CN109759691B - 一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头，属于工程制造领域。包括上搅拌头、下搅拌头、搅拌针和自锁死系统；所述的自锁死系统包括弹簧、激光定位器、外壁、弹簧底座、压力传感器、按钮、下搅拌头底座、限位孔、外侧导轨、挤压式卡扣、内侧导轨、激光定位孔、内壁、销钉、限位块、小弹簧、约束线和导轨槽。本发明在不影响焊接质量的前提下对常规的下搅拌头进行重新设计，下搅拌头主体采用分段式设计，并利用自锁死系统实现下搅拌头自锁死的效果。实现了整个焊接过程的自动化。可以大大提高焊接效率，并且提高生产过程中的安全性。

Description

一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头

技术领域

本发明属于工程制造领域，尤其涉及一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，可以很大程度上提高铝、镁合金的焊接质量。经过多年的发展，现已经成功的应用于航空航天、汽车、兵器等领域。近些年，由于提高了对焊接质量的要求，衍生出了很多新型的搅拌头，其中包括双轴肩搅拌头，能够弥补搅拌针长度不足产生的焊不透的缺陷。

传统单轴肩搅拌摩擦焊接技术在待焊接的试件的背部需要施加刚性支撑，但由于刚性支撑强度不够时，焊接过程容易出现沟槽及较大飞边等缺陷。双轴肩搅拌摩擦焊的出现解决了单轴肩搅拌摩擦焊工件未焊透以及背部支撑的问题。但目前对于下搅拌头的安装大多是手动操作，并未实现自动化过程。安装过程慢，并在一定程度上存在安全隐患。因此需要一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头。解决目前在使用双轴肩搅拌头进行焊接时下轴肩需要手动安装的不足。有利于提高焊接安全性以及优化焊接流程。

本发明的技术方案：

一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头，包括上搅拌头8、下搅拌头5、搅拌针6和自锁死系统；

所述的上搅拌头8固定于搅拌摩擦焊接设备上，通过电机驱动；

所述的搅拌针6固定于上搅拌头8的底面，与上搅拌头8同轴且一体；搅拌针6的外表面上半段不带螺纹，下半段带有螺纹，底面圆心处设有激光定位孔21；上半段的长度根据工件4的厚度确定，下半段的长度不小于下搅拌头5的高度；

所述的下搅拌头5上半段为圆柱，下半段为六棱柱，中间开有带螺纹的孔，孔的直径与搅拌针6的直径一致，能够通过自锁死系统与搅拌针6实现螺纹固定；

所述的自锁死系统包括弹簧10、激光定位器11、外壁12、弹簧底座13、压力传感器14、按钮15、下搅拌头底座16、限位孔17、外侧导轨18、挤压式卡扣19、内侧导轨20、激光定位孔21、内壁22、销钉23、限位块24、小弹簧25、约束线26和导轨槽27；

所述的外壁12位于自锁死系统的最外侧，其内侧设有导轨槽27；外壁12下部对称位置设有按钮15，按钮15与销钉23相连，销钉23通过外壁12上的孔插入到内壁22的孔中，通过按钮15控制销钉23的伸缩，进而实现内壁22与外壁12之间的限位；

所述的内壁22位于外壁12内部，与外壁12同轴；内壁22的外侧设置外侧导轨18，内侧设置内侧导轨20；外侧导轨18能与外壁12内侧的导轨槽27配合，实现内壁22在外壁12内的上下滑动；内壁22的外表面上部周向设有凸台，凸台与外壁12之间安置小弹簧25，能够通过小弹簧25的回弹力为内壁22提供回程力；内壁22的内表面对称设有限位块24；

