CN108581178A - 一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，包括搅拌针、固定且位于搅拌针中部的上轴肩和下轴肩、套设在搅拌针上部并为上轴肩提供压力的下压单元、套设在搅拌针下部并为下轴肩提供升力的上升单元。与现有技术相比，本发明通过设置下压单元和上升单元，将上轴肩和下轴肩压住待焊接的两个工件，而且当搅拌针在高速旋转的时候，上轴肩和下轴肩不会发生旋转，因此在焊接过程中不会和工件发生高速摩擦的情形，不会使工件变形，从而保证了焊缝的质量。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦焊接技术领域，具体涉及一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头。
背景技术
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)作为一种固相焊接方法，以其先进、绿色安全可靠的工艺特点在航空天、轨道交通汽车制造业中得到日益广泛的应用。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁等低熔点、高性能的金属材料焊接中，避免了传统焊接技术在焊此类材材料时产生的气孔、裂纹等缺陷，增强了焊缝质量，减小接变形，节省了焊材料。
为了保证焊接过程的搅拌针能够有足的下压力使工件软化并压入内部，搅拌摩擦焊接设备应当具有较大的负载能力。同时为了焊接精度，需要在前进行确装夹，并且背部还需要刚性支撑，因而无法焊接复杂大型结构和特殊位置的工件。此外，一般搅拌摩擦焊由于热输入主要来自工件上表面，热输入梯度大焊缝质量容易产生缺陷。因此，双轴肩搅拌摩擦焊技术在很大程度上增加了接的灵活性和焊缝的质量。双轴肩搅拌头由上下两个通过针链接，并由上、下两个轴肩对工件起到支撑作用。
目前，双轴肩搅拌头在焊接过程中上、下轴肩之间的隙固定不变。如此在焊接过程中遇到卡住或者变厚度的工件，会造成整个搅拌头的损坏或者焊缝发生飞边等质量问题，而降低接头承载能力；现有的可浮动式双轴肩搅拌头通过下轴肩被动适应工件厚度或者通过手动机械调节上、下轴肩之间的隙来实现间隙的改变。如此在焊接过程中不能来实现间隙的改变，并通过上下轴肩间隙的主动改变来控制上下轴肩对工件的压力，这样同一不处厚隙来控制上、下轴肩对工件的压力没有主动控制会造成同一工件不同处焊缝质量不同而降低接头承载能力。
传统的搅拌头轴肩与搅拌针同时旋转，轴肩与被焊接材之间的摩擦是主要产热方式，由于轴肩和搅拌针一体，在旋转焊接过程中，会产生飞边，并缝处使塑化材料从转动的搅拌针两侧挤出，留出凹陷而且热输入梯度大。这些都会对焊缝组织和性能产生一定的影响。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种焊接质量稳定的浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，该搅拌头包括搅拌针、固定且位于搅拌针中部的上轴肩和下轴肩、套设在搅拌针上部并为上轴肩提供压力的下压单元、套设在搅拌针下部并为下轴肩提供升力的上升单元，焊接时，两个待焊接的工件夹持在上轴肩和下轴肩之间，并通过下压单元和上升单元将上轴肩和下轴肩紧压在工件的上下两侧，所述搅拌针插设在两个待焊接的工件之间的缝隙中，搅拌针旋转并沿着两个待焊接的工件之间的缝隙移动，直至完成焊接。本发明通过设置下压单元和上升单元，将上轴肩和下轴肩压住待焊接的两个工件，而且当搅拌针在高速旋转的时候，上轴肩和下轴肩不会发生旋转，因此在焊接过程中不会和工件发生高速摩擦的情形，不会是工件变形，从而保证了焊缝的质量。
所述的下压单元包括套设在搅拌针上部的倒T字型的搅拌针壳、套设在搅拌针壳外侧的上线圈，所述搅拌针壳包括沿着搅拌针轴向设置的竖直部以及设置在竖直部底部且和竖直部平行的水平部，所述上线圈套设在竖直部外侧，且上线圈的底部与水平部的顶端接触，所述上轴肩与水平部的底端固定连接。
