CN105921878A - 一种复合产热的搅拌摩擦焊具 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合产热的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳和机头外壳，与所述焊机外壳固定连接并将其分成两个容置空间的第一支撑架和第二支撑架，固定于第一支撑架上的主电机，固定于第二支撑架上的振动传感器，穿过所述第二支撑架和第一支撑架并与主电机传动连接的中心轴，以及设置于中心轴端部的压力传感系统和辅助产热系统。本发明能为搅拌摩擦焊提供额外的焊接热输入，有利于缩短预热时间提高焊接效率，对于焊接熔化温度较高的金属材料帮助很大；另外对于焊接薄板时，合理的控制好电阻热源的热输入可以有效的降低工件的变形量，从而获得更优质的焊接接头。

Description

一种复合产热的搅拌摩擦焊具
技术领域
本发明涉及有色金属焊接加工技术，尤其是一种复合产热的搅拌摩擦焊具。
背景技术
自英国焊接研究所发明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，无法对焊接过程的位移、压力、搅拌针扭矩和搅拌摩擦焊焊机振动进行合适的控制与检测；此外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。
发明内容
发明目的：提供一种复合产热的搅拌摩擦焊具，以解决现有技术存在上述问题。
技术方案：一种复合产热的搅拌摩擦焊具，包括中空的焊机外壳和机头外壳，与所述焊机外壳固定连接并将其分成两个容置空间的第一支撑架和第二支撑架，固定于第一支撑架上的主电机，固定于第二支撑架上的振动传感器，穿过所述第二支撑架和第一支撑架并与主电机传动连接的中心轴，以及设置于中心轴端部的压力传感系统和辅助产热系统，所述中心轴的端部具有一中空腔体；
所述压力传感系统包括旋转夹具、设置于旋转夹具端部的压力传感器和位于中心轴外侧的汇流环，所述旋转夹具的一端延伸至中心轴的中空腔体内，另一端设置有凸台，凸台上开有通孔，一套设有弹簧的导轨穿过所述通孔并与中心轴固定连接；所述辅助产热系统包括设置于机头外壳内的机头内壳、形成于所述机头内壳中的冷却水循环内腔，及加热组件；所述加热组件包括电阻辅助热源及与电阻辅助热源连接的加热头，所述机头外壳与机头内壳之间具有一定的容置空间，所述加热头位于机头内壳的端部，电阻辅助热源沿所述容置空间延伸至机头内壳的另一端。
在进一步的实施例中，所述中心轴与机头内壳之间设置有轴承和定位套筒。所述中心轴的边缘具有一向外的凸起，所述导轨固定于该凸起上，所述机头内壳具有一向内的增厚层，所述冷却水循环内腔位于该增厚层内；在工作状态下，中心轴边缘的凸起与增厚层的端部抵接。所述机头内壳的边缘向内延伸长度大于机头外壳的边缘向内延伸长度，形成一容置部，所述加热头位于该容置部内。
一种复合产热的搅拌摩擦焊具，包括中心轴、焊机外壳、机头外壳、压力传感系统和辅助产热系统；所述中心轴的一端具有一开放腔体；
所述压力传感系统包括旋转夹具、设置于旋转夹具端部的压力传感器和位于中心轴外侧的汇流环，所述旋转夹具的一端延伸至中心轴的开放腔体内，另一端设置有凸台，凸台上开有通孔，一套设有弹簧的导轨穿过所述通孔并与中心轴固定连接；
所述辅助产热系统包括设置于机头外壳内的机头内壳、形成于所述机头内壳中的冷却水循环内腔，以及加热组件；所述加热组件包括电阻辅助热源及与电阻辅助热源连接的加热头，所述机头外壳与机头内壳之间具有一定的容置空间，所述加热头位于机头内壳的端部，电阻辅助热源沿所述容置空间延伸至机头内壳的另一端。
优选的，所述中心轴与机头内壳之间设置有轴承和定位套筒。所述中心轴的边缘具有一向外的凸起，所述导轨固定于该凸起上，所述机头内壳具有一向内的增厚层，所述冷却水循环内腔位于该增厚层内；在工作状态下，中心轴边缘的凸起与增厚层的端部抵接。所述机头内壳的边缘向内延伸长度大于机头外壳的边缘向内延伸长度，形成一容置部，所述加热头位于该容置部内。