所述内壁22的内部底端固定弹簧底座13，弹簧底座13的上设置弹簧10和压力传感器14，弹簧10的下端与压力传感器14相接触；弹簧10上端固定下搅拌头底座16；下搅拌头底座16内部用于安置下搅拌头5；弹簧底座13与下搅拌头底座16的圆心位置均开设通孔；下搅拌头底座16外侧设有导轨槽27，能使下搅拌头底座16沿内壁22的内侧导轨20上下移动；下搅拌头底座16的外表面的对称位置设有限位孔17，限位孔17能与限位块24配合，实现下搅拌头底座16在内壁22的限位；在下搅拌头底座16内部，靠近下搅拌头5下半段的位置处设有挤压式卡扣19，挤压式卡扣19共六个，高度与下搅拌头5的下半段一致，圆周排列成恰好容纳下搅拌头5下半段的六棱柱形的凹槽，当下搅拌头5受到较大扭矩时，挤压式卡扣19受到来自下搅拌头5的力，被挤压进下搅拌头底座16预留腔室中，下搅拌头5与下搅拌头底座16发生相对滑动；下搅拌头底座16和弹簧底座13之间设置约束线26，用于防止下搅拌头底座16在向上滑动时脱离内侧导轨20，并为下搅拌头底座16和下搅拌头5的脱离提供下拉力；

所述的激光定位器11安置于整个自锁死系统内部底面圆心位置，用于发射激光光束；所述的激光定位孔21为小凹槽，半径与激光定位器11的光束一致，激光定位器11的光束穿过弹簧底座13、下搅拌头底座16上的通孔后，打在激光定位孔21上，实现自锁死系统位置的确定。

本发明的有益效果：本发明在不影响焊接质量的前提下对常规的下搅拌头进行重新设计，下搅拌头主体采用分段式设计，并利用自锁死系统实现下搅拌头自锁死的效果。实现了整个焊接过程的自动化。可以大大提高焊接效率，并且提高生产过程中的安全性。

附图说明

图1是双轴肩搅拌摩擦焊接过程示意图。

图2是双轴肩搅拌摩擦焊接过程前视图。

图3为自锁死系统内部结构图。

图4为下搅拌头示意图。

图5为下搅拌头底座示意图。

图6为内壁结构示意图。

图7为外壁结构示意图。

图中：1压板；2垫板；3焊缝；4工件；5下搅拌头；6搅拌针；7焊后区；8上搅拌头；9试验台；10弹簧；11激光定位器；12外壁；13弹簧底座；14压力传感器；15按钮；16下搅拌头底座；17限位孔；18外侧导轨；19挤压式卡扣；20内侧导轨；21激光定位孔；22内壁；23销钉；24限位块；25小弹簧；26约束线；27导轨槽。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明的技术方案进行进一步的说明。

一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头，包括上搅拌头8、下搅拌头5、搅拌针6和自锁死系统；

所述的上搅拌头8固定于搅拌摩擦焊接设备上，通过电机驱动，与搅拌针6为一体；

所述的下搅拌头5与常规下搅拌头不同，上半段为圆柱下半段为六棱柱，中间开有带螺纹的孔，直径与搅拌针6直径一致，高度根据实际情况确定。并通过自锁死系统固定于搅拌针6上；

所述的搅拌针6固定于上搅拌头8的底面中心位置，上半段不带螺纹，下半段带有螺纹，底面设有激光定位孔21。其中，不带螺纹的上半段的长度根据所焊接的工件4的厚度确定，带有螺纹的下半段的长度要不小于下搅拌头5的高度。对于焊接不同厚度的工件4，需要使用不同规格的搅拌针6；