所述竖直部的顶端和底端分别通过上圆柱滚子轴承和下圆柱滚子轴承与搅拌针连接。通过两个圆柱滚子轴承，可以保证搅拌针在高速旋转时，上轴肩不会旋转。
所述上线圈的外侧套设上线圈外壳，所述上线圈外壳的底部固定在水平部的上端。设置外壳是为了将上线圈与外界隔绝，防止触电的发生。
所述的下轴肩呈凸字形，包括顶端的抵接部以及底部的容纳腔，所述容纳腔为中空结构。
所述的上升单元包括套设在搅拌针下部的下线圈以及固定在搅拌针底部的直线轴承，所述下线圈位于所述容纳腔内，不工作时，所述下轴肩支撑在直线轴承顶部。本发明中，搅拌针与搅拌针壳形成铁芯，并与上线圈形成一个电磁铁，下线圈和搅拌针形成一个电磁铁，在焊接时，上线圈和下线圈通电，可以产生磁场，从而使得上轴肩下压，下轴肩提升。
所述的搅拌针的底端设有固定螺母，所述固定螺母通过弹性垫圈与直线轴承的底部接触。设置固定螺母是为了防止下轴肩和直线轴承往下掉，而设置弹性垫圈是为了防止直线轴承在焊接过程中与固定螺母发生刚性接触，从而增长直线轴承的寿命。
所述的下轴肩的两侧边对称设有连接杆，所述连接杆上设有滚轮，所述滚轮的最高点与下轴肩的抵接部的最高点齐平。设置滚轮，是在焊接时给工件提供一个支点，防治工件发生上下的跳动而影响焊接质量。
所述的上线圈和下线圈采用π型绕线，且通电后上线圈和下线圈产生的磁场相同。由于π型绕线得到的电磁铁在通电后产生的磁性更强。由于通电后上线圈和下线圈产生的磁场相同，所以上线圈底部的磁场和下线圈顶部的磁场刚好相反，异性相吸。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在以下几方面：
(1)本发明通过设置下压单元和上升单元，将上轴肩和下轴肩压住待焊接的两个工件，而且当搅拌针在高速旋转的时候，上轴肩和下轴肩不会发生旋转，因此在焊接过程中不会和工件发生高速摩擦的情形，不会使工件变形，从而保证了焊缝的质量；
(2)本发明通过上线圈和下线圈构成的下压单元和上升单元，在焊接过程中对工件的挤压力更加均匀，且即使工件的厚度出现变化，挤压力也基本保持不变，提升焊接质量。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，1为搅拌针，2为上圆柱滚子轴承，3为上线圈外壳，4为上线圈，5为下圆柱滚子轴承，6为搅拌针壳，7为上轴肩，8为工件，9为滚轮，10为下轴肩，11为下线圈，12为直线轴承，13为弹性垫圈，14为固定螺母。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其结构如图1所示，包括搅拌针1、固定且位于搅拌针1中部的上轴肩7和下轴肩10、套设在搅拌针1上部并为上轴肩7提供压力的下压单元、套设在搅拌针1下部并为下轴肩10提供升力的上升单元。
其中，下压单元包括套设在搅拌针1上部的倒T字型的搅拌针壳6、套设在搅拌针壳6外侧的上线圈4，搅拌针壳6包括沿着搅拌针1轴向设置的竖直部以及设置在竖直部底部且和竖直部平行的水平部，上线圈4套设在竖直部外侧，且上线圈4的底部与水平部的顶端接触，上轴肩7与水平部的底端固定连接。竖直部的顶端和底端分别通过上圆柱滚子轴承2和下圆柱滚子轴承5与搅拌针1连接。通过两个圆柱滚子轴承，可以保证搅拌针1在高速旋转时，上轴肩7不会旋转。上线圈4的外侧套设上线圈外壳3，上线圈外壳3的底部固定在水平部的上端。设置外壳是为了将上线圈4与外界隔绝，防止触电的发生。
下轴肩10呈凸字形，包括顶端的抵接部以及底部的容纳腔，容纳腔为中空结构。
上升单元包括套设在搅拌针1下部的下线圈11以及固定在搅拌针1底部的直线轴承12，下线圈11位于容纳腔内，不工作时，下轴肩10支撑在直线轴承12顶部。本装置中，搅拌针1与搅拌针壳6形成铁芯，并与上线圈4形成一个电磁铁，下线圈11和搅拌针1形成一个电磁铁，在焊接时，上线圈4和下线圈11通电，可以产生磁场，从而使得上轴肩7下压，下轴肩10提升。搅拌针1的底端设有固定螺母14，固定螺母14通过弹性垫圈13与直线轴承12的底部接触。设置固定螺母14是为了防止下轴肩10和直线轴承12往下掉，而设置弹性垫圈13是为了防止直线轴承12在焊接过程中与固定螺母14发生刚性接触，从而增长直线轴承12的寿命。
