CN109434271A - 一种带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及其焊接中空型材对接焊缝的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种集成静止轴肩和双轴肩搅拌摩擦焊的优点，采用辅助拉绳装置，可同时焊接中空型材上下壁板的4个表面的搅拌头，及其同时焊接中空型材的2条对接直线焊缝、和接近直线的平滑曲线对接焊缝的方法。对于中空型材的4个表面，采用4个静止轴肩分别与之对应。本发明创造性为这些轴肩增加若干拉绳(1～4条拉绳)，每一拉绳的拉力等于该拉绳所对应分担的轴肩和工件的摩擦表面产生的干摩擦阻力，与对应分担的搅拌针受到工件产生的前进阻力之和，尽量使搅拌针主体部分接近只承受由于旋转而所受到的纯扭矩作用，可使搅拌针的受力状况得到极大地改善。本发明在世界上首次可高质高效地使中空型材的2条对接焊缝同时采用搅拌摩擦焊进行焊接。

Description

一种带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及其焊 接中空型材对接焊缝的方法

技术领域：

本发明是集成静止轴肩搅拌摩擦焊和双轴肩搅拌摩擦焊的优点，提出了一种带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌头，可同时高质量高效地焊接带矩形口空腔或者带其他形状的中空型材的上下(或左右)壁板的 4个表面(含平面、圆弧面及其他曲面)的直线焊缝、或接近直线的平滑曲线的对接焊缝及其焊接方法，涉及领域为各类轨道车辆(含磁浮车辆)、舰船、各类汽车(含罐车)、桥梁(含人行天桥)、建筑板材、航空航天的中空型平板体和中空型材筒体的拼焊制造，以及上述各大部件之间的总成焊接。

背景技术：

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种固相焊接新技术，是英国焊接研究所于1991 年发明的。搅拌摩擦焊技术被誉为21世纪最具革命性的焊接技术，历经20余年的技术研发和工程化推广，已经在国内外的各个领域得到了应用。由于在传统搅拌摩擦焊过程中伴随着较大的顶锻压力，需要在背部工件进行严格地夹装，同时在背部需要刚性支撑垫板，为其推广应用造成了一定的困难；后来发展的双轴肩搅拌摩擦焊，其上下轴肩形成了相互支撑，下轴肩代替了工件背部的刚性支撑垫板，这一改进大大降低了焊接过程中的锻压力，解决了根部未焊透，部分解决了飞边和隧道孔；后来继续发展了静止轴肩搅拌摩擦焊，则更上了一层楼，基本上彻底地消除了未焊透，基本上没有大的飞边，接头的性能有了进一步的提高。可以说，在传统搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊和静止轴肩搅拌摩擦焊中，只要焊接参数合适，静止轴肩搅拌摩擦焊的接头性能是最好的。

对于静止轴肩搅拌摩擦焊，由于轴肩不旋转，静止轴肩与工件表面的为干摩擦作用，搅拌头的搅拌针除了受到工件的扭矩和前进阻力的作用外，还受到该干摩擦力产生的非常大的弯矩作用，易使搅拌针折断，使静止轴肩搅拌摩擦焊难于应用在双轴肩或多轴肩的场合；对于同时焊接中空型材的4个表面，更是不敢想象，而现实情况却是有大量的中空型材需要高效焊接。特别是其各大部件的总成阶段的焊接，由于操作空间的限制，同时将中空型材的4个表面一次焊接成型，十分困难，如轨道车辆的大型中空铝型材车体的总成焊接。国内外未见利用搅拌摩擦焊特别是静止轴肩搅拌摩擦焊同时焊接中空结构的两个表面的报道，本发明为国内外首创。

发明内容：

本发明就是为了满足实际生产中需要，提出了一种集成静止轴肩搅拌摩擦焊可得到性能优异的焊接接头、双轴肩搅拌摩擦焊无需刚性支撑的优点，又能高质量高效地同时焊接带矩形空腔或者带其他形状的中空型材的上下壁板的4个表面(含平面、圆弧板及其他曲面板)的搅拌头及其辅助装置的方案，及其焊接直线和接近直线的平滑曲线对接焊缝方法。

