CN107470773B - 一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置及焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置及进行两面焊接的方法，所述搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置包括搅拌摩擦焊装置主体、夹持部、微型液压油缸、驱动电机、温度传感器、超声探头、超声探测器、温度显示器、液压控制系器、液压泵、操作控制器，所述搅拌摩擦焊装置主体安装在所述夹持部下方,所述搅拌摩擦焊装置主体内部中空，内设有搅拌针，所述搅拌针下部设有搅拌头，搅拌针上部连接有旋转接头，搅拌针与旋转接头之间安装所述微型液压油缸；本发明可以自动适应各种焊接深度，适应变截面构件的焊接需求，也使得焊接后的表面更平整美观，焊接强度也更高，焊接效果更好，且本发明自动化程度高，操作控制简便。

Description

一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体是涉及一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置及焊接方法。
背景技术
诸如对接焊缝这样的焊接接缝用于连接金属部件。对接接缝在材料的重叠部使用一个或多个焊缝来连接重叠的表面。焊接技术通常通过提高温度来粘接金属和金属合金。搅拌摩擦焊是相对较新的方法，它使用旋转工具来连接固态的两个工件，或者修补在单个工件中的裂纹。通过使旋转工具的凸肩摩擦接触所要焊接的材料，而使该材料变热和变软。该工具穿过接缝处并将材料搅拌在一起。从而在不需要添加填充物或使用防护气体的情况下达到固态连接，搅拌摩擦焊在用于航空器结构中时将非常有利。
在搅拌摩擦焊领域，目前大部分搅拌头长度都是固定的，只能应用于焊接厚度一致的焊接构件之间的连接，但是由于实际应用中，不是所有的待焊接的构件的厚度都是一致的，经常会有构件截面变化引起焊接厚度变化的情况，所以现有的摩擦焊就不能满足焊接需求了。所以，可以从改变搅拌针的长度的角度去思考，为进一步增强焊接的效果和应用范围提供新的选择。
发明内容
本发明解决的技术问题是，目前的搅拌摩擦焊存在着在焊接深度有限，焊接深度不可调，焊接效果不理想的缺点，从而提供一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置及进行变截面构件焊接的方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，所述搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置包括搅拌摩擦焊装置主体、夹持部、微型液压油缸、驱动电机、温度传感器、超声探头、超声探测器、温度显示器、液压控制系器、液压泵、操作控制器，所述搅拌摩擦焊装置主体安装在所述夹持部下方，所述搅拌摩擦焊装置主体内部中空，内设有搅拌针，所述搅拌针下部设有搅拌头，搅拌针上部连接有旋转接头，搅拌针与旋转接头之间安装所述微型液压油缸，通过所述微型液压油缸可以调节控制搅拌针的长度，所述夹持部内部中空，所述驱动电机设在夹持部内部，驱动电机通过驱动轴连接至搅拌针，夹持部的底部设有夹持圈，所述夹持圈卡入旋转接头上设置的夹持槽内，所述搅拌摩擦焊装置主体的底部凸台下面设有多个摩擦块，所述搅拌头为上大下小的圆台，搅拌头上设有螺旋线；所述超声探头安设在搅拌摩擦焊装置主体内部底端，通过导线与所述超声探测器相连，所述微型液压油缸通过液压管路与所述液压泵相连，所述温度传感器也设在搅拌摩擦焊装置主体内部底端，温度传感器通过导线与所述温度显示器相连，所述夹持部上开设有通孔，与温度传感器、超声探头相连的导线和与微型液压油缸相连的液压管路均通过所述通孔穿出，分别连接至温度显示器、超声探测器、液压泵，液压泵连接至所述液压控制系器，所述温度显示器、超声探测器、液压控制系器均连接至所述操作控制器。
进一步地，在上述方案中，在所述搅拌摩擦焊装置主体上还设有冷却口，所述冷却口连接至空压机或制冷机，用于对过热的搅拌阵进行冷却。
