CN107175401A - 提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具及焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，包括夹持柄、搅拌头和动力驱动装置，夹持柄底部向内开设有用于搅拌头插设的空腔，夹持柄侧壁上开设有开口，开口内穿设平键；搅拌头圆周面上设置有一凹槽；平键末端插入到凹槽内并于之固定连接，平键与开口在垂直方向上具有间隙，通过该间隙搅拌头能相对于夹持柄上下移动；动力驱动装置与夹持柄连接驱动夹持柄转动，搅拌头下部沿其径向向外延伸形成支撑部，支撑部上表面和夹持柄下表面之间留有间距用于放置弹性件，该间距大小通过搅拌头上下移动能够调节，间距最大值与弹性件自由伸缩高度相同。本发明结构简单、性能稳定可靠，无需改动现有设备的结构，极大降低成本。

Description

提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具及焊接方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接设备技术领域，尤其是涉及一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具及焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊中的搅拌头被视为是搅拌摩擦焊的“核心”，自上世纪90年代初搅拌摩擦技术问世以来，搅拌摩擦焊技术不断发展，搅拌摩擦焊用搅拌头也不断改进。在短短的20多年发展中，搅拌摩擦焊搅拌头已经发展有常规搅拌头、双轴肩搅拌头、可回抽搅拌头、静轴肩搅拌头和回填式搅拌摩擦点焊搅拌头等多种不同形式。搅拌摩擦焊搅拌头种类繁多，常规搅拌头由于结构简单、操作简便、使用寿命长以及价格低廉等优点在摩擦焊的工业生产中的应用仍非常广泛。但是常规搅拌头在使用中存在不足之处，在焊接过程中，一般压入量要保持一定的范围内(0.1-0.3mm)，而工件都会固定，工件表面受热膨胀不能释放以及受热不均匀从而导致工件表面的变形，从而导致搅拌头压入量的多少需要焊接操作人员在焊接过程中时刻关注，随时观察搅拌头压入量的变化，并适时的进行调节，长时间的焊接工作致使焊接操作人员容易疲劳，有损身体健康。在这种传统焊接工况下，焊接过程中就必需一人一台设备，严重束缚焊接人员的生产力；在压入量变化的过程中，搅拌头的压力也会随之变化，降低焊接的表面质量；另外操作人员如果不够熟练，还会影响焊接质量，降低生产效率。

针对以上的这些问题，宫秀梅等人提出了一种用于超大厚度搅拌摩擦焊机的恒压力焊接机(公开号CN201620631164.9)，依靠主轴内套筒内分布的压力传感器测量焊机焊接过程中顶锻力，在套筒中设计有让位槽，让位槽中安装的调整垫片可以根据顶锻力的大小来调节轴向的高度，使顶锻力维持在一个范围内变动，从而达到恒压力焊接。

另外，陈书锦等人发明了具有压入深度和振动反馈的搅拌摩擦焊具(公开号CN201610444867.5)，在主电机的输出端传动连接的扭矩传感器，在撑架上焊接方向设置振动传感器以及垂直方向安装振动传感器，该发明可以监控整个焊接过程中的压入量和振动，确保焊接状态安全、稳定性。

但是这两种现有技术均依靠传感器实现恒压力控制，具有结构复杂，成本高的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具及焊接方法，本发明依靠弹簧的机械柔性连接，可根据焊缝表面高低自适应调节搅拌头压入量，保证压入量的恒定，克服在焊接过程中使用传统常规搅拌摩擦焊搅拌头需时刻关注设备的焊接过程，焊接人员可同时操作多台设备，提高效率，提高了焊接搅拌摩擦焊的自动化程度，同时又能减少劳动量，减轻疲劳；本发明与利用传感器实现恒压力控制方式相比具有无需传感器、结构简单、性能稳定可靠，无需改动现有设备的结构，极大降低成本。

为实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

本发明提供了一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，包括夹持柄、搅拌头和动力驱动装置，其中：

所述夹持柄用于承载所述搅拌头，所述夹持柄底部向内开设有用于所述搅拌头插设的空腔，所述搅拌头与所述空腔之间为间隙配合连接；

所述夹持柄侧壁上开设有开口，所述开口末端与所述空腔连通，所述搅拌头对应所述开口位置沿其圆周面开设有凹槽，所述开口内穿设有限位装置，且所述限位装置末端延伸到所述凹槽内，所述限位装置端部通过螺钉与所述凹槽固定连接；