其原理如下：①对直线对接焊缝的焊接，现有技术条件下的静止轴肩搅拌摩擦焊，一般只是将传统的搅拌摩擦焊的轴肩更换为静止轴肩，一个静止轴肩对应一个表面，该静止轴肩与工件产生的干摩擦力只有一处，搅拌针受力状况还不是十分复杂，可以满足简单的需求。对于中空型材的上下壁板的4个表面，本发明采用四个静止轴肩，每一个轴肩与现有的静止搅拌摩擦焊相同，也还是一个静止轴肩对应一个表面，上部的2个轴肩对应型材的上部壁板的2个表面(该2个轴肩的距离略小于该壁板的厚度如0.1～0.2mm，与现有的双轴肩搅拌摩擦焊大体相同，下同)，下部的2个轴肩对应型材的下部壁板的两个表面。而与中空型材的空腔内表面接触的两个轴肩，其距离等于或略小于空腔的距离如0.02～0.05mm(轴肩有倒角，不影响进入)。由于存在4处干摩擦力，不增加其他装置肯定不行，否则摩擦力产生的阻力及其产生的力矩使搅拌针折断。本发明创造性为4个轴肩增加若干拉绳，每一拉绳的拉力等于该拉绳所对应分担的轴肩摩擦表面产生的干摩擦阻力、与对应分担的搅拌针受到工件产生的前进阻力之和，并且始终是拉绳拉拽着轴肩和搅拌针前进，即应使轴肩、搅拌头、移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人，都与拉绳一起前进，但前进速度相等，该前进速度即是合适的焊接速度。在焊接过程中，使各静止轴肩等始终承受拉绳的拉力作用。移动龙门架或移动工件平台或移动焊接机器人的移动底座的走行装置，通过定滑轮组后，既可以承担自身的前进阻力使自身前进，又可承担各个轴肩拉绳的拉力，带动拉绳一起前进，请参阅图2；也可以通过定滑轮组后，由滑板和拉绳牵引，最后被单独电机带动前进，请参阅图4，此时，移动龙门架或移动工件平台或移动焊接机器人的移动底座可以无动力装置，它们和各个轴肩的轴肩拉绳一起通过滑板由单独电机和拉绳带动。至于采用哪一种方式，可视具体技术条件和场地条件而定。注意：移动龙门架和移动焊接机器人的移动底座及移动工件平台时，拉绳的拉力方向相同，但由于移动工件平台时与焊缝的焊接前进方向相反，定滑轮组的组合方式不同，下面不再说明。②对于接近直线的平滑曲线对接焊缝焊接，如对于轨道车辆来讲，无论是焊接侧墙还是车体总成焊接，均需要有一定的上拱，如对于某型车来讲(车体本体长度24.5m)，若取车体枕梁处的上拱为零，总成焊接时则要求车体中央上拱16mm，车体两端下沉3mm，在铅垂面内形成一条上拱很小的平滑曲线。对于这类接近直线的平滑曲线对接焊缝的焊接，则必须采用若干自由度的搅拌摩擦焊接机器人进行焊接，一般是采用焊接机器人沿导轨移动进行焊接(此时可无龙门架)，机器人的底座带自动走行装置，或者焊接机器人直接安装在可自带走行装置的龙门架上，这要视焊缝所在的位置和机器人的臂长而定；亦可以由单独电机通过拉绳和定滑轮一起带动焊接机器人、轴肩拉绳和轴肩前进。另外，要求搅拌摩擦焊接机器人具有焊缝跟踪系统，具备感知搅拌头所受纵向力的纵向传感器(可以间接测量，安装在焊接机器人的合适手臂上)。由于是接近直线的平滑曲线对接焊缝，不需要增加其他机械装置，搅拌头自身就可以沿拉绳的垂向移动。原理是：若没有拉绳或者拉绳静止，要想通过搅拌针使轴肩沿拉绳垂向移动，则需要克服的很大摩擦阻力和该力形成的力矩，或者搅拌针根本不能移动。但当轴肩运动时，从理论上来讲，无论轴肩运行方向如何，轴肩与工件的摩擦力大小是一定的，对于接近直线的平滑曲线对接焊缝，该摩擦力与拉绳方向的夹角非常小，它在拉绳的垂向分力就很小，而总摩擦力在拉绳方向的分力由拉绳承担，很小的垂直于的拉绳方向的摩擦分力由搅拌针自身承担，所以前进时的搅拌针很易使轴肩沿拉绳的垂向移动。

