CN108326414B - 一种复合型线性摩擦焊接设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合型线性摩擦焊接设备，旨在提供一种在焊接的不同阶段、不同材质具有不同的振动力和振动频率，频率可调范围宽的复合型线性摩擦焊接设备。本发明包括上机架、下机架、上压力驱动机构、下压力驱动机构、上卡具和下卡具，焊接时，上压力驱动机构和下压力驱动机构输出相向的作用力；一种复合型线性摩擦焊接设备还包括机械振动装置和电磁振动装置，机械振动装置与上卡具或上压力驱动机构传动连接，电磁振动装置与下卡具或下压力驱动机构相连接，机械振动装置和电磁振动装置产生的振动方向均与上压力驱动机构或下压力驱动机构输出的作用力方向垂直。本发明应用于线性摩擦焊接的技术领域。

Description

一种复合型线性摩擦焊接设备

技术领域

本发明涉及一种线性摩擦焊接设备,特别涉及一种复合型线性摩擦焊接设备。

背景技术

摩擦焊接是在外力作用下，利用焊件接触面之间的相对摩擦运动所产生的热量，使接触面及其近区金属达到粘塑性状态并产生适当的宏观塑性变形，通过两侧材料间的相互扩散和动态再结晶而完成焊接。

经过多年的研究，直到1985年，由Allwood,Searle@Timney公司负责研究设计，Blacks设备公司负责机器制造，Rolls-Royce公司提供技术合作，几家公司共同研制出了世界上第一台线性摩擦焊机，该设备往复运动机构频率可达75Hz，位移幅度为士3mm，主要是用于航空发动机的制造和维修。

近年来，线性摩擦焊接工艺应用于飞机发动机整体叶盘、空心叶片叶盘等制造过程，在航空发动机的应用方面取得了令人瞩目的成就。美国通用电气公司航空发动机部(GEAE)将线性摩擦焊用于航空材料的焊接，并在钛合金和镍基超合金的焊接和堆焊方面取得了很大成功。美国CTC技术公司为美国海军完成了一项线性摩擦焊接研究项目，对七种不同合金和两组异种金属进行了焊接实验。德国MTU公司在生产EJ200发动机时最先采用了英国Blacks设备公司制造的线性摩擦焊机焊接整体叶盘结构。美国普惠公司在研制第四代战斗机的动力装置F119发动机时，叶片和轮盘用线性摩擦焊将其焊成一体。西北工业大学摩擦焊接研究所已经对线性摩擦焊接过程中的数值模拟，热力藕合，单片机控制等方面进行了理论研究，并进行了电机驱动的线性摩擦焊机的实验研究。

线性摩擦焊机的往复运动方式决定了摩擦焊机的性能，目前的线性摩擦焊机往复运动主要有机械式、液压式和电磁式。机械式摩擦焊机功率大，频率低，惯性力大，振动大；液压式摩擦焊机施力较均匀，高频性能差，液压油升温快，容易形成气泡，振动力不稳定；电磁式摩擦焊机高频性能好，但振动力不足。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种复合型线性摩擦焊接设备，该复合型线性摩擦焊接设备具有振动力和频率可以调节及焊接工件尺寸不受设备尺寸限制的特点，在焊接的不同阶段、不同材质具有不同的振动力和振动频率，频率可调范围宽,克服了现有线性摩擦焊接设备的不足。

本发明所采用的技术方案是：本发明包括上机架、下机架、上压力驱动机构、下压力驱动机构、上卡具和下卡具，所述上机架位于所述下机架的上方，所述上压力驱动机构的上端与所述上机架相铰接，所述上压力驱动机构的下端与所述上卡具相连接，所述下压力驱动机构下端与所述下机架相铰接，所述下压力驱动机构上端与所述下卡具相连接，焊接时，所述上压力驱动机构和所述下压力驱动机构输出相向的作用力；所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括机械振动装置和电磁振动装置，所述机械振动装置与所述上卡具或所述上压力驱动机构传动连接，所述电磁振动装置与所述下卡具或所述下压力驱动机构相连接，所述机械振动装置和所述电磁振动装置产生的振动方向均与所述上压力驱动机构或所述下压力驱动机构输出的作用力方向垂直。

进一步，所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括侧支架，所述侧支架的侧面滑动设置有滑座，所述下机架上设置有与所述滑座相连接的滑动调节装置，所述机械振动装置设置在所述滑座上。

