明通过增加外套筒3而使得外套筒、搅拌针和搅拌套组成双动环结构，外套筒3的回转运动不仅可以加速焊接材料的温升速度，而且可以增加对搅拌针1以及搅拌套2外围塑性流动材料的约束，从而提高搅拌摩擦焊材料的回填效率，以达到提高焊缝或者焊点质量的目的，从而解决目前薄壁铝锂合金密封结构等对高质量、高可靠、低应力焊接等的需求问题。

Claims (2)

1.搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴，包括具有搅拌针和搅拌套的搅拌摩擦焊主轴头，所述搅拌针位于搅拌套内，其特征是：该主轴还包括驱动装置和外套筒，所述搅拌套和搅拌针位于外套筒内而与该外套筒共同组成双动环结构，所述驱动装置驱动外套筒绕着搅拌针的轴线转动;所述驱动装置是电主轴驱动装置;

所述搅拌摩擦焊主轴头包括空心的主轴支撑壳体、安装于主轴支撑壳体的座体、搅拌轴肩轴、搅拌套回抽机构、搅拌针回抽机构和回转机构，其中，

所述搅拌套回抽机构包括肩轴空心丝杠、由带轮和螺母构成的肩轴回抽螺母和搅拌套回抽电机，其中，所述搅拌套连接于搅拌轴肩轴的尾端，该搅拌抽肩轴的中间端与肩轴空心丝杠连接，肩轴空心丝杠与肩轴回抽螺母的螺母连接，肩轴回抽螺母与所述座体通过肩轴回抽轴承连接，肩轴回抽螺母的带轮通过肩轴回抽螺母同步带连接于所述搅拌套回抽电机，搅拌套回抽电机转动而通过所述肩轴回抽螺母同步带以及肩轴回抽螺母的带轮带动所述肩轴回抽螺母的螺母转动，该螺母转动带动所述肩轴空心丝杠直线运动；

所述搅拌针回抽机构包括搅拌针回抽主轴、回抽主轴连接接口、搅拌针回抽轴、回抽轴空心丝杠、搅拌针回抽螺母、回抽主电机同步带和回抽电机，其中，所述搅拌针回抽主轴的尾端连接有所述搅拌针，顶端通过所述回抽主轴连接接口连接搅拌针回抽轴，搅拌针回抽轴连接于回抽轴空心丝杠，回抽轴空心丝杠连接于搅拌针回抽螺母，该搅拌针回抽螺母通过回抽主电机同步带连接搅拌针回抽电机，该搅拌针回抽电机转动通过回抽主电机同步带带动所述搅拌针回抽螺母转动，搅拌针回抽螺母转动带动回抽轴空心丝杠使得搅拌针回抽主轴直线运动而带动搅拌针直线运动；

所述回转机构包括回转电机、回转同步带、回转同步带轮、回转同步支承轴承和转接法兰，其中，所述搅拌轴肩轴的顶端通过平键连接于所述回转同步带轮，该回转同步带轮通过回转同步带连接于所述回转电机，还通过回转同步支撑轴承连接于转接法兰，该转接法兰固定于底座，回转电机转动而通过回转同步带和回转同步带轮使得搅拌轴肩轴转动，搅拌轴肩轴转动带动搅拌针和搅拌套同步转动。

2.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊接缝焊与点焊一体化主轴，其特征是：所述电主轴驱动装置包括电主轴定子、电主轴转子和外套轴，其中，所述外套筒连接于外套轴的尾端，所述电主轴定子固定于主轴支撑壳体的内壁，所述电主轴转子固定于外套轴，所述外套轴的顶端通过第一支撑轴承连接于主轴支撑壳体的顶端以及尾端通过第二支撑轴承连接于主轴支撑壳体的尾端；所述搅拌轴肩轴的尾端还通过转接滑套轴承与外套轴转接滑套连接，外套轴转接滑套与转接大滑套通过滑动摩擦副连接，转接大滑套通过支撑轴承连接于所述外套轴的尾端内壁。

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