CN110142500B - 一种t型加强结构搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

一种t型加强结构搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法,包括动力机构和结构轴套，结构轴套安装在动力机构上，结构轴套内穿设有搅拌针轴套，搅拌针轴套通过轴承转动支撑在结构轴套上，搅拌针轴套安装在动力机构的输出轴上，搅拌针轴套的上安装有搅拌针，搅拌针外侧套设有角焊缝静止轴肩，角焊缝静止轴肩安装在顶套上，搅拌针轴套和结构轴套之间安装有密封圈，结构轴套的两端被动力机构和密封圈密封形成一个冷却油腔。本发明大大降低了机床主轴结构的复杂程度，拓宽了搅拌摩擦焊接设备的应用范围。搅拌针与静止轴肩结构的分体设计和有效冷却，实现了静止轴肩与搅拌工具的模块化，装夹方便，焊接工具使用寿命大幅提升。

Description

一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，尤其是涉及一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法。
背景技术
船舶、飞机、轨道交通壁板等存在大量的T型结构，为了保证结构刚性和稳定性，对焊接T型材以及T型材与壁板焊接的尺寸精度提出了严格的要求，扰度严格时需要控制在每米5mm以内.若采用电弧熔化焊方法焊接，由于热输入较大，焊后变形较大，控制焊接变形存在较大的难度，同时角焊缝焊接容易发生未熔合等焊接缺陷，严重影响结构安全性。采用搅拌摩擦焊进行固相焊接，可以实现低应力小变形高精度焊接。搅拌摩擦焊主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。对于角焊缝而言，旋转的轴肩会与焊缝两侧的材料发生干涉，无法进行焊接。
现有技术主要通过增加工艺垫块和采用静止轴肩结构两种方式实现角焊缝的搅拌摩擦焊接。授权专利号CN100413630C《一种搅拌摩擦焊角接外侧焊方法》通过工艺垫块将角焊缝转化为平焊缝，降低焊接难度，但是只能进行单面角焊缝焊接，焊后变形较大。申请号为201210418416 .6《填充式搅拌摩擦焊焊接T型接头内侧角焊缝的方法及装置》的中国专利公开了一种通过增加工艺垫块，转化为类似平面对接焊接的措施来实现内侧角焊缝焊接，但该方法容易导致焊缝区域出现未焊透、弱连接等缺陷。静轴肩搅拌摩擦焊的轴肩与搅拌针是分体结构，焊接过程中，轴肩不发生旋转，旋转的搅拌针与被焊材料进行摩擦。因此，可以通过设计特殊结构的静轴肩与搅拌针，实现角焊缝的搅拌摩擦焊。申请号为201620629770 .7《无倾角静止轴肩搅拌摩擦焊焊接工具》的中国专利公开了一种静止轴肩的搅拌工具，搅拌针与轴肩为分体式结构，轴肩通过转接套与机床主轴外壳相连，焊接过程保持静止，搅拌针与刀柄连接实现旋转，避免了焊接过程轴肩与工件的干涉。但该装置结构复杂，长时间焊接会出现主轴和轴承过热磨损，影响设备使用安全，而且对于角焊缝适用性较差。申请号201811238781 .2《一种整体式角焊缝搅拌摩擦焊接工具及方法》缺乏对设备的有效冷却保护，轴承磨损严重，同时搅拌针过长，刚性难以支撑高强钛合金的焊接，容易产生搅拌针失效断裂。
发明内容
本发明的目的是为解决现有搅拌摩擦焊接设备的冷却效果差，使用周期短，维修更换麻烦的问题，提供一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法。
本发明为解决上述技术问题的不足，所采用的技术方案是：
一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置,包括用于驱动装置进行焊接的动力机构，还包括结构轴套，结构轴套的其中一端安装在动力机构上，结构轴套的另一端内穿设有搅拌针轴套，搅拌针轴套通过轴承转动支撑在结构轴套上，搅拌针轴套的其中一端安装在动力机构的输出轴上，搅拌针轴套的另一端上安装有搅拌针，结构轴套远离动力机构的一端上安装有端盖，端盖中心处开设有通孔，通孔内安装有顶套，顶套的其中一端顶压在轴承上以限制轴承在搅拌针轴套上滑动，搅拌针轴套贯穿顶套将搅拌针延伸至端盖外部，搅拌针外侧套设有角焊缝静止轴肩，角焊缝静止轴肩安装在顶套上，搅拌针轴套和结构轴套之间安装有密封圈，密封圈套设在搅拌针轴套靠近动力机构输出轴一端的外壁上，结构轴套的两端被动力机构和密封圈密封形成一个冷却油腔。
所述的轴承采用深沟球轴承。