所述动力驱动装置的输出端与所述夹持柄连接用于驱动所述夹持柄旋转，所述限位装置能使所述夹持柄带动所述搅拌头一起旋转且还能防止所述搅拌头从所述夹持柄内掉落；

所述限位装置与所述开口在垂直方向上具有间隙，通过该间隙所述搅拌头能相对于所述夹持柄上下移动；

所述搅拌头下部沿其径向向外延伸形成支撑部，所述支撑部直径与所述夹持柄直径相同，所述支撑部上表面和所述夹持柄下表面之间留有间距用于放置弹性件，该间距大小通过所述搅拌头上下移动能够调节，所述间距最大值与所述弹性件自由伸缩高度相同。

所述夹持柄与所述搅拌头没有直接连接，而是通过夹持柄侧壁开口内的平键与搅拌头的固定连接实现夹持柄带动搅拌头一起旋转；搅拌头与夹持柄内腔为间隙配合连接，从而搅拌头可以在作为限位装置的平键的限制作用下在垂直方向做有限移动；本发明使用弹性件柔性连接夹持柄与支撑部，进而柔性连接夹持柄与搅拌头，这样焊接过程中可根据焊缝表面的高低自适应调节，保证了压入量的恒定。

作为本发明的进一步改进，所述支撑部上设置有环形卡槽，所述夹持柄下部对应位置也设置有环形卡槽，所述弹性件两端分别卡合到所述环形卡槽内。所述支撑部环形卡槽与所述夹持柄环形卡槽设为环形，是为了适应所述弹性件的截面形状，使所述弹性件牢固地卡合在所述环形卡槽内，不易脱落。

作为本发明的进一步改进，所述弹性件采用柱形弹簧。所述柱形弹簧的弹簧受压力/拉力的大小与形变尺寸之比是呈线性关系的，这样易于根据工件的材质、焊接厚度选择初对应型号的所述弹性件，进而确定使用所述弹性件时的焊接工艺参数。

作为本发明的进一步改进，所述柱形弹簧采用铬钒弹簧钢丝制成。所述铬钒弹簧钢丝硬度较高，可以适应于高温高压的作业条件。

作为本发明的进一步改进，所述限位装置为平键，所述平键截面为方形，所述凹槽宽度与所述平键高度相同，所述开口高度大于所述平键高度。所述平键高度与所述凹槽宽度相同，是为了使所述平键与所述搅拌头较紧密地卡合在一起，不易发生相对运动；而所述开口的高度大于所述平键高度，可以使平键在开口内垂直方向上下移动，从而使所述搅拌头在作为限位装置的平键的限制作用下在轴向做有限移动。

作为本发明的进一步改进，所述开口的数量为两个，两个所述开口以所述夹持柄轴线为中心对称设置，所述限位装置的数量为两个，两个所述限位装置分别穿设在两个所述开口内。本发明设置了两个以所述夹持柄轴线为中心相对设置的限位装置，以及两个容纳限位装置的开口，限位装置对称设置可以起到对搅拌头的夹持作用。

作为本发明的进一步改进，所述搅拌头下端沿其轴线方向向下延伸形成插入端，所述插入端为倒锥形结构，所述插入端顶部直径小于所述搅拌头直径，所述插入端和所述搅拌头连接处形成轴肩。

作为本发明的进一步改进，所述夹持柄和所述搅拌头均为圆柱体形结构。

作为本发明的进一步改进，所述支撑部为圆盘结构，所述支撑部位于所述轴肩上方。

本发明提供了一种柔性搅拌摩擦焊焊接方法，该方法采用所述提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具进行焊接，具体步骤如下：

步骤A：根据待焊接工件的材质、焊接厚度选择对应型号尺寸的焊接工具；

步骤B：根据待焊接工件的材质、焊接厚度选择对应型号的弹性件；

步骤C：安装固定待焊接工件；

步骤D：针对待焊接工件的材质、厚度、和焊接路线，确定焊接工艺参数，编辑预设柔性搅拌摩擦焊机的设备程序；

步骤E：启动柔性搅拌摩擦焊机，并运行步骤D中的预设定程序，焊接工具沿搅拌摩擦焊焊缝移动焊接，待焊接完成关闭设备，即可完成焊接。

综上所述，本发明提供的一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具及焊接方法，跟现有技术相比，无需传感器、测距装置以及数据处理单元等反馈系统和复杂工件、结构简单、性能稳定可靠，也无需改动现有设备的结构，成本较低，适用于对焊接精度要求不是很高的场合；同时该发明提高了焊接搅拌摩擦焊的自动化程度，大大减少了单个焊件的劳动量，减轻工人疲劳，从而使焊接人员可同时操作多台设备，提高了焊接效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具的剖视图。