进一步，所述机械振动装置包括驱动电机、支座、主动轮、从动轮、传动带、曲柄和连杆，所述驱动电机和所述支座均设置在所述滑座上，所述驱动电机与所述主动轮传动连接，所述从动轮通过所述传动带与所述主动轮传动连接，所述曲柄的中心旋转轴与所述从动轮的旋转中心传动连接，所述连杆的一端与所述曲柄的偏心轴相铰接，所述支座支撑住所述曲柄的中心旋转轴。

进一步，所述曲柄的中心旋转轴上设置有制动器。

进一步，所述滑动调节装置包括与所述滑座螺纹连接的调节丝杆及与所述调节丝杆传动连接的调节电机。

进一步，所述电磁振动装置包括左电磁铁、中永磁铁和右电磁铁，所述左电磁铁和所述右电磁铁对称设置在所述下压力驱动机构的左右两旁，所述中永磁铁设置在所述下压力驱动机构的中部或者所述中永磁铁对称分布在所述下压力驱动机构的外围，所述上卡具和所述下卡具对正时，所述左电磁铁、所述中永磁铁和所述右电磁铁的磁极均在竖直方向上。

进一步，所述下卡具的底部还设置有隔磁板。

进一步，所述上压力驱动机构和所述下压力驱动机构均为液压缸。

进一步，所述下机架上设置有与所述上机架相连接的支撑柱。

本发明的有益效果是：由于本发明采用复合振动的设计，包括上机架、下机架、上压力驱动机构、下压力驱动机构、上卡具和下卡具，所述上机架位于所述下机架的上方，所述上压力驱动机构的上端与所述上机架相铰接，所述上压力驱动机构的下端与所述上卡具相连接，所述下压力驱动机构下端与所述下机架相铰接，所述下压力驱动机构上端与所述下卡具相连接，焊接时，所述上压力驱动机构和所述下压力驱动机构输出相向的作用力；所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括机械振动装置和电磁振动装置，所述机械振动装置与所述上卡具或所述上压力驱动机构传动连接，所述电磁振动装置与所述下卡具或所述下压力驱动机构相连接，所述机械振动装置和所述电磁振动装置产生的振动方向均与所述上压力驱动机构或所述下压力驱动机构输出的作用力方向垂直,所以，本发明结构简单，操作方便，设备重量轻，可以借助建筑物加固，成本低，效率高，与以往的线性摩擦焊机往复运动机构相比，采用复合振动装置，振动频率、振动力均可以根据焊接情况动态调节，节约能源，克服振动惯性力对焊接质量的影响，减少飞边数量，满足不同材质焊件对振动频率的要求。

附图说明

图1是本发明的原理结构示意图；

图2是本发明的俯视方向的局部图结构示意图。

具体实施方式

如图1和图2所示，在本实施例中，本发明包括上机架1、下机架2、上压力驱动机构3、下压力驱动机构4、上卡具5和下卡具6，所述上机架1位于所述下机架2的上方，所述上压力驱动机构3的上端与所述上机架1相铰接，所述上压力驱动机构3的下端与所述上卡具5相连接，所述下压力驱动机构4下端与所述下机架2相铰接，所述下压力驱动机构4上端与所述下卡具6相连接，焊接时，所述上压力驱动机构3和所述下压力驱动机构4输出相向的作用力；所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括机械振动装置7和电磁振动装置8，所述机械振动装置7与所述上卡具5或所述上压力驱动机构3传动连接，所述电磁振动装置8与所述下卡具6或所述下压力驱动机构4相连接，所述机械振动装置7和所述电磁振动装置8产生的振动方向均与所述上压力驱动机构3或所述下压力驱动机构4输出的作用力方向垂直。所述机械振动装置7和所述电磁振动装置8可以阶段性工作，亦可同时反向工作，振动力和振动频率均可以调节。

在本实施例中，所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括侧支架9，所述侧支架9的侧面滑动设置有滑座10，所述下机架2上设置有与所述滑座10相连接的滑动调节装置11，所述机械振动装置7设置在所述滑座10上。所述机械振动装置7和所述电磁振动装置8的驱动力平行或重合，所述机械振动装置7高度可以调节，同时实现振幅的调节。

在本实施例中，所述机械振动装置7包括驱动电机71、支座72、主动轮73、从动轮74、传动带75、曲柄76和连杆77，所述驱动电机71和所述支座72均设置在所述滑座10上，所述驱动电机71与所述主动轮73传动连接，所述从动轮74通过所述传动带75与所述主动轮73传动连接，所述曲柄76的中心旋转轴与所述从动轮74的旋转中心传动连接，所述连杆77的一端与所述曲柄76的偏心轴相铰接，所述支座72支撑住所述曲柄76的中心旋转轴。

