CN112008227A - 一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置及方法，包括端盖保持架和回抽搅拌工具，端盖保持架内设可回抽刀柄，可回抽刀柄固定连接回抽搅拌工具，端盖保持架前端连接热压体，回抽搅拌工具与端盖保持架和热压体同轴设置，回抽搅拌工具均与端盖保持架和热压体保持间隙配合。本发明在常规搅拌摩擦焊接过程的基础上，周围半弧形热压面连接端盖保持架在搅拌工具外不参与搅拌工具的摩擦搅拌过程，高速旋转的搅拌工具轴肩下压材料内导致焊缝两侧形成明显飞边时，通过半弧体热压面接触压紧试样表面，排出飞边；焊接完毕后，可回抽刀柄带动搅拌工具往上回退，热压体清洁工具从热压体前端开放位置伸入到内壁进行积料清理，继续进行焊接从而实现连续化生产。

Description

一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置及方法

技术领域

本发明公开了一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置及方法，涉及搅拌摩擦焊接技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种固相相连的焊接新技术，由英国焊接研究所（The Welding Institute，简称TWI）于1991年发明的，主要应用于铝合金、镁合金等有色金属的连接。在搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带轴肩和搅拌针的搅拌头旋转着插入被焊工件，搅拌头和被焊材料之间的摩擦产生了摩擦热，使材料热塑化，当搅拌工具沿着待焊界面向前移动时，热塑化的材料由搅拌头的前部向后部转移，并且在搅拌工具的的作用下实现工件间的固相连接。搅拌摩擦焊优点在于焊接时无需保护气体以及焊条填丝与焊料，焊前焊后处理简单，形成的焊缝机械性能好，不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷，操作简单等优点，因此搅拌摩擦焊接技术目前已广泛地应用于船舶制造、航空航天、轨道交通、陆路交通以及汽车制造等行业中。

然而在搅拌摩擦焊接过程中，因焊接材料本身原因在焊缝两侧具有明显高度差、或焊接操作工程中搅拌工具轴肩下压过大等因素，导致在搅拌工具高速旋转时软化的材料会从轴肩被挤出，在焊缝两侧形成明显的粗糙毛刺及飞边，无法进行有效焊接或焊后出现明显裂纹及缺陷；而飞边及毛刺需要在焊后增加额外的清除工序，使得生产节拍加长且成本增高。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置及方法，提高焊缝力学性能，表面美观。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，包括端盖保持架和回抽搅拌工具，所述端盖保持架内设可回抽刀柄，端盖保持架装在可回抽刀柄外端；所述可回抽刀柄固定连接回抽搅拌工具，所述端盖保持架前端连接热压体，所述回抽搅拌工具，端盖保持架和热压体同轴设置，所述端盖保持架的内壁为空腔结构，所述回抽搅拌工具均与端盖保持架和热压体保持间隙配合；所述可回抽刀柄一端与主轴连接，且随主轴转动，亦可以带动回抽搅拌工具在焊接厚度方向上进行回退及伸出；且空腔的内壁上设置限位结构，限位结构可限制可回抽刀柄的伸出位置。

进一步的，所述热压体呈弧形回转体，包围在回抽搅拌工具的轴肩外侧，热压体一侧呈开放状态，形成开放部分，所述热压体开放部分两侧的侧面呈一个弧面，弧面由上至下的弯曲程度逐渐减小，所述热压体底部呈倾斜热压面，所述的热压体的侧壁上设置排屑孔，所述端盖保持架包括定位孔，所述的热压体通过销孔连接方式与端盖保持架固定，热压体及端盖保持架不随可回抽刀柄及回抽搅拌工具转动。

进一步的，所述热压体呈弧形回转体，包围在回抽搅拌工具的轴肩外侧，热压体一侧呈开放状态，未开放部分的弧度范围为180°~270°。热压体的主要作用是在材料处于热塑性的状态下，由热压面对材料进行热碾压，使其平整光滑。

进一步的，所述倾斜热压面为一个倾斜面，所述的倾斜面从中心至外侧向远离焊接面方向倾斜，倾斜面倾斜方向与水平方向的夹角为2°~3°。

进一步的，所述热压体排屑孔为椭圆形，数量为1~3个；排屑孔的位置位于热压体热压面上方约3-5mm处，沿热压体的圆周分布，排屑孔用于排屑顺畅，减少清理次数；

进一步的，所述热压体与回抽搅拌工具间隙配合的间隙为0.05~1.0 mm。

进一步的，还包括配套的清洁工具，所述热压体清洁工具包括导轨、电机和清洁刷，所述清洁刷连接于电机上，所述电机与导轨滑动连接，清理工具通过导轨可实现从热压体开放部分的探入与退出，由电机带动清洁刷在热压体中进行高速旋转，从而进行内部积料清理。

一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接方法，其特征在于，

固定：将被焊件焊缝对齐后放置设备工作平台上，使用相应工装固定被焊件，将可回抽刀柄装入设备主轴中，与驱动机构相接；将回抽搅拌工具装入可回抽刀柄中，并将回抽搅拌工具的中心与被焊件焊缝中心对准；