有益效果：首先，本发明可以检测焊接过程中的振动和压入深度等数据，确保焊接过程中每一时刻焊接状态的稳定性、安全性；其次，通过压力传感器采集搅拌头所受压力，可以准确的判断搅拌头是否接触到工件，有助于焊接自动化焊接过程中判断焊接初始位置；同时有利于焊接前期控制搅拌头下压速度，确保被焊金属达到良好的塑形状态再下压搅拌摩擦头；再次，焊机机头安装电阻加热装置，为搅拌摩擦焊提供额外的焊接热输入，有利于缩短预热时间提高焊接效率，对于焊接熔化温度较高的金属材料帮助很大；另外对于焊接薄板时，合理的控制好电阻热源的热输入可以有效的降低工件的变形量，从而获得更优质的焊接接头；最后，焊机机头安装水冷装置，一方面可以确保内部汇流环及传感器在室温下工作，另一方面在电阻产热过高时可以有效的吸收多余的热量，从而起到控制焊接热输入的作用。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明压力传感系统的结构示意图。
图3是焊机机头壳体的结构示意图。
具体实施方式
申请人对现有专利及论文进行了研究分析。例如，现有技术1提出了一个搅拌摩擦焊装置，但没有对如何实时测量搅拌头下压深度以及搅拌头倾角提出具体方法。现有技术2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，另外对于焊接的过程中对焊接参数的调整没有提出具体的依据。而采用PID算法的技术方案存在较大的时滞和超调量，会出现很多问题。另外，现有的各方案均没有涉及到一个重要问题，即压力、振动和扭矩测量值与真实值存在偏差的问题，因此也没有给出解决方案。
基于上述分析，申请人认为设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能，同时能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌头及其使用方法，还可以实时检测客观参数的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。
为此，申请人提供了一种复合产热的搅拌摩擦焊具，主要包括搅拌摩擦焊机外壳1、主电机2、第一支撑架3、振动传感器4、第二支撑架5、环状挡圈6、机头内壳71、(焊机)机头外壳72，以及压力传感系统。其中，压力传感系统的主要结构如下：汇流环8、中心轴9、圆形导轨10、搅拌摩擦头旋转夹具11、弹簧12、搅拌摩擦头13、压力传感器14、第二轴承15和汇流环定位套筒16。焊机机头外壳主要包括：第二支撑架5、焊机机头外壳、冷却水循环内腔17、电阻辅热热源18和铜制加热头19。
以下具体描述摩擦焊具的连接方式、位置关系和形状。在本发明的复合产热的搅拌摩擦焊具中，焊机外壳和机头外壳为中空，第一支撑架固定连接在焊机外壳的内侧，第二支撑架固定连接在焊机外壳的开口端，形成焊机外壳的下端盖。第一支撑架和第二支撑架将焊机外壳分割成上下两个相对独立的容置空间。主电机位于上容置空间内，主电机的一端固定在第一支撑架上；中心轴穿过第二支撑架和第一支撑架并与主电机的输出轴传动连接。下容置空间中，第二支撑架的上侧固定连接有振动传感器。中心轴的端部设置有压力传感系统和辅助产热系统。中心轴的端部具有一开口的中空腔体，腔体的边缘向外侧延伸，形成一凸起。中心轴与机头内壳之间设置有轴承和定位套筒，该定位套筒用于固定汇流环，定位套筒的两端为轴承，位于下方的轴承与中心轴上的凸起抵接。
参照图1的下部和图2具体描述压力传感系统。其具体包括，旋转夹具，设置于旋转夹具端部的压力传感器和位于中心轴外侧的汇流环，旋转夹具的一端延伸至中心轴的中空腔体内，另一端设置有凸台，凸台上开有通孔，一套设有弹簧的导轨穿过所述通孔并与中心轴固定连接。中心轴的边缘具有一向外的凸起，导轨固定于该凸起上，中心轴边缘的凸起与旋转夹具上的凸台形成类似法兰的结构，(圆形)导轨的一端套接有弹簧，另一端穿过旋转夹具凸台上的通孔后与中心轴上的凸起固定连接。