如同利用搅拌摩擦焊焊接熔点较高的金属时，有时需要在待焊焊缝前面，利用如电磁作用或激光边加热边焊接，这样已提前软化的待焊部位能极大地改善了搅拌针的受力状况，此加热装置就是搅拌摩擦焊的一种辅助装置。本发明的核心之一，拉绳及其附属机构也是一种辅助装置，增加该拉绳辅助装置，可简单巧妙地将搅拌针所受到的干摩擦阻力、搅拌针受到工件自身的前进阻力与搅拌针由于旋转而所受到的扭矩部分解耦，使搅拌针接近只承受由于旋转而所受到的纯扭矩作用，同样可使搅拌针的受力状况得到极大地改善，但最大贡献是：带一套辅助拉绳的四个静止轴搅拌头可对中空型材的4个内外表面的同时焊接。

这里需要说明的是，轴肩的端面不一定是平面，其形状与工件待焊部位的形状相对应，如待焊部位是圆弧形，则轴肩的端部也是与其等半径的圆弧形，且在轴肩的端面上无需开槽。这是由于各壁板上下表面对应的轴肩距，应小于壁板板厚，使之产生一定压缩量(如：0.1～0.2mm)，只有这样形状和尺寸相同，才能均匀压缩，起到顶锻压力的作用，才可能极大地减少飞边的产生，无需开槽，这是为了充分发挥静止轴肩具有括擦和抹平作用，进一步不产生或者产生极小的飞边；

还需要说明的是，待焊的4个表面也不一定是上下水平表面，也可以是左右垂直立面，也可以是与水平面有一定夹角的表面或曲面

对拉绳及其附属机构的要求：①当焊接低熔点金属或合金时，拉绳最好采用高强度的柔软碳纤维绳索(现国内的碳纤维强度的抗拉强度已做到8000MPa以上)；当焊接高熔点金属或合金且需要附加加热时，当不能使用高强度的碳纤维绳索时，可采用高强度柔软钢丝绳；②当搅拌头与工件的引入板安装好后，拉绳应进行预紧，但拉绳的速度为零，使每一拉绳所受到的拉力应等于拉绳对应分担的先前测试得到的干摩擦阻力、应分担的搅拌针受到的前进阻力之和，这样可部分消除拉绳的连接间隙和弹性变形的影响，正常焊接速度下保持该力的大小大致不变；③各拉绳的速度应相等，并且等于合适的焊接速度。

上述介绍了带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的原理、特点和要求。为了便于理解和实施，下面具体以焊接表面为水平平面、矩形中空铝型材的直线对接焊接为例，结合附图详细说明本发明。

附图说明

图1是本发明的一种带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的剖视图的示意图

1.搅拌针 2.锁紧螺母 3.防松垫圈 4.碟簧 5.推力圆锥滚子轴承 6.外部轴肩7.中空型材上壁板 8.内部轴肩 9.推力圆锥滚子轴承 10.内部轴肩 11.推力圆锥滚子轴承 12.中空型材下壁板 13.外部轴肩 14.推力圆锥滚子轴承 15.碟簧16.防松垫圈 17.锁紧螺母

图2是本发明的一种由移动龙门架或移动焊接机器人的移动底座的拉绳带动的辅助拉绳装置的原理示意图

1.搅拌针 2.锁紧螺母 6.外部轴肩 7.中空型材上壁板 8.内部轴肩 10.内部轴肩12.中空型材下壁板 13.外部轴肩 17.锁紧螺母 18.接线柱 19.接线柱 20.拉绳 21.拉绳22.滑板 23.拉紧装置 24.拉紧装置 25.拉紧装置 26.拉紧装置 27.拉力传感器28.拉绳29.定滑轮 31.定滑轮 32.压力传感器(带拉紧装置) 33.移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座 34.拉绳 35.拉绳 36.定滑轮 37.接线柱 38.接线柱39.移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座的拉绳 50.导槽