所述的顶套通过螺纹连接固定在端盖上，结构轴套通过固定螺栓固定在动力机构上，角焊缝静止轴肩通过固定螺栓固定在顶套上，搅拌针通过固定螺栓固定在搅拌针轴套上。
利用所述的一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，包括如下步骤：
步骤一、取一试板固定在焊接工装上，同时将所述的T型加强结构搅拌摩擦焊接装置组装后备用，在试板上确定焊接始点，在焊接起始点加工预制孔，预制孔孔径比搅拌针直径小1mm～2mm；
步骤二、控制动力机构的主轴旋转并下移，使搅拌针扎入步骤一中的预制孔内，当静止轴肩表面压入试板表面0.21～0.3mm后，控制动力机构的主轴停止下移，并控制主轴停留5～10s同时对焊接试板进行预热；
步骤三、控制动力机构的主轴开始移动，进行焊接；
步骤四、主轴移动到达焊接终点后，保持主轴驱动搅拌针旋转5～9s,然后控制搅拌针停止转动，同时主轴上移拔出工件，焊接完成。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，其优点在于：本发明可在不改变机床主轴结构的条件下进行角焊缝的搅拌摩擦焊接，大大降低了机床主轴结构的复杂程度，拓宽了搅拌摩擦焊接设备的应用范围。
搅拌针与静止轴肩结构的分体设计和有效冷却，实现了静止轴肩与搅拌工具的模块化，装夹方便，焊接工具使用寿命大幅提升。
采用本装置进行焊接制造的T型加强结构，可以实现获得全焊透角焊缝，有效控制和消除铝合金和钛合金熔化焊接中容易出现的焊接气孔和焊接未熔合的焊接缺陷，同时可以采用双面同步焊接可以抵消焊接变形，保证焊后尺寸精度，可以代替目前采用的传统熔化焊接方法制备的T型加强结构，明显提高焊接效率，缩短制造周期；保证T型加强结构尺寸公差要求；降低成本；并且可以推广使用到其他焊接工艺复杂、工作量大和其他形状的T型结构的焊接上。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明中单侧焊接状态下的结构示意图。
图3为本发明中双侧同时焊接状态下的结构示意图。
图示标记：1、结构轴套；101、冷却油腔；2、密封圈；3、深沟球轴承；4、顶套；5、端盖；6、角焊缝静止轴肩；7、搅拌针轴套；8、搅拌针；9、动力机构。
具体实施方式
图中所示，具体实施方式如下：
实施例1结合图1和图2说明本实施方式，完成5mmTA5钛合金T型角焊缝的焊接，一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置,包括用于驱动装置进行焊接的动力机构9，动力机构9采用现有的搅拌摩擦焊设备即可，还包括结构轴套1，结构轴套1的其中一端通过固定螺栓固定安装在动力机构9上，结构轴套1的另一端内穿设有搅拌针轴套7，搅拌针轴套7通过深沟球轴承3转动支撑在结构轴套1上，搅拌针轴套7的其中一端安装在动力机构9的输出轴上，搅拌针轴套7的另一端上安装有搅拌针8，搅拌针8通过固定螺栓固定在搅拌针轴套7上，结构轴套1远离动力机构9的一端上安装有端盖5，端盖5通过固定螺栓固定在结构轴套1上，端盖5中心处开设有通孔，通孔内安装有顶套4，顶套4通过螺纹连接的方式固定在端盖5上，顶套4的其中一端顶压在深沟球轴承3上以限制深沟球轴承3在搅拌针轴套上滑动，搅拌针轴套7贯穿顶套4将搅拌针8延伸至端盖外部，通过结构轴套1将整体结构固定于现有搅拌摩擦焊设备上，通过搅拌针轴套将主轴长度有效加长，减小搅拌针8的长度，提高搅拌针结构的刚性。通过深沟球轴承实现结构轴套和搅拌针轴套动结合，提高搅拌针轴向刚性，搅拌针8外侧套设有角焊缝静止轴肩6，角焊缝静止轴肩6的顶角为90°角焊缝静止轴肩安装在顶套4上，搅拌针轴套和结构轴套之间安装有唇形密封圈进行密封，密封圈2套设在搅拌针轴套靠近动力机构输出轴一端的外壁上，结构轴套的两端被动力机构和密封圈密封形成一个冷却油腔101，在冷却油腔中通入低温冷却油进行有效冷却，降低主轴、搅拌针轴套和搅拌针的温度，从而提高结构安全性和搅拌针使用寿命。
首先采用周向均布的12件螺栓通过安装过唇形密封圈密封的结构轴套将整体结构固定于现有搅拌摩擦焊设备上，之后将搅拌针轴套通过螺栓固定在主轴上，有效加长主轴长度，提高搅拌针结构的刚性。之后通过过盈配合安装的深沟球轴承实现结构轴套和搅拌针轴套动结合，提高搅拌针轴向刚性。同时在深沟球轴承上部采用唇形密封圈密封，并在上部冷却油腔中通过抽油泵压入低温冷却油进行有效冷却，降低主轴、搅拌针轴套和搅拌针的温度，从而提高结构安全性和搅拌针使用寿命。通过螺纹固定的顶套和端盖对深沟球轴承进行轴向固定，避免晃动引起轴向摩擦。通过螺栓连接角焊缝静止轴肩和顶套。静止轴肩顶角为90°。
