CN107717208B - 一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供给一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其包括搅拌摩擦焊单元、旋转伸缩臂单元、上夹钳、下夹钳、主体框架单元，搅拌摩擦焊单元可对车辆墙板的破损位置进行铣削以及焊接，旋转伸缩臂单元可以为焊接过程提供顶锻力，上夹钳和下夹钳可以将该装置固定在车厢墙板上，搅拌摩擦焊单元能够在主体框架单元内竖直移动。该装置具有焊缝质量好、成本低、效率高、无污染等优点。

Description

一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置

技术领域

本发明涉及车辆维修装置技术领域，尤其涉及一种针对车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置。

背景技术

我国铁路车辆的维修保养制度采用预防为主的原则，分为定期检修和运用保养。车辆定期检修的修程，分为厂修、段修、辅修和轴检四级修程，其中C80车辆取消了辅修分为厂修和段修两级修成，其厂修周期是8年或160万公里，段修周期是2年或40万公里。车辆段修的根本任务是：保持车辆在下次厂修之前的各部状态性能良好；延长车辆配件的使用寿命；减少临修，消灭行车事故，保证运行安全，提高车辆使用效率。按照铁路车辆段修规程，段修时要详细检查各部件及零配件、紧固件的技术状态：裂纹、磨耗、腐蚀、弯曲变形等应按规程规定的限度或要求加修；松动、丢失、折损等不良情况，应予施修。另外，铁路车辆对于符合列检摘车修理范围的故障需要进行临修，如车体墙板破损、穿孔等。

某些型号的车辆（如C80）车体采用铝合金铆接结构，在装车受到意外撞击时，车体容易出现破损，有些车辆被铁路沿线侵入物划伤，造成不规则的凹坑甚至漏洞，这些都给运输带来了巨大的安全隐患。由于铝合金焊接操作技能要求较高，在铁路车辆检修中一直没有得到推广应用，而且传统电弧焊会导致铝合金强度大幅度下降，焊缝常出现气孔、裂纹、夹渣等缺陷，并且焊接时的粉尘和烟雾对人体有害，污染环境，铝合金车体的修复非常困难，因此目前检修铝合金车辆车体的端墙与侧墙破损故障时，均采取整板更换方式。更换前，必须先将支柱和环槽部位所有连接用哈克铆钉切割掉，使得铝合金车辆的检修成本高，检修时间长，周转慢，大幅度增加了企业的运营成本。

发明内容

为了解决段修或者临修过程中，检查到铝合金车辆车体在运用中出现的裂纹、破损等问题，本发明设计一种摩擦搅拌焊装置，用以完成铝合金车辆车体的修复工作，该装置具有焊缝质量好、成本低、效率高、无污染等优点。

本发明具体采用如下技术方案：

该装置包括用于在车厢外部对车辆墙板的破损位置进行铣削以及焊接作业的搅拌摩擦焊单元；用于在车厢内部为搅拌摩擦焊焊接过程提供顶锻力的旋转伸缩臂单元；用于将该装置在车厢墙板上实现定位和固定的上夹钳和下夹钳；用于给上述各部件提供安装基础的主体框架单元，其中，所述搅拌摩擦焊单元可以在主体框架单元内竖直移动。

优选地，主体框架单元主要包括铝型材框架I、升降驱动电机、丝杠、梯形附加框架以及行程导轨；铝型材框架I呈长方形，其底端左右两侧连接有梯形附加框架，其顶端左右两侧分别连接有上夹钳，其下端左右两侧分别连接有下夹钳，铝型材框架I的左右两侧竖直梁的内侧分别设置有行程导轨，铝型材框架I的一侧设置有丝杠，所述丝杠在所述升降驱动电机的驱动下转动，并带动所述搅拌摩擦焊单元沿着行程导轨竖直移动。

优选地，旋转伸缩臂单元包括旋转驱动电机、伸缩臂、伸缩撑杆、液压驱动装置以及顶板；伸缩臂和伸缩撑杆由旋转驱动电机驱动旋转，伸缩臂和伸缩撑杆在液压驱动装置的驱动下能够进行伸缩，伸缩撑杆的两端均设置有顶板。

优选地，上夹钳主要包括固定座I、液压缸、液压顶杆、固定顶板和加强肋板；上夹钳还包括两块焊接在一起的水平钢板和竖直钢板，两块钢板大体呈L型，所述加强肋板设置在两块钢板之间，液压缸和固定顶板设置在水平钢板的下端，液压缸与液压顶杆连接，固定座I通过螺栓与主体框架单元连接。