图3是本发明的一种搅拌头的轴肩三维示意图

图4是本发明的一种由独立机带动的带四根辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的原理示意图

1.搅拌针 2.锁紧螺母 6.外部轴肩 7.中空型材上壁板 8.内部轴肩 10.内部轴肩12.中空型材下壁板 13.外部轴肩 17.锁紧螺母 18.接线柱 19.接线柱 20.拉绳 21.拉绳22.滑板 23.拉紧调节装置 24.拉紧调节装置 25.拉紧调节装置 26.拉紧调节装置27.拉力传感器 28.拉绳 30.电机(带控制装置和轮毂等) 31.定滑轮 32.拉力传感器(带拉紧调节装置) 33.移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座 34.拉绳 35.拉绳

图5是本发明的一种带三根辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头的原理简示图

具体实施方式

对于利用辅助拉绳装置静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头进行的焊接中空型材，本发明必须采用常用的带匙孔的上下引入板(对于从事焊接的技术人员来说，非常熟悉，所以这里没有画出)，上下引入板分别与待焊型材的上下壁板7、12等厚。将两工件安装对接固定，如图1、图2和图4，在上下方向应防止错位、在宽度方向的无间隙并适度对压，这两个方向均应夹装固定好。对于搅拌头和拉绳装置的组装、焊接过程，步骤如下：

(1)请参阅图2，在4条轴肩拉绳20、21、34、35的始端，首先按照中间带小圆弧和端部带螺纹的 4个接线柱18、19、37、38的大小各打一个节套(本发明建议相等)，并进行个压接，压接头不低于3个；将拉绳21和拉绳35采用微型机器人从中空型材的空腔中焊接末端穿越到达始端(当焊接长度不大时，也可以采用铁丝牵引或其他方式穿越)，将拉绳20和拉绳34采用合适的方式拉放到始端，各拉绳两端应采用颜色和标有编号的套管方式进行标识，节套打好后备用。本发明建议至少这4条轴肩拉绳的材质均为高强度碳纤维；

(2)请参阅图2和图4，将拉绳20、21、35、34分别与滑板上的拉紧调节装置23、24、25、26进行连接；

(3)在图2中，将拉绳28连接拉力传感器27、三个定滑轮29、31、36，最后连接到移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座33的拉紧调节装置32上。在图4中，将拉绳39连接拉紧调节装置 40、再经过定滑轮41、36、31，再最终连接到移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座33的拉紧调节装置32上，将拉绳28连接拉力传感器27与电机30的转鼓上：注意，在本条中图2和图4的操作分别是单独的，互不包含。事实上，正式焊接前，上步(2)和本步(3)的操作已完成。

(4)请参阅图1，将推力圆锥滚子轴承9从搅拌针1的柄端套入搅拌针1中，至最大挡肩处，再将内部轴肩8也从搅拌针1的柄端套入推力圆锥滚子轴承9的外圈中。推力圆锥滚子轴承9的内圈与搅拌针1之间、推力圆锥滚子轴承9的外圈与内部轴肩8之间均为间隙配合，所以很易套入。对于推力圆锥滚子轴承11、内部轴肩10也采用同样的方式从搅拌针1的尾端套入，过程与推力圆锥滚子轴承9、内部轴肩8 一样，这里不再赘述；

(5)请参阅图1～图4，将位于型材空腔中的内部轴肩8转至合适的位置，将中间带有圆弧槽、端部带有螺纹的接线柱37穿过轴肩8的上部耳孔后，再穿过拉绳35事先已打好节套，再将接线柱37螺纹拧入轴肩8的下部耳孔中，节套位于接线柱37的圆弧槽中。对于内部轴肩10、拉绳21、接线柱19等执行与本条的内部轴肩8、接线柱37等的同样操作，这里不再赘述；