进一步地，在上述方案中，所述摩擦块为多个向下伸出的长条，与搅拌摩擦焊装置主体之间是一体成型的，强度会更高。
进一步地，在上述方案中，所述摩擦块沿着搅拌摩擦焊装置主体的底部凸台周向分布，共设有4-10个。
进一步地，在上述方案中，所述搅拌头上端面的直径是下端面直径的1.6到2.0倍。
一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置进行变截面构件的焊接方法，包括以下步骤：
S1：在需要焊接的两个变截面构件和的对接面上进行预先接合，形成金属堆积条行区域；
S2：将搅拌头对准放在所述金属堆积条行区域上面，先利用超声探测器发出超声波，通过超声探头探测两个变截面构件和之间需要进行焊接的部位的厚度，通过超声探测器将测量的厚度信息由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至操作控制器，转化为数字信号，再将数字信号传输至液压控制系器，由液压控制系器控制液压泵的工作，进一步带动微型液压油缸调节搅拌针的长度，通过驱动电机驱动搅拌针和搅拌头旋转进行搅拌摩擦焊接；就这样持续由超声探头探测两个变截面构件和之间需要进行焊接的部位的厚度，然后持续调节搅拌针的长度继续向前进行搅拌摩擦焊接，形成焊接区域，与此同时，搅拌摩擦焊装置主体的底部凸台下设置的摩擦块也随着搅拌摩擦焊装置主体旋转，并沿着搅拌摩擦焊接的方向前进，同时进行摩擦搅拌，使得焊接后的表面更平整美观，焊接强度也更高；
S3：当焊接到末尾时，缩短搅拌针的长度使搅拌头缓慢回缩并使搅拌摩擦焊装置主体远离焊接面，完成焊接。
进一步地，在进行搅拌摩擦焊之前，还包括将搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置插入到搅拌摩擦焊接的起始位置以形成预钻孔的步骤。通过设置预钻孔，可以降低当搅拌头被推入时的阻力。所述预钻孔与金属堆积条行区域之间的距离长度大于搅拌头轴心至轴肩外端的距离。
进一步地，在上述方案中，所述预先接合为MIG焊接或钨极氩弧焊，形成金属沉积。
进一步地，在上述方案中，所述的搅拌摩擦焊装置主体的材料为金属材料，所述金属材料包括但不限于铝、铝合金、铜、铜合金、钛、钛合金、镁或镁合金。
本发明的搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置既可以用于对接的焊接，也可以用于搭接的焊接。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置进行两面焊接的方法，能够有效克服现有的搅拌摩擦焊焊接深度有限，焊接效果不理想的问题。通过超声波探测器、操作控制器、微型液压油缸、液压泵及液压控制系器可以使搅拌针的长度进行自由调节，以自动适应各种焊接深度，适应变截面构件的焊接需求，另外，本发明在对接面上进行预先接合，再通过设置在搅拌摩擦焊装置主体下部的摩擦块对预先接合形成的金属堆积条行区域进行搅拌摩擦，此处的搅拌摩擦与搅拌头的搅拌摩擦同时进行，使得焊接后的表面更平整美观，焊接强度也更高，焊接效果更好，且本发明自动化程度高，操作控制简便。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明搅拌头局部放大示意图；
图3是本发明预先接合的结构示意图；
图4是本发明电路系统的连接示意图。
其中，1-搅拌摩擦焊装置主体、2-夹持部、3-搅拌针、4-微型液压油缸、5-、6-驱动电机、7-搅拌头、8-螺旋线、9-驱动轴、10-底部凸台、11-摩擦块、12-温度传感器、13-超声探头、14-、15-夹持槽、16-通孔、17-超声探测器、18-温度显示器、19-液压控制系器、20-液压泵、21-操作控制器、22a-变截面构件一、22b-变截面构件二、23-焊接区域、24-预钻孔、25-夹持圈、26-金属堆积条行区域。
具体实施方式
下面结合具体实施方式来对本发明进行更进一步详细的说明，以更好地体现本发明的优点。
实施例1：