优选地，下夹钳包括固定架和夹持部分，夹持部分和固定架之间通过螺栓连接；所述夹持部分包括上压板、定位板、手动调节旋柄、转轴以及下活动压板；上压板与定位板呈L型连接在一起，手动调节旋柄与下活动压板通过螺纹杆连接，下活动压板与转轴连接，固定架通过螺栓与所述梯形附加框架连接。

优选地，搅拌摩擦焊单元包括铝型材框架II、Z轴进给驱动单元、环形转动单元以及焊接作业单元；铝型材框架II左右两侧分别设置有两个滑块，两滑块呈竖直排布，所述滑块分别与主体框架单元竖梁内侧的两个所述行程导轨配合。

优选地，Z轴的进给驱动单元包括Z轴进给驱动电机、进给变速器、滚珠丝杠、筒锻焊件以及滑轨；进给变速器设置在Z轴进给驱动电机与滚珠丝杠之间，所述Z轴进给驱动电机为滚珠丝杠转动提供驱动力，滚珠丝杠与筒锻焊件连接，筒锻焊件上设置有移动滑块，所述滑轨设置在搅拌摩擦焊单元的外围框架上，所述移动滑块可在所述滑轨上移动，Z轴进给驱动电机以及进给变速器通过固定座II与铝型材框架II连接。

优选地，环形运动驱动单元包括齿轮驱动电机、大齿轮、小齿轮、轴承；齿轮驱动电机与小齿轮连接，小齿轮与大齿轮连接，大齿轮与焊接作业单元连接，大齿轮与筒锻焊件通过轴承连接，齿轮驱动电机通过电机安装座固定在筒锻焊件上。

优选地，焊接作业单元包括压脚滚轮、搅拌头、电主轴以及位移传感器；搅拌头、压脚滚轮与大齿轮连接，搅拌头与压脚滚轮可在大齿轮的带动下相对于筒锻焊件进行圆周运动；搅拌头在电主轴的驱动下可高速自转，压脚滚轮包括弹簧和滚轮，搅拌头的前端设置有位移传感器。

附图说明

图1 是本装置整体结构图。

图2 是主体框架单元结构图。

图3 是旋转伸缩臂单元结构图。

图4 是上夹钳结构图。

图5 是下夹钳结构图。

图6 是搅拌摩擦焊单元结构图。

图7 是Z轴的进给驱动单元结构图。

图8 是环形运动驱动单元结构图。

图9 是上夹钳工作状态图。

图10是下夹钳工作状态图。

图11 是本装置处于夹紧状态的结构图。

其中，1-主体框架单元，2-旋转伸缩臂单元，3-上夹钳，4-下夹钳，5-摩擦焊单元，6-铝型材框架I，7-升降驱动电机，8-丝杠，9-梯形附加框架，10-行程导轨，11-旋转驱动电机，12-伸缩臂，13-伸缩撑杆，14-顶板，15-固定座I，16-液压缸，17-液压顶杆，18-固定顶板，19-加强肋板，20-固定架，21-上压板，22-定位板，23-手动调节旋柄，24-下活动压板，25-转轴，26-铝型材框架II，27-Z轴进给驱动电机，28-环形转动单元，29-焊接作业单元，30-滑块，31-进给变速器，32-滚珠丝杠，33-筒锻焊件，34-滑轨，35-固定座II，36-齿轮驱动电机，37-大齿轮，38-小齿轮，39-轴承，40-压脚滚轮，41-搅拌头，42-电机安装座，43-半径调节螺栓，44-车厢侧板，45-车厢侧板沟槽。

具体实施方式

如图1所示，摩擦搅拌焊装置主要包括主体框架单元1、旋转伸缩臂单元2、上夹钳3、下夹钳4以及搅拌摩擦焊单元5。主体框架单元1是摩擦搅拌焊装置的结构基础，为其他单元提供安装基础。在进行焊接作业时，搅拌摩擦焊单元5可以在主体框架单元1内竖直移动。上下夹钳的作用是实现装置在车厢侧墙上的定位和固定。旋转伸缩臂单元2是在车厢内部为搅拌摩擦焊焊接过程提供必要的顶锻力。搅拌摩擦焊单元5实现对破损位置的铣削以及焊接作业。

