CN105904083B - 一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述第二支撑板上设有动态扭矩传感器，中心轴与内轴连接，内轴与搅拌头轴肩连接，中心轴外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上；所述第二支撑板与辅热装置外壳连接，辅热装置外壳内安装有对搅拌头轴肩进行加热的辅热装置。本发明的辅热装置相当于对被焊工件提供了一个新的热输入，可以使被焊金属快速达到粘塑性状态，大大减少搅拌头对工件的预热时间，同时减轻了搅拌头的磨损，对于高熔点、高硬度金属的搅拌摩擦焊接有重要的现实应用意义。
Description
技术领域
本发明涉及电阻辅热的搅拌摩擦焊具，属于焊接领域。
背景技术
自英国焊接研究所(TWI)于191年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，经常会有焊缝缺陷以及焊缝尾部出现“匙孔”。随着焊接技术的辅助手段快速发展，机器人技术发展日趋成熟，但目前的搅拌摩擦焊接的装备体积和重量普遍较大，难以直接安装于机器人手臂的末端；此外现有搅拌摩擦焊接设备没有测量控制系统，无法对焊接过程的扭矩、轴向力和焊具姿态进行合适的检测与控制。
专利(CN 104139240A)提出了一个可回抽双轴肩搅拌头，但没有对如何回抽高速旋转的搅拌针提出具体方法；专利(CN 104475965A)提出了一种搅拌摩擦焊接装置，力矩电机定子固定安装在主轴的内孔中，使得整个装置体积偏大，此外回抽电机和减速机没有与力矩电机同轴安装，回抽装置采用皮带进行力矩传输，使整个装置的重心不在中心轴线上，影响在焊接机械手臂上的应用；如果采用的是液压伺服控制，则更存在着维护困难、易泄漏、过载能力低、噪声大等不足。因此设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能、又能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌头及其使用方法，又能够安装于机器人手臂上进行焊接的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具，电阻辅热装置相当于对被焊工件提供了一个新的热输入，可以使被焊金属快速达到粘塑性状态，大大减少搅拌头对工件的预热时间，同时减轻了搅拌头的磨损，对于高熔点、高硬度金属的搅拌摩擦焊接有重要的现实应用意义。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述第二支撑板上设有动态扭矩传感器，所述主电机通过动态扭矩传感器与中心轴连接，中心轴与套在中心轴内的内轴连接，内轴与搅拌头轴肩连接，中心轴外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上，通过主电机转动带动搅拌头轴肩转动；所述第二支撑板与下方的辅热装置外壳连接，辅热装置外壳内安装有对搅拌头轴肩进行加热的辅热装置。
作为优选，所述辅热装置包含一对导热块和一对电阻丝，两根电阻丝分别穿过辅热装置外壳与位于辅热装置外壳边沿的导热块连接，搅拌头轴肩位于两个导热块之间。
作为优选，所述支撑室外壳内设有冷却装置。
作为优选，所述冷却装置包含位于支撑室外壳内的水管通道，水管通道内有循环冷却水。
作为优选，所述内轴顶端通过压力传感器与中心轴的内孔顶端连接，中心轴的下端安装有一对圆形导轨，圆形导轨上套有弹簧，通过弹簧将内轴压紧在压力传感器上。
作为优选，所述中心轴上套有汇流环，汇流环与压力传感器信号连接。
有益效果：本发明的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，具有以下优点：
(1)这是一种新式的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其电阻辅热装置相当于对被焊工件提供了一个新的热输入，可以使被焊金属快速达到粘塑性状态，大大减少搅拌头对工件的预热时间，同时减轻了搅拌头的磨损，对于高熔点、高硬度金属的搅拌摩擦焊接有重要的现实应用意义。
(2)该焊具结构简单，实用性强，其主要部件均采用了同心式的设计，使得装置的重心稳定在中心轴线上，很大程度上简化了焊具结构，减小了焊具的体积，这对于焊接机械手臂上的应用具有重要的现实意义。
(3)该焊具在轴向压力检测上采用了信号汇流环的方式，通过信号汇流环可以在搅拌头高速旋转的同时将轴向下压力检测并输送到外界。
(4)该焊具在电阻辅热装置的基础上安装了水冷装置，通过循环水冷的方式降低支撑室内部温度，对支撑室内部构件起保护作用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中支撑室内部结构示意图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明的一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳1，所述动力室外壳1内依次设有第一支撑板和第二支撑板5，所述第一支撑板上设有主电机16，所述第二支撑板5上设有动态扭矩传感器2，所述主电机16通过动态扭矩传感器2与中心轴12连接，中心轴12与套在中心轴12内的内轴11连接，内轴11与搅拌头轴肩10连接，中心轴12外套有轴承17，轴承17位于支撑室外壳8内，轴承17通过圆形挡圈15固定在支撑室外壳8内，支撑室外壳8固定在第二支撑板5上，通过主电机16转动带动搅拌头轴肩10转动；所述第二支撑板5与下方的辅热装置外壳6连接，辅热装置外壳6内安装有对搅拌头轴肩10进行加热的辅热装置，所述辅热装置包含一对导热块9和一对电阻丝4，两根电阻丝4分别穿过辅热装置外壳6与位于辅热装置外壳6边沿的导热块9连接，搅拌头轴肩10位于两个导热块9之间。