一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，所述搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置包括搅拌摩擦焊装置主体1、夹持部2、微型液压油缸4、驱动电机6、温度传感器12、超声探头13、超声探测器17、温度显示器18、液压控制系器19、液压泵20、操作控制器21，所述搅拌摩擦焊装置主体1安装在所述夹持部2下方，所述搅拌摩擦焊装置主体1内部中空，内设有搅拌针3，所述搅拌针3下部设有搅拌头7，搅拌针3上部连接有旋转接头5，搅拌针3与旋转接头5之间安装所述微型液压油缸4，通过所述微型液压油缸4可以调节控制搅拌针3的长度，所述夹持部2内部中空，所述驱动电机6设在夹持部2内部，驱动电机6通过驱动轴9连接至搅拌针3，夹持部2的底部设有夹持圈25，所述夹持圈25卡入旋转接头5上设置的夹持槽15内，所述搅拌摩擦焊装置主体1的底部凸台10下面设有多个摩擦块11，摩擦块11为多个向下伸出的长条，与搅拌摩擦焊装置主体1之间是一体成型的，强度更高，摩擦块11沿着搅拌摩擦焊装置主体1的底部凸台10周向分布，共设有4个；所述搅拌头7为上大下小的圆台，搅拌头7上端面的直径是下端面直径的1.6倍，搅拌头7上设有螺旋线8；所述超声探头13安设在搅拌摩擦焊装置主体1内部底端，通过导线与所述超声探测器17相连，所述微型液压油缸4通过液压管路与所述液压泵20相连，所述温度传感器12也设在搅拌摩擦焊装置主体1内部底端，温度传感器12通过导线与所述温度显示器18相连，所述夹持部2上开设有通孔16，与温度传感器12、超声探头13相连的导线和与微型液压油缸4相连的液压管路均通过所述通孔16穿出，分别连接至温度显示器18、超声探测器17、液压泵20，液压泵20连接至所述液压控制系器19，所述温度显示器18、超声探测器17、液压控制系器19均连接至所述操作控制器21。在搅拌摩擦焊装置主体1上还设有冷却口14，所述冷却口14连接至空压机或制冷机，用于对过热的搅拌阵进行冷却，搅拌摩擦焊装置主体1的材料为镁合金材料。
利用本装置进行变截面构件的焊接，包括以下步骤：
S1：在需要焊接的变截面构件一22a和变截面构件二22b的对接面上进行预先接合，形成金属堆积条行区域26；预先接合为MIG焊接，形成金属沉积；
S2：将搅拌头7对准放在所述金属堆积条行区域26上面，先利用超声探测器17发出超声波，通过超声探头13探测两个变截面构件22a和22b之间需要进行焊接的部位的厚度，通过超声探测器17将测量的厚度信息由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至操作控制器21，转化为数字信号，再将数字信号传输至液压控制系器19，由液压控制系器19控制液压泵20的工作，进一步带动微型液压油缸4调节搅拌针3的长度，通过驱动电机6驱动搅拌针3和搅拌头7旋转进行搅拌摩擦焊接；就这样持续由超声探头13探测两个变截面构件22a和22b之间需要进行焊接的部位的厚度，然后持续调节搅拌针3的长度继续向前进行搅拌摩擦焊接，形成焊接区域23，与此同时，搅拌摩擦焊装置主体1的底部凸台10下设置的摩擦块11也随着搅拌摩擦焊装置主体1旋转，并沿着搅拌摩擦焊接的方向前进，同时进行摩擦搅拌，使得焊接后的表面更平整美观，焊接强度也更高；
S3：当焊接到末尾时，缩短搅拌针3的长度使搅拌头7缓慢回缩并使搅拌摩擦焊装置主体1远离焊接面，完成焊接。
实施例2：
一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，所述搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置包括搅拌摩擦焊装置主体1、夹持部2、微型液压油缸4、驱动电机6、温度传感器12、超声探头13、超声探测器17、温度显示器18、液压控制系器19、液压泵20、操作控制器21，所述搅拌摩擦焊装置主体1安装在所述夹持部2下方，所述搅拌摩擦焊装置主体1内部中空，内设有搅拌针3，所述搅拌针3下部设有搅拌头7，搅拌针3上部连接有旋转接头5，搅拌针3与旋转接头5之间安装所述微型液压油缸4，