(6)请参阅图1～4，将(1)～(5)部分组合好的搅拌针、推力圆锥滚子轴承和内部轴肩、已套好拉绳节套的接线柱等立放到带匙孔的上下引入板中间。这里需要说明的是：轴肩8和轴肩10的工作平面之距略小于两引入板上下内侧距0.02～0.05mm左右，以方便进入上下引入板；

(7)请参阅图1，将外部轴肩6、推力圆锥滚子轴承5、碟簧4、防松垫圈3和锁紧螺母2依次从搅拌针1的柄端套入，此时，外部轴肩6座落在上引入板(等同上壁板7)上面、推力圆锥滚子轴承5位于外部轴肩6中，再稍微拧一下锁紧螺母2，以消除各零部件之间的搅拌针1轴向间隙即可。需要说明的是：推力圆锥滚子轴承5的内圈与搅拌针1之间、推力圆锥滚子轴承5的外圈与外部轴肩6之间均为间隙配合，很易套入，本发明推荐使用洛帝牢防松垫圈、施必牢锁紧螺母，下同。

(8)请参阅图1，将外部轴肩13、推力圆锥滚子轴承14、碟簧15、防松垫圈16和锁紧螺母17依次从搅拌针1的尾端套入，此时，外部轴肩13与下引入板(等同下壁板12)的下面接触、推力圆锥滚子轴承 14位于外部轴肩13中。其它则与(7)相同，这里不再赘述。

(9)请参阅图1～图4，将轴肩6转至适当位置，将中间带有圆弧槽、端部带有螺纹的接线柱38穿过轴肩6的上部耳孔后，再穿过已过拉绳34事先已打好节套，再将接线柱38螺纹拧入轴肩6下部耳孔，节套位于接线柱38的圆弧槽中。拉绳20与接线柱18、外部轴肩13的连接也是如此，这里不再赘述。

(10)请参阅图1～图4，将4个轴肩的耳孔转至焊缝方向，适当从焊缝尾端拉紧4条轴肩拉绳，使轴肩中心线、轴肩耳孔中心线和焊缝在一个平面内(即平常说的使轴肩中心、轴肩耳孔中心和焊缝在一条直线上)，使用扭矩扳手拧紧锁紧螺母2，使轴肩6和轴肩8对上引入板(等同上壁板7)产生厚度方向的合适的压缩量(如0.1～0.2mm)；使用扭矩扳手拧紧锁紧螺母17，使轴肩10和轴肩13对下引入板(等同下壁板12)产生厚度方向的合适的压缩量(如0.1～0.2mm)，具体的压缩量可通过大量的试验得到，与具体情况有关。事实上，锁紧螺母2和锁紧螺母17是交替拧紧，压缩量与最终扭矩值相对应(可以通过先前试验得到扭矩和压缩量的关系表)，同时，注意在拧紧的过程中，不应使各轴肩转动，必须保持各轴肩中心、轴肩耳孔中心和焊缝在一条直线上，否则应重复本步骤，这一点非常重要。

(11)请参阅图2和图4，沿导槽50拉动滑板22，将拉绳20、21、34、35拉直，通过在导槽上的螺栓组压紧滑板22(该螺栓组未画出)；此时，调节拉紧调节装置23、24、25、26(装置内有初调装置、调节螺纹和压力传感器等，滑板22中间有长方形开口，便于调节拉紧调节装置，下同)，使拉绳20、21、34、 35所承受的拉力分别等于其所对应分担的轴肩摩擦表面产生的干摩擦阻力与对应分担的搅拌针受到工件产生的前进阻力之和。注意，这些力事先已通过试验得到。

(12)请参阅图2，调节移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座33的拉紧调节装置32，使拉绳28的拉力和拉紧拉力传感器27的显示值为拉绳20、21、34、35的拉力之和；请参阅图4，调节拉紧调节装置40，使拉绳39所受到的拉力为移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座的匀速前进所需的动力，在调节该拉绳的拉力时，可在移动底座前固定阻止前进的装置；注意，对于本步，图2和图 4的操作相互独立、互不包含。