结合图1的下部及图3描述辅助产热系统。辅助产热系统包括设置于机头外壳内的机头内壳、形成于所述机头内壳中的冷却水循环内腔，以及加热组件；所述加热组件包括电阻辅助热源及与电阻辅助热源连接的加热头。机头外壳与机头内壳之间具有一定的容置空间，所述加热头位于机头内壳的端部，电阻辅助热源沿所述容置空间延伸至机头内壳的另一端。具体地，机头内壳具有一向内的增厚层，冷却水循环内腔位于该增厚层内；在工作状态下，中心轴边缘的凸起与增厚层的端部抵接。机头内壳的边缘向内延伸长度大于机头外壳的边缘向内延伸长度，形成一容置部，所述加热头位于该容置部内。
在上述实施例中，主电机为中心轴提供旋转动力，由中心轴带动搅拌摩擦头同时架在轴承内部高速旋转；其中压力传感器用于实时测量搅拌摩擦头旋转夹具转递过来的压力，从而得出搅拌头搅动的所受压力状态，并且根据振动传感器得出的数据共同分析出焊缝中流动金属的流动性从而控制焊接工艺参数；其中电阻加热丝为搅拌摩擦焊接过程提供辅助热源，在机器产热不足的情况可以确保焊缝获得足够的焊接热输入。
在焊接过程中，如果轴向压力突然变大，说明产热不足，增强电阻产热的功率以使焊缝中产生更多的塑型金属；其中水冷系统一方面可以防止汇流环及传感器过热，另一方面当电阻丝产热过高时可以加大冷水循环速度从而吸收多余的热量，使得辅助热源可以进行双向调节，既可升温又可降温。电阻辅助热源通过铜制加热头向工件传递热量，同时内部安装有水冷装置，冷水如箭头所示往复循环，通过共同控制电阻辅热热源的功率和循环水流速共同控制焊接热输入。
当在焊接较厚板、较大工件、熔点高以及导热性较好的材料时，机械摩擦产生的热量不易使被焊材料很快达到热塑性温度，此时只要加大电阻辅热热源的功率降低水冷装置中的冷水流速可使工件温度迅速上升迅速达到热塑性温度，采用这种方法可以大大缩短搅拌摩擦焊过程中机械搅拌的预热时间，从而达到提高焊接速度目的。
从上述实施例可以看出：该焊具的主要部件沿着同一轴线的分布，这种分布方式确保整个机械结构的中心集中于轴线上，机械结构平衡性好，并且压力传感器随搅拌头高速旋转通过汇流环向外界传递压力信号，这种装配方式不仅适用于低速工作方式，特别适用于高转速工作方式。一般搅拌摩擦焊接转速不超过3000rpm，皮带或链条传动方式引起的非轴对称安装方式已不能适应更高转速；因此本设计特别适合超高转速工作方式，主轴转速可达到10000rpm以上。
当搅拌摩擦头悬空的状态时，弹簧的预弹力为F预，搅拌摩擦头旋转夹具、压力传感器、搅拌摩擦头以及其上的螺栓的重力之和为G，要求F预>G，方可确保压力传感器的上表面顶在中心轴的内轴肩，此时压力传感器测得搅拌摩擦头空载状态时压力传感器显示的数值为F0＝F预-G。实际焊接过程中压力传感器测得的压力为F1，则搅拌头所受到的实际压力F＝F1-F0。
需要注意是：F0不是一个固定的值在可能会由于长时间使用造成机械零件磨损、锈蚀而重量减轻或者弹簧受损等因素而发生改变，所以每次机器使用之前都应该先检测F0的大小，若与控制系统中的F0不相等应马上校正并记录，确保该焊具在使用的过程中计算得到压力F准确无误。
另外，对振动传感器输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分，可进一步确定压力传感器输出信号的滤波频率，从而获得真实的轴向力信号。
焊接初期搅拌摩擦头高速旋转并且与工件发生摩擦产热使其达到塑性状态，若搅拌摩擦头下压速度较快而工件内部的金属的塑性不足则会导致搅拌针严重磨损或损坏。本发明通过上述控制系统计算得出的压力F判定搅拌针的受力状态，当F值过大时降低下压速度而F很小时则提高下压速度，这样不匀速下压搅拌摩擦头的控制手段能更有效的保护搅拌针防止其在焊接过程中受损，并且即使外界气温变化或者工件结构等因素导致传热变化而引起的金属塑化时间不同，也不会对该控制系统产生影响。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (8)

