CN106141420A - 基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法 - Google Patents

基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有盖板、第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板上安装有主电机，盖板铰接在壳体上，盖板上设有圆弧槽，通过锁紧盖板，盖板的圆弧槽将主电机固定在第一支撑板上，所述主电机与主轴连接，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，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摩擦头转动。本发明在焊接过程中，可根据焊具轴向压力作为反馈及时调整电阻产热大小，从而通过对搅拌区域之外的局部金属进行加热，保证焊接区域处于合适的温度状态。

Description

基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法
技术领域
本发明涉及基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域，主要适用于钢管的焊接。
背景技术
自英国焊接研究所(TWI)于1991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，但在对钢管的进行焊接时，仍然存在很多难点。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，在焊接过程中，可根据焊具轴向压力作为反馈及时调整电阻产热大小，从而通过对搅拌区域之外的局部金属进行加热，保证焊接区域处于合适的温度状态。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有盖板、第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板上安装有主电机，盖板铰接在壳体上，盖板上设有圆弧槽，通过锁紧盖板，盖板的圆弧槽将主电机固定在第一支撑板上，所述主电机的电机轴通过轴间永磁耦合机构与主轴连接，轴间永磁耦合机构包含内永磁转子和外永磁转子，内永磁转子与电机轴固定连接，外永磁转子与主轴固定连接，，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，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摩擦头转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套连接，电阻丝固定套内安装有对搅拌摩擦头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电阻丝固定套与位于电阻丝固定套边沿的导热块连接，搅拌摩擦头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液。
作为优选，所述主轴外设有轴向压力检测单元，所述轴向压力检测单元包含支撑座和角接触轴承，所述主轴外设有台阶，角接触轴承套在台阶上，角接触轴承外设有轴承座，轴承座与第二支撑板之间设有中空的不旋转的压力传感器，轴承座通过长螺杆安装在第二支撑板上，螺杆上套有弹簧。
作为优选，所述主轴上套有汇流环，汇流环与轴向压力检测单元信号连接。
一种上述的基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，包括以下步骤：
(1)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上，搅拌摩擦头固定安装于主轴上，通过盖板将主电机固定在第一支撑板上；
(2)将压力传感器通电，读取空载时的压力输出并保存，记为F0；
(3)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定压力阈值F1；
(4)整个焊具开始下降，当搅拌摩擦头开始接触工件时，开始记录压力传感器的输出F，当下压深度达到目标值时，进入预热阶段；
(5)预热阶段结束后，电阻丝通电，正式开始焊接；
(6)焊接过程中，不断计算F-F0，记为F2，如F2超过1.3倍的阈值F1，则减小电阻丝的通过电流；如F2小于阈值F1，则增大电阻丝的通过电流；如果F2介于1～1.3倍阈值F1之间，保持不变；
(7)焊接结束后，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件，然后切断电阻丝8的电源；
(8)数分钟后，关断冷却液停止冷却，拆下搅拌摩擦头。
有益效果：本发明的基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，具有以下优点：
(1)这是一种新式的单轴肩搅拌摩擦焊工具，可根据轴向压力的大小，调整搅拌头外围焊接金属的预热程度，调整轴向压力也可以减少钢管变形。
(2)结构简单、实用性强。该焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中轴间永磁耦合机构的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1和图2所示，本发明的一种基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有盖板15、第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机1，盖板15铰接在壳体上，盖板15上设有圆弧槽，通过锁紧盖板，盖板的圆弧槽将主电机固定在第一支撑板上，主电机1的电机轴201通过轴间永磁耦合机构20与主轴11连接，轴间永磁耦合机构20包含内永磁转子202和外永磁转子205，内永磁转子202与电机轴固定连接，外永磁转子205与主轴11固定连接，内永磁转子202包含内转子载体202和位于内转子载体202内的第一永磁体203，外永磁转子205包含外转子载体205和第二永磁体204，主轴7与搅拌摩擦头9连接，主轴7外套有同步回转套10，同步回转套10外套有轴承11，轴承11为滚珠轴承，轴承11位于支撑室外壳5内，轴承11通过轴承挡圈12固定在同步回转套10上，支撑室外壳5固定在第二支撑板上，通过主电机1转动带动搅拌摩擦头9转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套6连接，电阻丝固定套6内安装有对搅拌摩擦头9进行加热的辅热装置。
在本发明中，所述辅热装置包含一对导热块8和一对电阻丝，两根电阻丝分别穿过电阻丝固定套6与位于电阻丝固定套6边沿的导热块8连接，搅拌摩擦头9位于两个导热块8之间，两根电阻丝分别于第一电极3和第二电极13连接。
在本发明中，所述支撑室外壳5内设有冷却装置，所述冷却装置包含位于支撑室外壳5内的水管通道，水管通道设有冷却液进口2和冷却液出口14，水管通道内有循环冷却液。
在本发明中，所述主轴7外设有轴向压力检测单元，所述轴向压力检测单元包含支撑座和角接触轴承，所述主轴7外设有台阶，角接触轴承套在台阶上，角接触轴承外设有轴承座，轴承座与第二支撑板之间设有中空的不旋转的压力传感器16，轴承座通过长螺杆17安装在第二支撑板上，长螺杆上套有弹簧再穿过轴承座，所述主轴7上套有汇流环，汇流环与轴向压力检测单元信号连接。当轴向压力超过阈值，则减小电阻丝的通过电流；如小于阈值，则增大电阻丝的通过电流。
在本发明中，主电机1可采用结构紧凑、输出力矩较大的永磁电动机；冷却液进口2、冷却液出口13可选择铜合金，冷却液可选择常用的纯净水或常用机加工冷却液；第一电极3和第二电极13可采用导电较好的铜合金，支撑室外壳5、同步回转套10可采用普通碳钢制作；电阻丝固定套6则需要采用耐热、绝缘材料制作；搅拌摩擦头9则采用高温合金进行加工；压力传感器16则可选用市面上常用的圆环形压力传感器。为了减少未焊接时轴向压力传感器16承受过大的预紧力，利用弹簧顶紧轴承座和压力传感器16；主轴7在穿过轴承、中空的压力传感器后，往上与主电机1的输出轴相连，所以在焊接过程中，轴向压力传感器16是不旋转的。电阻丝固定套6位于支撑室外壳5的外围，但与支撑室外壳5之间存在间隙。
该使用搅拌摩擦焊具进行焊接的主要流程与步骤：
(1)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上，搅拌摩擦头9固定安装于主轴7上，通过盖板将主电机固定在第一支撑板上；
(2)将压力传感器16通电，读取空载时的压力输出并保存，记为F0；
(3)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定压力阈值F1；
(4)整个焊具开始下降，当搅拌摩擦头9开始接触工件时，开始记录压力传感器16的输出F，当下压深度达到目标值时，进入预热阶段；
(5)预热阶段结束后，电阻丝通电，正式开始焊接；
(6)焊接过程中，不断计算F-F0，记为F2，如F2超过1.3倍的阈值F1，则减小电阻丝的通过电流；如F2小于阈值F1，则增大电阻丝的通过电流；如果F2介于1～1.3倍阈值F1之间，保持不变；
(7)焊接结束后，提升焊具，使搅拌摩擦头9脱离工件，然后切断电阻丝8的电源；
(8)数分钟后，关断冷却液停止冷却，拆下搅拌摩擦头9。
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 (4)