图中1-夹持柄；2-搅拌头；3-平键；4-柱形弹簧；5-支撑部；6-插入端；7-环形卡槽；8-开口；9-凹槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

如图1所示，本发明提供了一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，包括夹持柄1、搅拌头2和动力驱动装置。动力驱动装置的输出端与夹持柄1连接用于驱动夹持柄1旋转，动力驱动装置为电机。

夹持柄1为圆柱形，用于承载搅拌头2，其底部向内开设有用于搅拌头2插设的圆柱状空腔，搅拌头2与空腔之间为间隙配合连接，夹持柄1侧壁上开设有开口8，开口8末端与空腔连通。本实施例中，开口8的数量为两个，两个开口8以夹持柄1轴线为中心对称设置。开口8的数量也可为多个，沿着夹持柄1侧壁圆周均匀分布设置。搅拌头2插入夹持柄1内部的圆周面上设置有一圈凹槽9，开口8与凹槽9之间还设置有限位装置，限位装置穿过开口8后端部插入到凹槽9内并通过螺钉实现限位装置与凹槽9的固定连接，通过此种结构设计，限位装置与搅拌头2连为一体，从而夹持柄1旋转可带动限位装置和搅拌头2一起旋转，而且限位装置还能防止搅拌头2从夹持柄1空腔内掉落，本实施例中为平键3。平键3的截面为方形，其高度与凹槽9宽度相同，但小于开口8的高度，这是为了使平键3与搅拌头2能较紧密地连接在一起，不易发生相对运动，同时又能使其在开口8内垂直方向上下移动，从而使搅拌头2在作为限位装置的平键3的限制作用下在轴向做有限移动。平键3的数量与开口8的数量相同，每个平键3的一端穿设在对应的开口8内，另一端插入到凹槽9内并通过螺钉固定。平键3与开口8在垂直方向上具有间隙，通过该间隙搅拌头2能相对于夹持柄1在垂直方向上做有限移动。极端情况下，夹持柄1侧壁上的多个开口8连通成为一个环形空腔，对应的平键3也变成一个卡合在夹持柄1侧壁环形孔腔与搅拌头2凹槽9之间的圆环，对搅拌头2起到较好的限位作用。

搅拌头2也为圆柱形，其下端沿其轴线方向向下延伸形成插入端6，插入端6为倒锥形结构，插入端6顶部直径小于搅拌头2直径，插入端6和搅拌头2连接处形成轴肩。搅拌头2下部轴肩上方沿其径向向外延伸形成圆盘形支撑部5，支撑部5直径可与夹持柄1直径相同，支撑部5上表面和夹持柄1下表面之间留有间距用于放置弹性件，该间距大小通过搅拌头2上下移动能够调节，当平键3处于开口8最下端时，支撑部5上表面和夹持柄1下表面之间的间距为最大值，此间距最大值与弹性件自由伸缩高度相同。支撑部5上表面和夹持柄1下表面还设置有环形卡槽7，弹性件可以固定卡合在环形卡槽7内，不易脱落或偏移。本实施例中，弹性件为采用铬钒弹簧钢丝制成的柱形弹簧4，铬钒弹簧钢丝硬度较高，可以适应于高温高压的作业条件，而柱形弹簧4的弹簧受压力/拉力的大小与形变尺寸之比是呈线性关系的，这样易于根据工件的材质、焊接厚度选择初对应型号的弹性件，进而确定使用弹性件时的焊接工艺参数。

本发明的柔性搅拌摩擦焊的焊接方法是通过使夹持柄1侧壁开口8内的平键3与搅拌头2的凹槽9固定连接，使夹持柄1与搅拌头2间隙配合，而夹持柄1与搅拌头2之间使用弹性件柔性连接，这样焊接过程中可根据焊缝表面的高低自适应调节，保证了压入量的恒定，实现了焊接作业自动化并保证了焊接质量。以焊接厚度为4mm材质为6061铝合金平板U形焊缝为例，其焊接方法及步骤如下：

步骤A：根据待焊接工件的材质-6061铝合金平板、板材厚度-4mm，选择对应型号尺寸的焊接工具-4mm专用搅拌头2；

步骤B：根据待焊接工件的材质、焊接厚度选择对应型号的弹性件，具体为：材质为铬钒弹簧钢丝(GB5221，50CrVA)的柱形弹簧4，服役温度300℃以下，弹簧中径40mm，丝直径12mm，许用应力740MPa，试验载荷10000N，一圈变形6mm，刚度1617N/mm，最大心轴直径34mm；