所述的激光定位孔21位于搅拌针6的底面圆心位置；

所述的自锁死系统包括弹簧10、激光定位器11、外壁12、弹簧底座13、压力传感器14、按钮15、下搅拌头底座16、限位孔17、外侧导轨18、挤压式卡扣19、内侧导轨20、激光定位孔21、内壁22、销钉23，限位块24，小弹簧25，约束线26，导轨槽27；所述的弹簧10底端安置于内壁22的弹簧底座13上，上端固定于下搅拌头底座16上；所述的激光定位器11安置于整个自锁死系统内部底面圆心位置，可发射激光光束；所述的外壁12是自锁死系统的最外侧装置，其内侧设有导轨槽27；所述的弹簧底座13安置于内壁22的底端位置，并在圆心位置开孔；所述的压力传感器14安置于弹簧底座13上，并与弹簧10下端相接触；所述的按钮15位于外壁12上，控制销钉23与内壁22的接触，按压按钮15销钉23将从内壁22中拔出使内壁22与外壁12断开接触；所述的下搅拌头底座16安置于内壁22内，外侧设有导轨槽27，可沿内壁22内侧的导轨20上下移动，下搅拌头底座16的圆心位置开有圆孔，圆孔直径大于搅拌针直径，并且在其外表面设有限位孔17，在下搅拌头底座16靠近下搅拌头5下半段的位置设有挤压式卡扣19；所述的限位孔17设置在下搅拌头底座16的外侧，用于固定下搅拌头底座16与内壁22的相对位置；所述的外侧导轨18安置于内壁22的外侧，并可在外壁12内侧的导轨槽27内进行上下滑动。外侧导轨18与外壁12上的导轨槽27进行足够的润滑处理；所述的挤压式卡扣19安置于下搅拌头底座16上，共有六个，高度与下搅拌头5的下半段一致，圆周排列成恰好容纳下搅拌头5下半段的六棱柱形的凹槽，当下搅拌头5受到较小扭矩时，下搅拌头5与下搅拌头底座16不发生相对滑动，受到较大扭矩时，挤压式卡扣19受到来自下搅拌头5的力会被挤压进下搅拌头底座16预留的腔室中，此时下搅拌头5与下搅拌头底座16发生相对滑动；所述的内侧导轨20固定于内壁22的内侧，并与下搅拌头底座16外侧上的导轨槽27进行足够的润滑；所述的激光定位孔21位于搅拌针6的底面圆心位置，为较小凹槽，半径与激光定位器11的光束一致，当激光定位器11的光束恰好打在激光定位孔21上时，搅拌针6的圆心与下搅拌头5的圆心在同一直线上；所述的内壁22内侧设有内侧导轨20，外侧设有导轨18；所述的销钉23可通过外壁12上的孔插入到内壁22的孔中，实现外壁12和内壁22相对位置的固定；所述的限位块24安装在内壁22的内侧，当限位孔17跟随下搅拌头底座16下滑到与限位块24同一水平位置时，限位块24自动插入到限位孔17中，下搅拌头底座16的位置被固定；所述的小弹簧25位于内壁22外侧凸台与外壁12之间，作用是为内壁22下降提供回程力；所述的约束线26是位于下搅拌头底座16和弹簧底座13之间的承受一定拉伸强度的线，目的是防止下搅拌头底座16在向上滑动时脱离内侧导轨20，并为下搅拌头底座16和下搅拌头5的脱离提供下拉力；所述的导轨槽27位于外壁12内侧和下搅拌头底座16的外侧。

首先，将上搅拌头8安置在搅拌摩擦焊接设备上。进一步的，将内壁22沿外侧导轨18滑动向上滑动至预定高度，通过按钮15上的销钉23固定在外壁12上。此时小弹簧25被压缩。随后将下搅拌头5放置在自锁死系统中的下搅拌头底座16上。并通过按压下搅拌头5使下搅拌头底座16沿内侧导轨20下移到预定位置，此时，下搅拌头底座16将通过限位孔17与限位块24的配合固定在内壁22上，并且弹簧10将进行一定程度的压缩，压力传感器14的读数会因为弹簧10的压缩产生变化，随后将保持不变。进一步的，需要将自锁死系统固定在试验台9上，进行这步操作之前，需要使用激光定位器11确定自锁死系统在试验台9上的位置。具体实现过程为：打开激光定位器11产生激光光束，使光束通过弹簧底座13、弹簧10、下搅拌头底座16和下搅拌头5后准确的打在激光定位孔21上。由于下搅拌头5、下搅拌头底座16、弹簧底座13和激光定位器11的圆心都在同一直线上，激光的传播会通过下搅拌头5、下搅拌头底座16、弹簧底座13的圆心，因此，激光定位器11的光束打在激光定位孔21上就保证了所述的搅拌针6和下搅拌头5上的螺纹孔在竖直方向上完全对齐。以上过程完成后，搅拌针6与自锁死系统在竖直方向上仍保持一定距离。