1.一种基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，其特征在于：包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有盖板、第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板上安装有主电机，盖板铰接在壳体上，盖板上设有圆弧槽，通过锁紧盖板，盖板的圆弧槽将主电机固定在第一支撑板上，所述主电机的电机轴通过轴间永磁耦合机构与主轴连接，轴间永磁耦合机构包含内永磁转子和外永磁转子，内永磁转子与电机轴固定连接，外永磁转子与主轴固定连接，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，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摩擦头转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套连接，电阻丝固定套内安装有对搅拌摩擦头进行加热的辅热装置。
2.根据权利要求1所述的基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，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电阻丝固定套与位于电阻丝固定套边沿的导热块连接，搅拌摩擦头位于两个导热块之间。
3.根据权利要求2所述的基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法，其特征在于：所述主轴外设有轴向压力检测单元，所述轴向压力检测单元包含支撑座和角接触轴承，所述主轴外设有台阶，角接触轴承套在台阶上，角接触轴承外设有轴承座，轴承座与第二支撑板之间设有中空的不旋转的压力传感器，轴承座通过长螺杆安装在第二支撑板上，螺杆上套有弹簧。
4.一种如权利要求3所述的基于压力反馈的搅拌摩擦焊具及焊接方法的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上，搅拌摩擦头固定安装于主轴上，通过盖板将主电机固定在第一支撑板上；
(2)将压力传感器通电，读取空载时的压力输出并保存，记为F0；
(3)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定压力阈值F1；
(4)整个焊具开始下降，当搅拌摩擦头开始接触工件时，开始记录压力传感器的输出F，当下压深度达到目标值时，进入预热阶段；
(5)预热阶段结束后，电阻丝通电，正式开始焊接；
(6)焊接过程中，不断计算F-F0，记为F2，如F2超过1.3倍的阈值F1，则减小电阻丝的通过电流；如F2小于阈值F1，则增大电阻丝的通过电流；如果F2介于1～1.3倍阈值F1之间，保持不变；
(7)焊接结束后，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件，然后切断电阻丝8的电源；
(8)数分钟后，关断冷却液停止冷却，拆下搅拌摩擦头。
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