步骤C：安装固定待焊接工件-搅拌头2。先将搅拌头2送入夹持柄1，视线与夹持柄1侧壁开口8齐平，旋转搅拌头2至搅拌头2凹槽9与开口8对齐，如发现搅拌头2凹槽9超出开口8，应上下调节搅拌头2，将平键3从开口8放入搅拌头2凹槽9内，并用螺丝拧紧固定，使平键3固定连接在搅拌头2上。注意弹簧4的上下端对准支撑部5的环形卡槽7以及夹持柄1的环形卡槽7。最后装夹固定铝合金平板。

步骤D：针对待焊接工件的材质、厚度、和焊接路线，确定焊接工艺参数，编辑U形焊缝路线程序，选用工艺参数为转速：1200rpm，焊接速率：600mm/min。

步骤E：启动柔性搅拌摩擦焊机，并运行步骤D中的预设定程序，焊接工具沿搅拌摩擦焊焊缝移动焊接，焊接过程中无需调节搅拌头2的压入量，待焊接完成关闭设备，即可完成焊接。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：包括夹持柄(1)、搅拌头(2)和动力驱动装置，其中：

所述夹持柄(1)用于承载所述搅拌头(2)，所述夹持柄(1)底部向内开设有用于所述搅拌头(2)插设的空腔，所述搅拌头(2)与所述空腔之间为间隙配合连接；

所述夹持柄(1)侧壁上开设有开口(8)，所述开口(8)末端与所述空腔连通，所述搅拌头(2)对应所述开口(8)位置沿其圆周面开设有凹槽(9)，所述开口(8)内穿设有限位装置，且所述限位装置末端延伸到所述凹槽(9)内，所述限位装置端部通过螺钉与所述凹槽(9)固定连接；

所述动力驱动装置的输出端与所述夹持柄(1)连接用于驱动所述夹持柄(1)旋转，所述限位装置能使所述夹持柄(1)带动所述搅拌头(2)一起旋转且还能防止所述搅拌头(2)从所述夹持柄(1)内掉落；

所述限位装置与所述开口(8)在垂直方向上具有间隙，通过该间隙所述搅拌头(2)能相对于所述夹持柄(1)上下移动；所述搅拌头(2)下部沿其径向向外延伸形成支撑部(5)，所述支撑部(5)上表面和所述夹持柄(1)下表面之间留有间距用于放置弹性件，该间距大小通过所述搅拌头(2)上下移动能够调节，所述间距最大值与所述弹性件自由伸缩高度相同。

2.根据权利要求1所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述支撑部(5)上设置有环形卡槽(7)，所述夹持柄(1)下部对应位置也设置有环形卡槽(7)，所述弹性件两端分别卡合到所述环形卡槽(7)内。

3.根据权利要求2所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述弹性件采用柱形弹簧(4)。

4.根据权利要求3所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述柱形弹簧(4)采用铬钒弹簧钢丝制成。

5.根据权利要求1所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述限位装置为平键(3)，所述凹槽(9)宽度与所述平键(3)高度相同，所述开口(8)高度大于所述平键(3)高度。

6.根据权利要求1所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述开口(8)的数量为两个，两个所述开口(8)以所述夹持柄(1)轴线为中心对称设置，所述限位装置的数量为两个，两个所述限位装置分别穿设在两个所述开口(8)内。

7.根据权利要求1所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述搅拌头(2)下端沿其轴线方向向下延伸形成插入端(6)，所述插入端(6)为倒锥形结构，所述插入端(6)顶部直径小于所述搅拌头(2)直径，所述插入端(6)和所述搅拌头(2)连接处形成轴肩。

8.根据权利要求1所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述夹持柄(1)和所述搅拌头(2)均为圆柱体形结构。

9.根据权利要求7所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具，其特征在于：所述支撑部(5)为圆盘结构，所述支撑部(5)位于所述轴肩上方。

10.一种柔性搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：采用权利要求1～7中任一项所述的提高生产效率的柔性搅拌摩擦焊接工具进行焊接的方法，具体步骤如下：

步骤A：根据待焊接工件的材质、焊接厚度选择对应型号尺寸的焊接工具；

步骤B：根据待焊接工件的材质、焊接厚度选择对应型号的弹性件；

步骤C：安装固定待焊接工件；

步骤D：针对待焊接工件的材质、厚度、和焊接路线，确定焊接工艺参数，编辑预设柔性搅拌摩擦焊机的设备程序；

步骤E：启动柔性搅拌摩擦焊机，并运行步骤D中的预设定程序，焊接工具沿搅拌摩擦焊焊缝移动焊接，待焊接完成关闭设备，即可完成焊接。