在本实施例中，所述曲柄76的中心旋转轴上设置有制动器12。

在本实施例中，所述滑动调节装置11包括与所述滑座10螺纹连接的调节丝杆111及与所述调节丝杆111传动连接的调节电机112。

在本实施例中，所述电磁振动装置8包括左电磁铁13、中永磁铁14和右电磁铁15，所述左电磁铁13和所述右电磁铁15对称设置在所述下压力驱动机构4的左右两旁，所述中永磁铁14设置在所述下压力驱动机构4的中部或者所述中永磁铁14对称分布在所述下压力驱动机构4的外围，所述上卡具5和所述下卡具6对正时，所述左电磁铁13、所述中永磁铁14和所述右电磁铁15的磁极均在竖直方向上。所述左电磁铁13、所述中永磁铁14和所述右电磁铁15的设计利用电磁铁异极相吸，同极相斥原理，驱动力和制动力分别为吸引力和排斥力，两力组合。

在本实施例中，所述下卡具6的底部还设置有隔磁板16，所述隔磁板16有利于电磁铁之间的电磁导通，有利于提高所述左电磁铁13、所述中永磁铁14和所述右电磁铁15之间的作用力。

在本实施例中，所述上压力驱动机构3和所述下压力驱动机构4均为液压缸。

在本实施例中，所述下机架2上设置有与所述上机架1相连接的支撑柱17。

在本实施例中，本发明的机架包括所述上机架1、所述下机架2、所述侧支架9和所述支撑柱17，所述机架采用放式机架设计，机架可以与土建结合，所述侧支架9、所述上机架1、所述支撑柱17可以与土建结合，所述机械振动装置7位置可以整体上下调节，焊接工件尺寸、形状不受设备限制。同时本发明的振动力和频率可以调节，在焊接的不同阶段、不同材质具有不同的振动力和振动频率，频率可调范围宽,克服了现有线性摩擦焊接设备的不足。实现在线性摩擦接过程中振动力和振动频率均可动态调整。

本发明可以根据线性摩擦焊接的特点，通常焊件在较大的压力下往复运动摩擦，产生大量的热，焊件迅速升温并软化。在焊接初期，采用机械式低频焊接，发挥机械式振动力大的特点；当金属软化后，焊件所需的振动力大幅下降，切换到电磁振动模式，实现高频振动焊接。同时根据工件的尺寸、材质不同，可选择单一性机械或电磁模式焊接，亦可选择复合性阶段焊接和同时反向焊接等。

本发明复合线性摩擦焊接的工作原理：安装焊接工件，根据焊件的尺寸调整所述驱动电机71及所述上卡具5和所述下卡具6的高度，所述电磁振动装置8固定并定位所述下卡具6。安装工件，输入焊接的相关参数，焊接工件对正，驱动电机71通过所述从动轮74带动所述连杆77驱动焊接工件往复直线运动，所述曲柄76的偏心距的两倍即工件运动行程。垂直的上下两个液压缸增加压力，产生摩擦热，焊接工件焊接区升温、软化，运动阻力下降，自动切断机械振动电源，制动装置工作实现制动并定位所述上卡具5，同时起动所述电磁振动装置8，在高振动频率条件下，继续摩擦，焊接区金属发生粘塑性运动，达到设定参数，切断电磁振动电源，对正工件，施加顶锻压力完成焊接。

本发明具体实施方案如下：

方案一：机械驱动线性摩擦焊接。所述驱动电机71通过控制器频率可调，启动所述驱动电机71，所述连杆77驱动所述上卡具5和所述下卡具6带动上工件反复运动，上下两个液压缸施加摩擦压力，满足焊接条件，对中液压缸并施加顶锻压力，完成焊接。

方案二：电磁驱动线性摩擦焊接。利用同极相互排斥原理驱动所述下卡具6，所述左电磁铁13和右电磁铁15的磁极与所述中间永磁铁14的极性相同，互相排斥，使所述中间永磁铁14处于平衡状态，当电磁铁通高频电，所述左电磁铁13和所述右电磁铁15的电压通过控制装置，实现峰值交替出现，所述左电磁铁13电压峰值，产生排斥力，所述右电磁铁15电压为零，所述中间永磁铁14向右移动，达到极限位置时受力平衡，运动速度为零，同理，所述右电磁铁15电压峰值，所述左电磁铁13电压为零，所述中间永磁铁14向左移动，如此反复运动，带动所述下卡具6产生高频往复运动，从而达到线性摩擦焊接的工艺要求；液压缸施加摩擦压力，满足焊接条件，对中液压缸并施加顶锻压力，完成焊接。