在本发明中，所述支撑室外壳8内设有冷却装置，所述冷却装置包含位于支撑室外壳8内的水管通道，水管通道内有循环冷却水。所述内轴11顶端通过压力传感器14与中心轴12的内孔顶端连接，中心轴12的下端安装有一对圆形导轨19，圆形导轨19上套有弹簧20，通过弹簧20将内轴11压紧在压力传感器14上，弹簧20可以支撑内轴11和压力传感器14的自重并使内轴11能够将压力传感器14顶紧，使之不在轴向松动；焊接过程中，压力传感器14与中心轴12同步旋转，其输出信号通过信号汇流环13输出；信号汇流环13套在中心轴12外面，通过支撑轴承17和套筒18固定在中心轴12轴肩和圆形挡圈15之间。
上述部件中动力室外壳1、动力室支撑板、辅热装置外壳6、支撑室外壳8、内轴11、中心轴12、圆形挡圈15均可采用普通碳钢制成；主电机16可采用市面上常用的高转速电机；动态扭矩传感器2可采用市面上常见的转矩传感器；压力传感器14可采用市面上的圆环式压力传感器14；搅拌头轴肩10可以选用高温合金钢制成；导热块9可以采用铜质材料加工而成。
其中电阻辅热装置安装于辅热装置外壳6中，由电极3、电阻丝4、导热块9组成；焊接时电极3通电，使得电阻丝4发热，并将热量传递给导热块9，导热块9再将热量传递给被焊工件，起到辅热的作用；水冷装置7安装于支撑室外壳8中，里边通水循环冷却，对支撑室起到降温作用，保护支撑室内部信号汇流环13和压力传感器14等部件。
由于压力传感器14安装于内轴11和中心轴12之间，而内轴11和中心轴12通过弹簧20和圆形导轨19装配固定，所以在装配固定过程中压力传感器14会有一个初始值F0，这个初始值F0正是弹簧20的预紧结果。实际焊接过程中，压力传感器14会测得压力F1，则焊接过程中的实际轴向压力大小为F＝F1-F0。通过对轴向压力反馈F与焊接质量的研究，我们可以分析轴向压力大小对焊接质量的影响。
一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其焊前工作流程：
Step1：将整个焊具安装于焊机的机头；
Step2：调整弹簧20的松紧程度，使压力传感器14获得初始空载压力；
Step3：将搅拌头安装于内轴11上；
Step4：启动水冷装置7；
Step5：启动电阻辅热装置；
Step6：下降焊具，使搅拌头下部的搅拌针与工件接触；
Step7：启动主电机16，开始焊接。
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 (6)
1.一种电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其特征在于：包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述第二支撑板上设有动态扭矩传感器，所述主电机通过动态扭矩传感器与中心轴连接，中心轴与套在中心轴内的内轴连接，内轴与搅拌头轴肩连接，中心轴外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上，通过主电机转动带动搅拌头轴肩转动；所述第二支撑板与下方的辅热装置外壳连接，辅热装置外壳内安装有对搅拌头轴肩进行加热的辅热装置。
2.根据权利要求1所述的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述辅热装置包含一对导热块和一对电阻丝，两根电阻丝分别穿过辅热装置外壳与位于辅热装置外壳边沿的导热块连接，搅拌头轴肩位于两个导热块之间。
3.根据权利要求1所述的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述支撑室外壳内设有冷却装置。
4.根据权利要求3所述的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述冷却装置包含位于支撑室外壳内的水管通道，水管通道内有循环冷却水。
5.根据权利要求1所述的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述内轴顶端通过压力传感器与中心轴的内孔顶端连接，中心轴的下端安装有一对圆形导轨，圆形导轨上套有弹簧，通过弹簧将内轴压紧在压力传感器上。
6.根据权利要求5所述的电阻辅热的搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述中心轴上套有汇流环，汇流环与压力传感器信号连接。
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