如图2所示，主体框架单元1主要包括铝型材框架I6、升降驱动电机7、丝杠8、梯形附加框架9、激光器以及行程导轨10。主体框架单元1主整体呈长方形，底端左右两侧连接有梯形附加框架9，为下夹钳4提供安装基础。上夹钳3有两个，分布在主体框架单元顶端左右两侧。下夹钳4两个，分布在主体框架单元1下端左右两侧，安装在梯形附加框架9上。主体框架单元1的两个竖直梁的内侧分别有行程导轨10，行程导轨10通过螺栓固定在竖梁内侧。搅拌摩擦焊单元5沿着行程导轨10上下移动，实现对不同竖直位置的焊接。主体框架单元1的一侧有电机驱动的丝杠8，该驱动电机通过螺栓连接固定在主体框架单元1的竖梁上。电机驱动丝杠8转动，带动搅拌摩擦焊单元5沿着行程导轨10竖直移动。激光器用于摩擦搅拌焊装置与墙板破损处的对准，在摩擦搅拌焊装置的移动过程中，激光器发出激光线，当激光线与破损处重合时停止移动装置，实现装置的定位。

如图3所示，旋转伸缩臂单元2主要包括旋转驱动电机11、伸缩臂12、伸缩撑杆13、液压驱动装置以及顶板14组成。伸缩臂12以转轴为原点形成极坐标。旋转驱动电机11带动转轴，伸缩臂12和伸缩撑杆13在旋转驱动电机11的驱动下绕转轴进行旋转。同时伸缩臂12在液压驱动下可进行三级伸缩。当定位到破损位置并放置好待焊材料之后伸缩撑杆13在液压驱动下伸长，两端顶板分别顶住车厢两侧墙，提供搅拌摩擦焊所需的顶锻力。

如图4所示，上夹钳3包括固定座I15、液压缸16、液压顶杆17、固定顶板18和加强肋板19。上夹钳3的主要材料为钢材，上夹钳还包括两块焊接在一起的水平钢板和竖直钢板，两块钢板大体呈L型，所述加强肋板设置在两块钢板之间，设置加强肋板19以提高结构强度。液压缸16和固定顶板18设置在水平钢板的下端，液压缸16与液压顶杆17连接，固定座I通过螺栓与主体框架单元1连接。工作时夹爪上端贴靠在车厢上沿，固定顶板18贴靠在车厢内侧，同时液压顶杆17在液压缸16的驱动下从车厢外侧施加夹紧力，实现对车厢横梁的加紧，从上部实现对主体框架单元1的固定夹持。上夹钳3通过固定座I15应用螺栓实现主体框架单元1的连接。

如图5所示，下夹钳4主要由尾端的固定架20和前端的夹持部分组成。固定架20为铝合金型材，夹持部分为钢材。夹持部分和固定架20之间通过螺栓连接。夹持部分根据车辆底部横梁结构进行设计，主要由上压板21、定位板22、手动调节旋柄23以及下活动压板24组成。上压板21以及定位板22分别与车厢底部边缘贴靠，下活动压板24从车厢下端夹紧。手动调节旋柄23与下活动压板24通过螺纹杆连接，下活动压板24与转轴26连接，通过手动调节旋柄23，使下活动压板24在螺纹杆的带动下绕转轴26转动，实现下夹钳4与车厢的夹紧固定。下夹钳4的尾部有固定架，通过螺栓实现与主体框架单元左右附加框架的连接，从下部实现对主体框架单元1的固定。

如图6所示，搅拌摩擦焊单元5主要由铝型材框架II26、Z轴进给驱动单元、环形转动单元28以及焊接作业单元29构成。搅拌摩擦焊单元5的框架主体是由铝型材通过连接件和角件连接构成，整体呈立方体。搅拌摩擦焊单元5的框架左右两侧分别分布两个滑块30，两滑块30呈竖直排布。左右滑块30分别与主体框架单元竖梁内侧的两个行程导轨10配合，实现搅拌摩擦焊单元5在主体框架单元1内的竖直运动。