方案三：复合驱动摩擦焊接。所述驱动电机71通过控制器频率可调，启动所述驱动电机71，所述连杆77驱动所述上卡具5和所述下卡具6带动上工件反复运动，上下两个液压缸施加摩擦压力。焊接工件焊接区升温、软化，运动阻力下降，自动切断机械振动电源，制动装置工作实现制动并定位上卡具，同时起动电磁振动装置，利用同极相互排斥原理驱动所述下卡具6，所述左电磁铁13和右电磁铁15的磁极与所述中间永磁铁14的极性相同，互相排斥，使所述中间永磁铁14处于平衡状态，当电磁铁通高频电，所述左电磁铁13和所述右电磁铁15的电压通过控制装置，实现峰值交替出现，所述左电磁铁13电压峰值，产生排斥力，所述右电磁铁15电压为零，所述中间永磁铁14向右移动，达到极限位置时受力平衡，运动速度为零，同理，所述右电磁铁15电压峰值，所述左电磁铁13电压为零，所述中间永磁铁14向左移动，如此反复运动，带动所述下卡具6产生高频往复运动，从而达到线性摩擦焊接的工艺要求；液压缸施加摩擦压力，满足焊接条件，对中液压缸并施加顶锻压力，完成焊接。

本发明应用于线性摩擦焊接的技术领域。

虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。

Claims (7)

1.一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述一种复合型线性摩擦焊接设备包括上机架(1)、下机架(2)、上压力驱动机构(3)、下压力驱动机构(4)、上卡具(5)和下卡具(6)，所述上机架(1)位于所述下机架(2)的上方，所述上压力驱动机构(3)的上端与所述上机架(1)相铰接，所述上压力驱动机构(3)的下端与所述上卡具(5)相连接，所述下压力驱动机构(4)下端与所述下机架(2)相铰接，所述下压力驱动机构(4)上端与所述下卡具(6)相连接，焊接时，所述上压力驱动机构(3)和所述下压力驱动机构(4)输出相向的作用力；所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括机械振动装置(7)和电磁振动装置(8)，所述机械振动装置(7)与所述上卡具(5)或所述上压力驱动机构(3)传动连接，所述电磁振动装置(8)与所述下卡具(6)或所述下压力驱动机构(4)相连接，所述机械振动装置(7)和所述电磁振动装置(8)产生的振动方向均与所述上压力驱动机构(3)或所述下压力驱动机构(4)输出的作用力方向垂直；所述电磁振动装置(8)包括左电磁铁(13)、中永磁铁(14)和右电磁铁(15)，所述左电磁铁(13)和所述右电磁铁(15)对称设置在所述下压力驱动机构(4)的左右两旁，所述中永磁铁(14)设置在所述下压力驱动机构(4)的中部或者所述中永磁铁(14)对称分布在所述下压力驱动机构(4)的外围，所述上卡具(5)和所述下卡具(6)对正时，所述左电磁铁(13)、所述中永磁铁(14)和所述右电磁铁(15)的磁极均在竖直方向上；所述一种复合型线性摩擦焊接设备还包括侧支架(9)，所述侧支架(9)的侧面滑动设置有滑座(10)，所述下机架(2)上设置有与所述滑座(10)相连接的滑动调节装置(11)，所述机械振动装置(7)设置在所述滑座(10)上。

2.根据权利要求1所述的一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述机械振动装置(7)包括驱动电机(71)、支座(72)、主动轮(73)、从动轮(74)、传动带(75)、曲柄(76)和连杆(77)，所述驱动电机(71)和所述支座(72)均设置在所述滑座(10)上，所述驱动电机(71)与所述主动轮(73)传动连接，所述从动轮(74)通过所述传动带(75)与所述主动轮(73)传动连接，所述曲柄(76)的中心旋转轴与所述从动轮(74)的旋转中心传动连接，所述连杆(77)的一端与所述曲柄(76)的偏心轴相铰接，所述支座(72)支撑住所述曲柄(76)的中心旋转轴。

3.根据权利要求2所述的一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述曲柄(76)的中心旋转轴上设置有制动器(12)。

4.根据权利要求3所述的一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述滑动调节装置(11)包括与所述滑座(10)螺纹连接的调节丝杆(111)及与所述调节丝杆(111)传动连接的调节电机(112)。

5.根据权利要求4所述的一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述下卡具(6)的底部还设置有隔磁板(16)。

6.根据权利要求1所述的一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述上压力驱动机构(3)和所述下压力驱动机构(4)均为液压缸。

7.根据权利要求1所述的一种复合型线性摩擦焊接设备，其特征在于：所述下机架(2)上设置有与所述上机架(1)相连接的支撑柱(17)。

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