下轴肩10的两侧边对称设有连接杆，连接杆上设有滚轮9，滚轮9的最高点与下轴肩10的抵接部的最高点齐平。设置滚轮9，是在焊接时给工件8提供一个支点，防治工件8发生上下的跳动而影响焊接质量。
上线圈4和下线圈11采用π型绕线，且通电后上线圈4和下线圈11产生的磁场相同。由于π型绕线得到的电磁铁在通电后产生的磁性更强。由于通电后上线圈4和下线圈11产生的磁场相同，所以上线圈4底部的磁场和下线圈11顶部的磁场刚好相反，异性相吸。
焊接时，上线圈4和下线圈11通电，从而相互吸引，使得上轴肩7和下轴肩10相对运动，并分别紧贴在两个工件8的上表面和下表面。如图1所示，搅拌针1沿着两个工件8的缝隙运动(在图中即为垂直于直面向内或向外)，同时搅拌针1高速旋转，使两个工件8摩擦生热而软化，完成焊接。
Claims (9)
1.一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，该搅拌头包括搅拌针、固定且位于搅拌针中部的上轴肩和下轴肩、套设在搅拌针上部并为上轴肩提供压力的下压单元、套设在搅拌针下部并为下轴肩提供升力的上升单元，焊接时，两个待焊接的工件夹持在上轴肩和下轴肩之间，并通过下压单元和上升单元将上轴肩和下轴肩紧压在工件的上下两侧，所述搅拌针插设在两个待焊接的工件之间的缝隙中，搅拌针旋转并沿着两个待焊接的工件之间的缝隙移动，直至完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述的下压单元包括套设在搅拌针上部的倒T字型的搅拌针壳、套设在搅拌针壳外侧的上线圈，所述搅拌针壳包括沿着搅拌针轴向设置的竖直部以及设置在竖直部底部且和竖直部平行的水平部，所述上线圈套设在竖直部外侧，且上线圈的底部与水平部的顶端接触，所述上轴肩与水平部的底端固定连接。
3.根据权利要求2所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述竖直部的顶端和底端分别通过上圆柱滚子轴承和下圆柱滚子轴承与搅拌针连接。
4.根据权利要求2所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述上线圈的外侧套设上线圈外壳，所述上线圈外壳的底部固定在水平部的上端。
5.根据权利要求2所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述的下轴肩呈凸字形，包括顶端的抵接部以及底部的容纳腔，所述容纳腔为中空结构。
6.根据权利要求5所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述的上升单元包括套设在搅拌针下部的下线圈以及固定在搅拌针底部的直线轴承，所述下线圈位于所述容纳腔内，不工作时，所述下轴肩支撑在直线轴承顶部。
7.根据权利要求6所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述的搅拌针的底端设有固定螺母，所述固定螺母通过弹性垫圈与直线轴承的底部接触。
8.根据权利要求6所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述的下轴肩的两侧边对称设有连接杆，所述连接杆上设有滚轮，所述滚轮的最高点与下轴肩的抵接部的最高点齐平。
9.根据权利要求6所述的一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头，其特征在于，所述的上线圈和下线圈采用π型绕线，且通电后上线圈和下线圈产生的磁场相同。
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