进一步的，将待焊接工件4拼接，所形成的焊缝3要在搅拌针6的正下方，在工件4下端放置垫板2后，使用压板1将两个工件4固定在试验台9上。其中，所述的垫板2厚度要高于自锁死系统的高度。同时，安装好的下搅拌头5的上表面与工件4下表面的距离小于搅拌针6下半段带螺纹的长度，保证搅拌针6完全插入工件4之前能够与下搅拌头5接触。

进一步的，利用电机对上搅拌头8进行驱动，并进行缓慢下移操作，当搅拌针6穿过工件4后，适当降低转速，保证搅拌针6能够与下搅拌头5相结合，在搅拌针6的底端开始接触到下搅拌头5时，压力传感器14接收到压力变化，限位块24会自动收缩到内壁22中，解除对限位孔17的限制，下搅拌头底座16可以沿内侧导轨20自由滑动，弹簧10有恢复形变的趋势，推动下搅拌头底座16沿内侧导轨20向上滑动，此时搅拌针6在竖直方向上静止，只以较低转速转动，并且由于弹簧10的恢复力的存在，使得下搅拌头5将沿搅拌针6上的螺纹向上移动。整个过程，因为下搅拌头5受到的扭矩较小，下搅拌头5与下搅拌头底座16不发生相对滑动。并且此时搅拌针6和下搅拌头5处在内壁22的腔中。

进一步的，当下搅拌头5到达搅拌针6上螺纹的顶端时，下搅拌头5到达预定位置，此时下搅拌头5传递给下搅拌头底座16的扭矩较大，挤压式卡扣19受到较大强度挤压，被压入到下搅拌头底座16侧壁上预留的开孔中，此时，下搅拌头5与下搅拌头底座16发生相对滑动。此时下搅拌头5将被拧紧在搅拌针6上，并跟随搅拌针6进行同步转动。在此过程中，挤压式卡扣19有三个作用：1.保证了下搅拌头5以适当的扭矩拧紧在搅拌针6上。2.保护了下搅拌头5和下搅拌头底座16，避免了硬接触。3.避免了所有的导轨受到额外的扭矩而发生形变。

进一步的，当下搅拌头5与下搅拌头底座16发生相对滑动时，按下按钮15，此时销钉23将从内壁22中拔出，并且受到小弹簧25弹性恢复力的作用，内壁22将下滑至外壁12的底面位置。此时，由于内壁22的下滑以及在约束线26的拉力作用下，将使下搅拌头5与下搅拌头底座16脱离。进一步的，由于内壁22的下滑，将使得结合后的下搅拌头5与整个自锁死系统脱离，此时搅拌头5和搅拌针6将不再处于内壁22的腔中，因此，焊接前进过程不再受内壁22的限制。整个过程结束后不需要对自锁死系统进行拆除，双轴肩搅拌头沿便可沿焊缝3继续前进，实现焊接过程。

一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头充分结合力学，机械设计等学科的优势，能够提高焊接效率及提高焊接安全性。

以上描述了本发明的主要原理、特征和优点。对于从事本行业的专业人员应该清楚的认识到，本发明并不受以上实施例的限制，以上实施例仅作为描述本发明的基本原理及使用过程，在不脱离本发明的基本精神和范围的前提下，本发明还可以有各种变化和改进。同时，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (1)