如图7所示，Z轴进给驱动单元包括Z轴进给驱动电机27、进给变速器31、滚珠丝杠32、筒锻焊件33以及滑轨34组成。进给变速器31设置在Z轴进给驱动电机27与滚珠丝杠32之间，所述Z轴进给驱动电机27为滚珠丝杠32转动提供驱动力，滚珠丝杠32与筒锻焊件33连接，筒锻焊件33上设置有移动滑块，滑轨设置在外围框架上，移动滑块可在滑轨上移动。工作时Z轴进给驱动电机27带动滚珠丝杠32转动，进而带动筒锻焊件33沿滑轨34进行Z轴进给，满足在搅拌摩擦焊作业中的垂直于作业面的进给。筒锻焊件33上的移动滑块与搅拌摩擦焊单元外围框架上的滑轨34配合，同时Z轴进给驱动电机27以及进给变速器31通过固定座II35与铝型材框架II进行连接。

如图8所示，环形转动单元28主要包括齿轮驱动电机36、大齿轮37、小齿轮38、轴承39等部件组成。工作时齿轮驱动电机36带动小齿轮38，小齿轮38驱动大齿轮37。大齿轮37带动搅拌头41、压脚滚轮40等部件转动。大齿轮37、搅拌头41以及压脚滚轮40一起相对于筒锻焊件33进行圆周运动。大齿轮37与筒锻焊件33通过轴承39进行连接。齿轮驱动电机36通过电机安装座固定在筒锻焊件33上。

焊接作业单元包括压脚滚轮40、搅拌头41、电主轴以及位移传感器。工作时该单元相对于筒锻焊件33进行圆周运动，同时搅拌头41在电主轴的驱动下进行高速自转进行焊接，从而实现对环形焊缝的焊接。压脚滚轮40主要是由弹簧和滚轮组成的部件，作用是在焊接圆环另一侧进行焊接的同时按压住待焊铝板，防止因焊接过程中较大的顶锻力使另一侧铝板翘起。搅拌头41通过修复接头安装在装置上，搅拌头41可以从修复接头卸下，修复接头可以手动更换铣刀、搅拌头等标准部件。通过半径调节螺栓可改变搅拌头与压脚滚轮的距离，实现对不同直径的圆形焊缝的焊接。

搅拌头41的前端20mm处有位移传感器，可实现对待焊焊缝进行高度跟踪，为焊接过程中Z轴进给量提供数据。

墙板修复流程如下：

（1）遥控操作承载搅拌摩擦焊装置的移动平台，将搅拌摩擦焊装置移动到车辆墙板破损位置，在移动平台移动过程中，通过激光器发射一条竖直激光线，该激光线对应于搅拌摩擦焊装置中心线，由该激光线定位破损位置，使搅拌摩擦焊装置中心线与破损位置大致处于一条线上。

（2）操作移动平台的升降装置，使搅拌摩擦焊装置的主体框架单元底部与车厢底部近似在同一高度上，将搅拌摩擦焊装置的主体框架单元竖直贴靠到车厢外侧，同时将搅拌摩擦焊装置的上夹钳挂在车厢上边缘。

（3）控制上夹钳的液压缸，使上夹钳液压缸夹紧车厢上边缘，人工旋拧下夹钳的手动调节旋柄，使下夹钳夹紧车厢下边缘。

（4）操作移动平台下降，使移动平台与搅拌摩擦焊装置的主体框架单元脱离。

（5）将搅拌摩擦焊装置的修复接头切换为铣刀。

（6）启动搅拌摩擦焊装置，根据破损状况确定焊接直径，锁定破损位置坐标，以该坐标为圆心，在墙板破损位置铣出边缘带有角度的圆孔。

（7）铣削完成后，换掉铣刀，修复接头切换为搅拌摩擦焊搅拌头，用于后续焊接使用。

（8）先操作搅拌摩擦焊装置的旋转伸缩臂单元从车厢外部旋转到车厢内部，再将旋转到车厢内部的旋转伸缩臂单元定位到铣出的圆孔处，然后驱动旋转伸缩臂单元的伸缩臂和伸缩撑杆伸出，并使设置在伸缩撑杆两端的顶板分别顶住内部车厢的两端，使旋转伸缩臂单元处于顶锻状态。

（9）将待焊材料加工成与所述圆孔匹配的形状，并将加工后的待焊材料安装到所述圆孔处。

（10）操作搅拌摩擦焊搅拌头对待焊焊缝进行焊接。

（11）焊接完成后，操作移动平台上升，并操作移动平台与搅拌摩擦焊装置的主体框架单元进行连接。

（12）移动平台与搅拌摩擦焊装置的主体框架单元连接完成后，松开搅拌摩擦焊装置的上夹钳和下夹钳。

（13）操作移动平台下降， 遥控移动平台使搅拌摩擦焊装置离开车厢体，完成此次焊接作业。

Claims (8)