(13)松开滑板22的螺栓组，移除移动底座的阻止前进的装置。前述(11)、(12)的目的主要是为了消除各拉绳的连接间隙和弹性变形对正式焊接过程的影响，考虑到机械效率，对紧拉力传感器27的拉力适度放大2～6％，具体为多少百分比要通过试验。值得注意的是：滑板下部有4个滑轮，滑板的长度不小于400～800mm，导槽的侧面涂有润滑脂，滑板与导槽的两侧间隙之和不大于1.0mm，这样可保证正常焊接过程中，各拉绳的拉力和方向不会发生较大的变化，同时最大限度地保证了各拉绳的速度相等，这一点至关重要。

(14)将搅拌头1的柄部与搅拌摩擦焊机旋转主轴相连并紧固；

(15)对于图2，其单独步骤如下：接上一步(14)后，计算拉绳20、21、34、35的拉力之和，拉绳 28的拉力就是该计算值，并可适度放大如3％；启动各设备，设置搅拌摩擦焊机的旋转主轴的转速为适合转速，使搅拌针1开始旋转；设置移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座的走行装置的前进速度，使其等于合适的焊接速度，并使之前进，进而带动滑板22、则四条轴肩拉绳20、21、34、35、各轴肩、移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座33等以等速前进，并保持匀速，使拉力传感器27的数值维持在拉绳28的拉力计算值，直至移出焊缝的引出板，完成焊缝的焊接。图5的设置有一个大条件，走行装置的前进主动力必须大于4条轴肩拉绳和移动底座自身的前进阻力之和，并且不低于30％的富余。

对于图4，其单独步骤如下：接上一步(14)后，计算拉绳20、21、34、35的拉力之和，拉绳28 的拉力就是该计算值，并可适度放大如3％，计算电机30为维持拉绳28的拉力大小和速度所需要的扭矩值及电机30的电压、电流、频率，拉绳28的前进速度即合适的焊接速度。启动各设备，设置搅拌摩擦焊机的旋转主轴的转速为适合转速，使搅拌针1开始旋转；设置电机的各已计算好的参数值，使电机30旋转，进而带动滑板22、则四条轴肩拉绳20、21、34、35、各轴肩、移动龙门架或移动平台或移动焊接机器人的移动底座等以等速前进，并保持匀速，直至移出焊缝的引出板，完成焊缝的焊接。

至此，关于直线对接焊缝，对说明书附图的具体实施方式和过程叙述完毕。

但对接近直线的平滑曲线对接焊缝，则必须采用带焊缝跟踪系统的多自由度搅拌摩擦焊接机器人进行焊接，正如前所说，一般是采用焊接机器人的底座沿导轨移动进行焊接(此时可无龙门架)，机器人的底座带自动走行装置；或者焊接机器人直接安装在可自带自动走行装置的龙门架上。至于其他步骤，则与直线对接焊缝完全相同，但需要增加焊接机器人的焊缝跟踪系统和搅拌针的纵向力传感器，当纵向力传感器的检测到该力大于规定值时，可使搅拌头与前进方向相反的摄动，可使轴肩拉绳的拉力增大，但由于焊接机器人的底座的前进速度远大于该摄动速度，搅拌针的合速度仍然朝前，所以搅拌针不会往回走。

对说明书附图中关键细节部分，则进一步的说明如下：

①对于本发明的带辅助拉绳装置四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，只适应于直线或接近直线的平滑曲线的对接焊缝，也可适应于含正常公差的固定尺寸的上下壁板厚度和型腔高度，在搅拌针和推力轴承间增加薄片，可适应不大的厚度变化、轴肩磨损变化和型腔高度变化。大量试验表明，对于双轴肩搅拌摩擦焊，当焊接时间增大时，由于搅拌针的温升引起搅拌针的长度增加，引起这个压缩量的减小，同时由于长时间焊接过程中的振动，引起锁紧螺母松动，从而造成隧道、孔洞和飞边等缺陷。故本发明使用了碟簧，并推荐使用洛帝牢防松垫圈和施必牢锁紧螺母，始终维持着顶锻压力并使之变化不大，加上静止轴肩搅拌摩擦焊的输入热量小于传统固定双轴肩的热量，可能大幅度减小这些缺陷。经查阅大量文献，当焊接铝合金时，发现四平面铣扁搅拌针比较好，建议采用，其材料可为热作模具钢，并进行热处理；对于轴肩，建议采用热处理后高碳工具制作即可。但对不同的待焊材料，对搅拌针和轴肩应选用不同的材料；