之后开始T型角焊缝的焊接，主要步骤如下：
（1）前期准备：将试板固定在工装上，并在角焊缝起始点加工预制孔，预制孔孔径大小为3mm，搅拌针直径为4mm；
（2）扎入阶段：主轴旋转、下移，将搅拌针扎入预制孔中，静止轴肩表面压入表面0.25mm后，停止下移，停留9s对焊接试板进行预热；
（3）焊接阶段：焊接平台在平面内空间开始移动，开始进行焊接；
（4）拔出阶段：到达终点后保持搅拌针旋转停留5s,然后停止转动，主轴上移拔出工件，焊接完成。
（5）焊接时采用单台设备单侧焊接。
实施例2
结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及方法，采用两台设备在两侧同时焊接。如此设置，以减小焊接变形，提高焊接效率，降低焊接工人的劳动强度。其它要求与实施例1相同。
实施例3
结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及方法，静止轴肩顶角分别为120°和60°。如此设置，可以实现两侧不同角度T型结构的焊接。其它要求与实施例1相同。
实施例4
结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及方法，对于6mm厚度的5083铝合金，前期准备：将试板固定在工装上，并在角焊缝起始点加工预制孔，孔径大小为5mm，搅拌针直径为6mm；扎入阶段：主轴旋转、下移，将搅拌针扎入预制孔中，静止轴肩表面压入表面0.3mm后，停止下移，停留5s对焊接试板进行预热；焊接阶段：焊接平台在平面内空间开始移动，开始进行焊接；拔出阶段：到达终点后保持搅拌针旋转停留5s,然后停止转动，主轴上移拔出工件，焊接完成。焊接时采用单台设备单侧焊接。如此设置，可以实现铝合金T型结构的焊接。其它要求与实施例1相同。
实施例5
结合图1和图3说明本实施方式，本实施方式的一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置及方法，采用两台设备在两侧同时焊接。如此设置，以减小焊接变形，提高焊接效率，降低焊接工人的劳动强度。其它要求与实施例4相同。
本发明所列举的技术方案和实施方式并非是限制，与本发明所列举的技术方案和实施方式等同或者效果相同方案都在本发明所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置，包括用于驱动装置进行焊接的动力机构，其特征在于：还包括一端大一端小的呈锥形结构的结构轴套，结构轴套的大端安装在动力机构上，结构轴套的小端内穿设有搅拌针轴套，搅拌针轴套通过轴承转动支撑在结构轴套上，搅拌针轴套的其中一端安装在动力机构的输出轴上，搅拌针轴套的另一端上安装有搅拌针，结构轴套远离动力机构的一端上安装有端盖，端盖中心处开设有通孔，通孔内安装有顶套，顶套的其中一端顶压在轴承上以限制轴承在搅拌针轴套上滑动，搅拌针轴套贯穿顶套将搅拌针延伸至端盖外部，搅拌针外侧套设有角焊缝静止轴肩，角焊缝静止轴肩安装在顶套上，搅拌针轴套和结构轴套之间安装有密封圈，密封圈套设在搅拌针轴套靠近动力机构输出轴一端的外壁上，结构轴套的两端被动力机构和密封圈密封形成一个冷却油腔；
所述的轴承采用深沟球轴承；
利用上述装置进行焊接的方法包括如下步骤：
步骤一、取一试板固定在焊接工装上，同时将所述的T型加强结构搅拌摩擦焊接装置组装后备用，在试板上确定焊接始点，在焊接起始点加工预制孔，预制孔孔径比搅拌针直径小1mm～2mm；
步骤二、控制动力机构的主轴旋转并下移，使搅拌针扎入步骤一中的预制孔内，当静止轴肩表面压入试板表面0.21～0.3mm后，控制动力机构的主轴停止下移，并控制主轴停留5～9s同时对焊接试板进行预热；
步骤三、控制动力机构的主轴开始移动，进行焊接；
步骤四、主轴移动到达焊接终点后，保持主轴驱动搅拌针旋转5～9s，然后控制搅拌针停止转动，同时主轴上移拔出工件，焊接完成。
2.根据权利要求1所述的一种T型加强结构搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的顶套通过螺纹连接固定在端盖上，结构轴套通过固定螺栓固定在动力机构上，角焊缝静止轴肩通过固定螺栓固定在顶套上，搅拌针通过固定螺栓固定在搅拌针轴套上。
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