通过所述微型液压油缸4可以调节控制搅拌针3的长度，所述夹持部2内部中空，所述驱动电机6设在夹持部2内部，驱动电机6通过驱动轴9连接至搅拌针3，夹持部2的底部设有夹持圈25，所述夹持圈25卡入旋转接头5上设置的夹持槽15内，所述搅拌摩擦焊装置主体1的底部凸台10下面设有多个摩擦块11，摩擦块11为多个向下伸出的长条，与搅拌摩擦焊装置主体1之间是一体成型的，强度更高，摩擦块11沿着搅拌摩擦焊装置主体1的底部凸台10周向分布，共设有10个；所述搅拌头7为上大下小的圆台，搅拌头7上端面的直径是下端面直径的2.0倍，搅拌头7上设有螺旋线8；所述超声探头13安设在搅拌摩擦焊装置主体1内部底端，通过导线与所述超声探测器17相连，所述微型液压油缸4通过液压管路与所述液压泵20相连，所述温度传感器12也设在搅拌摩擦焊装置主体1内部底端，温度传感器12通过导线与所述温度显示器18相连，所述夹持部2上开设有通孔16，与温度传感器12、超声探头13相连的导线和与微型液压油缸4相连的液压管路均通过所述通孔16穿出，分别连接至温度显示器18、超声探测器17、液压泵20，液压泵20连接至所述液压控制系器19，所述温度显示器18、超声探测器17、液压控制系器19均连接至所述操作控制器21。在搅拌摩擦焊装置主体1上还设有冷却口14，所述冷却口14连接至空压机或制冷机，用于对过热的搅拌阵进行冷却，搅拌摩擦焊装置主体1的材料为钛合金材料。
利用本装置进行变截面构件的焊接，包括以下步骤：
S1：在需要焊接的变截面构件一22a和变截面构件二22b的对接面上进行预先接合，形成金属堆积条行区域26；预先接合为钨极氩弧焊，形成金属沉积；
S2：将搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置插入到搅拌摩擦焊接的起始位置以形成预钻孔24的步骤。通过设置预钻孔24，可以降低当搅拌头7被推入时的阻力。所述预钻孔24与金属堆积条行区域26之间的距离长度大于搅拌头7轴心至轴肩外端的距离
S3：将搅拌头7对准放在所述金属堆积条行区域26上面，先利用超声探测器17发出超声波，通过超声探头13探测两个变截面构件22a和22b之间需要进行焊接的部位的厚度，通过超声探测器17将测量的厚度信息由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至操作控制器21，转化为数字信号，再将数字信号传输至液压控制系器19，由液压控制系器19控制液压泵20的工作，进一步带动微型液压油缸4调节搅拌针3的长度，通过驱动电机6驱动搅拌针3和搅拌头7旋转进行搅拌摩擦焊接；就这样持续由超声探头13探测两个变截面构件22a和22b之间需要进行焊接的部位的厚度，然后持续调节搅拌针3的长度继续向前进行搅拌摩擦焊接，形成焊接区域23，与此同时，搅拌摩擦焊装置主体1的底部凸台10下设置的摩擦块11也随着搅拌摩擦焊装置主体1旋转，并沿着搅拌摩擦焊接的方向前进，同时进行摩擦搅拌，使得焊接后的表面更平整美观，焊接强度也更高；
S4：当焊接到末尾时，缩短搅拌针3的长度使搅拌头7缓慢回缩并使搅拌摩擦焊装置主体1远离焊接面，完成焊接。
本装置既可以用于对接的焊接，也可以用于搭接的焊接。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置包括搅拌摩擦焊装置主体(1)、夹持部(2)、微型液压油缸(4)、驱动电机(6)、温度传感器(12)、超声探头(13)、超声探测器(17)、温度显示器(18)、液压控制系器(19)、液压泵(20)、操作控制器(21)，所述搅拌摩擦焊装置主体(1)安装在所述夹持部(2)下方，所述搅拌摩擦焊装置主体(1)内部中空，内设有搅拌针(3)，所述搅拌针(3)下部设有搅拌头(7)，搅拌针(3)上部连接有旋转接头(5)，搅拌针(3)与旋转接头(5)之间安装所述微型液压油缸(4)，通过所述微型液压油缸(4)可以调节控制搅拌针(3)的长度，所述夹持部(2)内部中空，所述驱动电机(6)设在夹持部(2)内部，驱动电机(6)通过驱动轴(9)连接至搅拌针(3)，夹持部(2)的底部设有夹持圈(25)，所述夹持