②本发明提到的静止轴肩与待焊表面产生的干摩擦力、搅拌针单纯的前进阻力、合适的焊接速度和搅拌针的合适转速，由大量焊接试验事先得到；

③本发明还可以采用3条拉绳，见图5，此时，穿越中空型材空腔中的中间拉绳的拉力，则分担2个轴肩的干摩擦力和一半的搅拌针自身的前进阻力(当上下壁板厚度相等时)；本发明还可以采用2条拉绳，如只保留空腔外侧的两根轴肩拉绳、或者空腔中的两根轴肩拉绳，此时，若上下壁板厚度相等，则每根拉绳分担2个轴肩的干摩擦力和一半的搅拌针自身的前进阻力；本发明也可以是一根拉绳，只保留如图5中的中间一根拉绳、或者靠近搅拌针柄尾的一根外侧拉绳。这些具体的拉绳方案，就视具体型材的材质和尺寸和场地条件而定。但无疑，具有4条轴肩拉绳最好。

④对于图2，当待焊焊缝特别长时，可以通过定滑轮组及其支撑装置，使每条拉绳再转向180度，拉绳又回到起焊点附近，而使各拉绳起等速运动的滑板可以铺设在地表下面，不占用地面上部空间；

⑤本发明的轴肩端面不一定为平面，每个端面形状应与之接触工件的表面形状和尺寸大小相同，如所接触的工件的半径为500mm，则轴肩端面的半径也应为500mm；

⑥本发明的待焊4个表面也不一定是上下水平表面，也可以是左右垂直立面，也可以是与水平面有一定夹角的表面或曲面；

⑦本发明中的轴承为推力圆锥滚子轴承，没有采用传统机械中的轴承固定方式，本发明并没有要求该轴承如同传统机械中的寿命那么长，也没有必要，只是需要使用其结构和功能；

⑧根据刚体的速度的投影定理，本发明的轴肩拉绳、与导轨相连的拉绳、焊缝等应与龙门架或搅拌摩擦焊接机器人的导轨平行，否则造成各物体的瞬时速度不等；

⑨本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范畴，倘若这些改动或变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动或变形。

Claims (6)

1.一种带辅助拉绳装置的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于：包括静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头和一套辅助拉绳装置，可同时高质量高效地焊接带矩形口或者带其他形状的中空型材的上下(或左右)壁板的4个表面(含平面、圆弧板及其他曲面)的对接焊缝，一个静止轴肩对应一个表面；

所述静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头包括：1个搅拌针、4个轴肩、4个推力圆锥滚子轴承、2个碟簧、2个防松垫圈、2个防松螺母。

所述辅助拉绳装置由若干条含压接头的碳纤维拉绳(或高强度柔软的钢丝绳)、若干接线柱、若干内含压力传感器的拉紧调节装置、1个带滚轮的滑板及其导槽、1个含拉力传感器的接线柱、压板螺栓组、1台单独电机及其控制设备、一组定滑轮组、若干含调节装置的压力传感器。当拉绳需要穿越中空型材的空腔时，由微型机器人或者其他方式在空腔中从焊缝的末端穿越至始端。接线柱中部含有圆弧槽，便于定位拉绳的节套。

2.根据权利要求1所述的静止四轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其每个静止轴肩，当需要与拉绳连接时，其上有连接拉绳的耳孔装置；当不需要与拉绳连接时，只需是圆盘状即可。

3.根据权利要求1所述的直线对接焊缝的辅助拉绳装置，实现各拉绳、轴肩、搅拌针和移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座的等速前进有两种方案：方案1则是由移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座的自身走行装置牵引滑板，再通过滑板牵引轴肩拉绳、轴肩；方案2是由电机直接牵引拉绳和滑板，再由滑板牵引轴肩拉绳、轴肩、再通过拉绳牵引移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座。这两种方案均可实现轴肩拉绳、轴肩、搅拌针和移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座的前进速度相等，无需控制，拉绳的速度则是合适的焊接速度。