1.一种复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，包括中空的焊机外壳和机头外壳，与所述焊机外壳固定连接并将其分成两个容置空间的第一支撑架和第二支撑架，固定于第一支撑架上的主电机，固定于第二支撑架上的振动传感器，穿过所述第二支撑架和第一支撑架并与主电机传动连接的中心轴，以及设置于中心轴端部的压力传感系统和辅助产热系统，所述中心轴的端部具有一中空腔体；
所述压力传感系统包括旋转夹具、设置于旋转夹具端部的压力传感器和位于中心轴外侧的汇流环，所述旋转夹具的一端延伸至中心轴的中空腔体内，另一端设置有凸台，凸台上开有通孔，一套设有弹簧的导轨穿过所述通孔并与中心轴固定连接；所述辅助产热系统包括设置于机头外壳内的机头内壳、形成于所述机头内壳中的冷却水循环内腔，及加热组件；所述加热组件包括电阻辅助热源及与电阻辅助热源连接的加热头，所述机头外壳与机头内壳之间具有一定的容置空间，所述加热头位于机头内壳的端部，电阻辅助热源沿所述容置空间延伸至机头内壳的另一端。
2.根据权利要求1所述的复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴与机头内壳之间设置有轴承和定位套筒。
3.根据权利要求1所述的复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴的边缘具有一向外的凸起，所述导轨固定于该凸起上，所述机头内壳具有一向内的增厚层，所述冷却水循环内腔位于该增厚层内；在工作状态下，中心轴边缘的凸起与增厚层的端部抵接。
4.根据权利要求1所述的复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述机头内壳的边缘向内延伸长度大于机头外壳的边缘向内延伸长度，形成一容置部，所述加热头位于该容置部内。
5.一种复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，包括中心轴、焊机外壳、机头外壳、压力传感系统和辅助产热系统；所述中心轴的一端具有一开放腔体；
所述压力传感系统包括旋转夹具、设置于旋转夹具端部的压力传感器和位于中心轴外侧的汇流环，所述旋转夹具的一端延伸至中心轴的开放腔体内，另一端设置有凸台，凸台上开有通孔，一套设有弹簧的导轨穿过所述通孔并与中心轴固定连接；
所述辅助产热系统包括设置于机头外壳内的机头内壳、形成于所述机头内壳中的冷却水循环内腔，以及加热组件；所述加热组件包括电阻辅助热源及与电阻辅助热源连接的加热头，所述机头外壳与机头内壳之间具有一定的容置空间，所述加热头位于机头内壳的端部，电阻辅助热源沿所述容置空间延伸至机头内壳的另一端。
6.如权利要求5所述的复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴与机头内壳之间设置有轴承和定位套筒。
7.如权利要求5所述的复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述中心轴的边缘具有一向外的凸起，所述导轨固定于该凸起上，所述机头内壳具有一向内的增厚层，所述冷却水循环内腔位于该增厚层内；在工作状态下，中心轴边缘的凸起与增厚层的端部抵接。
8.如权利要求5所述的复合产热的搅拌摩擦焊具，其特征在于，所述机头内壳的边缘向内延伸长度大于机头外壳的边缘向内延伸长度，形成一容置部，所述加热头位于该容置部内。
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