圈(25)卡入旋转接头(5)上设置的夹持槽(15)内，所述搅拌摩擦焊装置主体(1)的底部凸台(10)下面设有多个摩擦块(11)，所述搅拌头(7)为上大下小的圆台，搅拌头(7)上设有螺旋线(8)；所述超声探头(13)安设在搅拌摩擦焊装置主体(1)内部底端，通过导线与所述超声探测器(17)相连，所述微型液压油缸(4)通过液压管路与所述液压泵(20)相连，所述温度传感器(12)也设在搅拌摩擦焊装置主体(1)内部底端，温度传感器(12)通过导线与所述温度显示器(18)相连，所述夹持部(2)上开设有通孔(16)，与温度传感器(12)、超声探头(13)相连的导线和与微型液压油缸(4)相连的液压管路均通过所述通孔(16)穿出，分别连接至温度显示器(18)、超声探测器(17)、液压泵(20)，液压泵(20)连接至所述液压控制系器(19)，所述温度显示器(18)、超声探测器(17)、液压控制系器(19)均连接至所述操作控制器(21)。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，在所述搅拌摩擦焊装置主体(1)上还设有冷却口(14)，所述冷却口(14)连接至空压机或制冷机。
3.根据权利要求1所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述摩擦块(11)为多个向下伸出的长条，与搅拌摩擦焊装置主体(1)之间是一体成型的。
4.根据权利要求1所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述摩擦块(11)沿着搅拌摩擦焊装置主体(1)的底部凸台(10)周向分布，共设有4-10个。
5.根据权利要求1所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置，其特征在于，所述搅拌头(7)上端面的直径是下端面直径的1.6到2.0倍。
6.根据权利要求1所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置进行变截面构件的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：在需要焊接的变截面构件一(22a)和变截面构件二(22b)的对接面上进行预先接合，形成金属堆积条行区域(26)；
S2：将搅拌头(7)对准放在所述金属堆积条行区域(26)上面，先利用超声探测器(17)发出超声波，通过超声探头(13)探测两个变截面构件(22a、 22b)之间需要进行焊接的部位的厚度，通过超声探测器(17)将测量的厚度信息由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至操作控制器(21)，转化为数字信号，再将数字信号传输至液压控制系器(19)，由液压控制系器(19)控制液压泵(20)的工作，进一步带动微型液压油缸(4)调节搅拌针(3)的长度，通过驱动电机(6)驱动搅拌针(3)和搅拌头(7)旋转进行搅拌摩擦焊接；就这样持续由超声探头(13)探测两个变截面构件(22a、 22b)之间需要进行焊接的部位的厚度，然后持续调节搅拌针(3)的长度继续向前进行搅拌摩擦焊接，形成焊接区域(23)，与此同时，搅拌摩擦焊装置主体(1)的底部凸台(10)下设置的摩擦块(11)也随着搅拌摩擦焊装置主体(1)旋转，并沿着搅拌摩擦焊接的方向前进，同时进行摩擦搅拌；
S3：当焊接到末尾时，缩短搅拌针(3)的长度使搅拌头(7)缓慢回缩并使搅拌摩擦焊装置主体(1)远离焊接面，完成焊接。
7.根据权利要求6所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置进行变截面构件的焊接方法，其特征在于，所述预先接合为MIG焊接或钨极氩弧焊，形成金属沉积。
8.根据权利要求6所述的一种搅拌针长度可调的搅拌摩擦焊装置进行变截面构件的焊接方法，其特征在于，所述的搅拌摩擦焊装置主体(1)的材料为金属材料。
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