1.一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，该装置包括

用于在车厢外部对车辆墙板的破损位置进行铣削以及焊接作业的搅拌摩擦焊单元；

用于在车厢内部为搅拌摩擦焊焊接过程提供顶锻力的旋转伸缩臂单元；

用于将该装置在车厢墙板上实现定位和固定的上夹钳和下夹钳；

用于给上述各部件提供安装基础的主体框架单元，其中，所述搅拌摩擦焊单元可以在主体框架单元内竖直移动;

主体框架单元主要包括铝型材框架I、升降驱动电机、丝杠、梯形附加框架、激光器以及行程导轨；

铝型材框架I呈长方形，其底端左右两侧连接有梯形附加框架，其顶端左右两侧分别连接有上夹钳，其下端左右两侧分别连接有下夹钳，铝型材框架I的左右两侧竖直梁的内侧分别设置有行程导轨，铝型材框架I的一侧设置有丝杠，所述丝杠在所述升降驱动电机的驱动下转动，并带动所述搅拌摩擦焊单元沿着行程导轨竖直移动。

2.如权利要求1所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

旋转伸缩臂单元包括旋转驱动电机、伸缩臂、伸缩撑杆、液压驱动装置以及顶板；

伸缩臂和伸缩撑杆由旋转驱动电机驱动旋转，伸缩臂和伸缩撑杆在液压驱动装置的驱动下能够进行伸缩，伸缩撑杆的两端均设置有顶板。

3.如权利要求1所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

上夹钳主要包括固定座I、液压缸、液压顶杆、固定顶板和加强肋板；

上夹钳还包括两块焊接在一起的水平钢板和竖直钢板，两块钢板大体呈L型，所述加强肋板设置在两块钢板之间，液压缸和固定顶板设置在水平钢板的下端，液压缸与液压顶杆连接，固定座I通过螺栓与主体框架单元连接。

4.如权利要求1所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

下夹钳包括固定架和夹持部分，夹持部分和固定架之间通过螺栓连接；

所述夹持部分包括上压板、定位板、手动调节旋柄、转轴以及下活动压板；

上压板与定位板呈L型连接在一起，手动调节旋柄与下活动压板通过螺纹杆连接，下活动压板与转轴连接，固定架通过螺栓与梯形附加框架连接。

5.如权利要求1所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

搅拌摩擦焊单元包括铝型材框架II、Z轴进给驱动单元、环形转动单元以及焊接作业单元；

铝型材框架II左右两侧分别设置有两个滑块，两滑块呈竖直排布，所述滑块分别与主体框架单元竖梁内侧的两个所述行程导轨配合。

6.如权利要求5所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

Z轴的进给驱动单元包括Z轴进给驱动电机、进给变速器、滚珠丝杠、筒锻焊件以及滑轨；

进给变速器设置在Z轴进给驱动电机与滚珠丝杠之间，所述Z轴进给驱动电机为滚珠丝杠转动提供驱动力，滚珠丝杠与筒锻焊件连接，筒锻焊件上设置有移动滑块，所述滑轨设置在所述铝型材框架II上，所述移动滑块可在所述滑轨上移动，Z轴进给驱动电机以及进给变速器通过固定座II与铝型材框架II连接。

7.如权利要求6所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

环形运动驱动单元包括齿轮驱动电机、大齿轮、小齿轮、轴承；

齿轮驱动电机与小齿轮连接，小齿轮与大齿轮连接，大齿轮与焊接作业单元连接，大齿轮与筒锻焊件通过轴承连接，齿轮驱动电机通过电机安装座固定在筒锻焊件上。

8.如权利要求7所述的一种用于车辆墙板修复的摩擦搅拌焊装置，其特征在于，

焊接作业单元包括压脚滚轮、搅拌头、电主轴以及位移传感器；

搅拌头、压脚滚轮与大齿轮连接，搅拌头与压脚滚轮可在大齿轮的带动下相对于筒锻焊件进行圆周运动；搅拌头在电主轴的驱动下可高速自转，压脚滚轮包括弹簧和滚轮，搅拌头的前端设置有位移传感器。