1.一种基于下轴肩自锁死的双轴肩搅拌头，其特征在于，包括上搅拌头（8）、下搅拌头（5）、搅拌针（6）和自锁死系统；

所述的上搅拌头（8）固定于搅拌摩擦焊接设备上，通过电机驱动；

所述的搅拌针（6）固定于上搅拌头（8）的底面，与上搅拌头（8）同轴且一体；搅拌针（6）的外表面上半段不带螺纹，下半段带有螺纹，底面圆心处设有激光定位孔（21）；上半段的长度根据工件（4）的厚度确定，下半段的长度不小于下搅拌头（5）的高度；

所述的下搅拌头（5）上半段为圆柱，下半段为六棱柱，中间开有带螺纹的孔，孔的直径与搅拌针（6）的直径一致，能够通过自锁死系统与搅拌针（6）实现螺纹固定；

所述的自锁死系统包括弹簧（10）、激光定位器（11）、外壁（12）、弹簧底座（13）、压力传感器（14）、按钮（15）、下搅拌头底座（16）、限位孔（17）、外侧导轨（18）、挤压式卡扣（19）、内侧导轨（20）、激光定位孔（21）、内壁（22）、销钉（23）、限位块（24）、小弹簧（25）、约束线（26）和导轨槽（27）；

所述的外壁（12）位于自锁死系统的最外侧，其内侧设有导轨槽（27）；外壁（12）下部对称位置设有按钮（15），按钮（15）与销钉（23）相连，销钉（23）通过外壁（12）上的孔插入到内壁（22）的孔中，通过按钮（15）控制销钉（23）的伸缩，进而实现内壁（22）与外壁（12）之间的限位；

所述的内壁（22）位于外壁（12）内部，与外壁（12）同轴；内壁（22）的外侧设置外侧导轨（18），内侧设置内侧导轨（20）；外侧导轨（18）能与外壁（12）内侧的导轨槽（27）配合，实现内壁（22）在外壁（12）内的上下滑动；内壁（22）的外表面上部周向设有凸台，凸台与外壁（12）之间安置小弹簧（25），能够通过小弹簧（25）的回弹力为内壁（22）提供回程力；内壁（22）的内表面对称设有限位块（24）；

所述内壁（22）的内部底端固定弹簧底座（13），弹簧底座（13）的上设置弹簧（10）和压力传感器（14），弹簧（10）的下端与压力传感器（14）相接触；弹簧（10）上端固定下搅拌头底座（16）；下搅拌头底座（16）内部用于安置下搅拌头（5）；弹簧底座（13）与下搅拌头底座（16）的圆心位置均开设通孔；下搅拌头底座（16）外侧设有导轨槽（27），能使下搅拌头底座（16）沿内壁（22）的内侧导轨（20）上下移动；下搅拌头底座（16）的外表面的对称位置设有限位孔（17），限位孔（17）能与限位块（24）配合，实现下搅拌头底座（16）在内壁（22）的限位；在下搅拌头底座（16）内部，靠近下搅拌头（5）下半段的位置处设有挤压式卡扣（19），挤压式卡扣（19）共六个，高度与下搅拌头（5）的下半段一致，圆周排列成恰好容纳下搅拌头（5）下半段的六棱柱形的凹槽，当下搅拌头（5）受到较大扭矩时，挤压式卡扣（19）受到来自下搅拌头（5）的力，被挤压进下搅拌头底座（16）预留腔室中，下搅拌头（5）与下搅拌头底座（16）发生相对滑动；下搅拌头底座（16）和弹簧底座（13）之间设置约束线（26），用于防止下搅拌头底座（16）在向上滑动时脱离内侧导轨（20），并为下搅拌头底座（16）和下搅拌头（5）的脱离提供下拉力；

所述的激光定位器（11）安置于整个自锁死系统内部底面圆心位置，用于发射激光光束；所述的激光定位孔（21）为小凹槽，半径与激光定位器（11）的光束一致，激光定位器（11）的光束穿过弹簧底座（13）、下搅拌头底座（16）上的通孔后，打在激光定位孔（21）上，实现自锁死系统位置的确定。