4.根据权利要求1～3所述直线对接焊缝的辅助拉绳装置，在轴肩侧的每条轴肩拉绳所受到的拉力等于其所对应分担的轴肩摩擦表面产生的干摩擦阻力，与对应分担的搅拌针受到工件产生的前进阻力之和，而在滑板的非轴肩侧，始终只需的一条拉绳，其拉力等于滑板轴肩侧所有拉绳的拉力之和。

5.根据权利要求1～4所述的直线对接焊缝的辅助拉绳装置之滑板，在导槽中的滑板的作用是十分简单巧妙地保证了滑板轴肩侧的每条拉绳的速度相等和各拉绳应具有的拉力。

6.可同时焊接中空型材的四个表面直线和接近直线的平滑曲线的对接焊缝的方法，其特征在于：包括步骤S1～S4

S1：提供权利要求1～5的所述设施、设备和零部件，将搅拌头与工件安装到位，并且固定好工件，将搅拌头的柄部与搅拌摩擦焊的旋转主轴相联；

S2：拉动滑板，使各拉绳拉直并处于一定的崩紧状态，通过在导槽上的螺栓组压紧滑板，此时，调节拉紧调节装置，使各轴肩拉绳所承受的拉力，分别等于其所对应分担的轴肩摩擦表面产生的干摩擦阻力与对应分担的搅拌针受到工件产生的前进阻力之和，并可适度比该值大(考虑机械效率，下同)；对于牵引移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座前进的拉绳，该拉绳的拉力始终等于或略大于5％移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座自身前进阻力(若有该拉绳，才进行该操作)。保持调节后的拉紧旋钮装置的旋钮位置不变，松开压紧滑板的螺栓组；

S3：接S2后，根据具体方案的不同，该步骤有2种途径，但互不包含：

途径1：由移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座的自身走行装置牵引滑板，再通过滑板牵引轴肩拉绳、轴肩。其分步如下：滑板非轴肩侧的拉绳通过定滑轮组，连接到含自身走行装置的移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座上，调节拉紧调节装置，使滑板非轴肩侧的拉绳的拉力等于滑板轴肩侧各拉绳的拉力之和，并可适度比该值大(考虑机械效率)。给各设备开机，设置搅拌摩擦焊合适的主轴旋转速度，设置移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座合适的前进速度(此速度即是合适的焊接速度)。使搅拌摩擦焊的主轴旋转开始旋转，再使移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座的走行装置开始按设定的速度前进，其带动滑板和各拉绳、轴肩前进，即可完成焊缝的焊接。

途径2：由电机直接牵引拉绳和滑板，再由滑板牵引轴肩拉绳、轴肩、再通过拉绳牵引移动龙门架或移动平台或焊接机器人的移动底座。其分步如下：通过计算滑板的轴肩侧各轴肩拉绳的拉力总和，该合力就是滑板电机侧的拉绳所应具有的拉力，综合计算电机为使该拉绳维持该计算拉力对应的扭矩值。给各设备开机，设置搅拌摩擦焊的主轴旋转速度和电机的转矩值等合适参数，启动搅拌摩擦焊的旋转主轴，随后启动电机，电机的旋转通过拉绳而拉动的滑板的速度应等于合适的焊接速度，当各静止轴肩驶出焊缝引出板时，即可完成该焊缝的焊接。

S4.对于中空型材的4个表面接近直线的平滑曲线对接焊缝，还需要在S3的基础上增加多自由度的焊接机器人，需要机器人具有焊缝跟踪系统和搅拌针的纵向力传感器(可安装在焊接机器人的合适手臂上)，当纵向力传感器的检测到力值大于规定值时，应使搅拌针与前进方向相反的摄动，可使轴肩拉绳的拉力增大，但由于焊接机器人的底座的前进速度远大于该摄动速度，搅拌针的合速度仍然朝前，搅拌针不会往回走。