焊接：操控回抽搅拌工具向被焊件伸出，扎入焊缝，调节回抽搅拌工具的角度，直至回抽搅拌工具完全扎入被焊件中且热压体热压面与被焊件表面齐平；待下扎点处两侧焊缝金属软化后，启动主轴沿焊缝路径进行焊接；

清洁：与主轴连接的可回抽刀柄随主轴转动，带动回抽搅拌工具在焊接厚度方向上进行回退，回退至热压体上部，空出热压体内腔面，焊后清理工具通过导轨可实现从热压体前端开放位置的探入与退出，由电机带动清洁刷在热压体中进行高速旋转，从而进行内部积料清理。

进一步的，一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接方法，焊接时，回抽搅拌工具接触试样的轴肩最外边缘所处的水平面在垂直方向上比热压体上接触试样的热压面外侧边缘所处水平面低0.1~0.4mm，且热压面的倾斜方向与焊接前进方向相反，倾斜角度与焊接前进方向倾斜角度相同，角度为2°~3°，热压面与产品表面齐平贴合，提高了焊接平稳性。

有益效果：本发明在搅拌摩擦焊接过程中，热压面连接端盖保持架在回抽搅拌工具外不参与摩擦搅拌过程，高速旋转的回抽搅拌工具的轴肩下压导致焊缝两侧形成明显飞边时，通过热压面接触压紧试样表面，对产生的飞边进行热碾压，其中碾压的飞边可沿着热压体上的排屑孔排出，亦可沿着热压体开放部分排出，焊接完毕后，可回抽刀柄带动回抽搅拌工具往上回退，热压体清洁工具从热压体前端开放位置伸入到内侧进行积料清理，从而实现连续化生产。本发明采用的是热压原理，在搅拌摩擦焊飞边产生的瞬间进行热碾压成型，溢出的母材金属材料尚属于高温塑性状态，经过热压体的热压作用后焊缝表面平整光滑，不伤及母材金属，且经过热碾压的焊缝组织致密，力学性能得到提高，表面美观，减少了焊后清理飞边的工序，减轻了劳动强度，缩减生产节拍。

附图说明

图1本发明的结构示意图；

图2为图1中A的局部放大示意图；

图3本发明焊接过程的结构示意图；

图4为图3中B的局部放大示意图；

图5为清洁工具工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1~5所示的一种实施例：一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，包括端盖保持架2和回抽搅拌工具3，所述端盖保持架2内设可回抽刀柄1，端盖保持架2装在可回抽刀柄1外端；所述可回抽刀柄1固定连接回抽搅拌工具3，所述端盖保持架2前端连接热压体4，所述回抽搅拌工具3，端盖保持架2和热压体4同轴设置，所述回抽搅拌工具3均与端盖保持架2和热压体4保持间隙配合； 所述可回抽刀柄1一端与主轴连接，且随主轴转动，带动回抽搅拌工具3在焊接厚度方向上进行回退及伸出；

所述热压体4呈弧形回转体，包围在回抽搅拌工具3的轴肩外侧，热压体4一侧呈开放状态，形成开放部分，所述热压体4开放部分两侧的侧面呈一个弧面，弧面由上至下的弯曲程度逐渐减小，所述热压体4底部呈倾斜热压面4-1，所述的热压体4的侧壁上设置排屑孔4-2，所述端盖保持架2包括定位孔，所述的热压体4通过销孔4-3连接方式与端盖保持架2固定，热压体4及端盖保持架2不随可回抽刀柄1及回抽搅拌工具3转动。

回抽搅拌工具3轴肩面3-1下压导致焊缝两侧形成明显飞边时，通过半弧体热压面4-1接触压紧焊接试件6表面，对产生的飞边进行热碾压。

所述的热压体4未开放部分的弧度范围为180°~270°。

所述端盖保持架2的内壁形成中空限位环，所述限位环的内径大于回抽搅拌工具3的外径，且所述限位环的内径小于可回抽刀柄1的外径。

所述倾斜热压面4-1为一个倾斜面，所述的倾斜面从中心至外侧向远离焊接面方向倾斜，倾斜面倾斜方向与水平方向的夹角为2°~3°。

所述热压体4排屑孔4-2为长椭圆形，数量为1~3个。

所述热压体4与回抽搅拌工具3间隙配合的间隙为0.05~1.0 mm。

还包括配套的清洁工具5，所述热压体4清洁工具包括导轨5-1、电机5-2和清洁刷5-3，所述清洁刷连接于电机5-2上，所述电机5-2与导轨5-1滑动连接，清理工具通过导轨5-1可实现从热压体4开放部分的探入与退出，由电机5-2带动清洁刷在热压体4中进行高速旋转，从而进行内部积料清理。

一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接方法，固定：将被焊件焊缝对齐后放置设备工作平台上，使用相应工装固定被焊件，将可回抽刀柄装入设备主轴中，与驱动机构相接；将回抽搅拌工具装入可回抽刀柄中，并将回抽搅拌工具的中心与被焊件焊缝中心对准；

焊接：操控回抽搅拌工具向被焊件伸出，扎入焊缝，调节回抽搅拌工具的角度，直至抽搅拌工具完全扎入被焊件中且热压体热压面与被焊件表面齐平；待下扎点处两侧焊缝金属软化后，启动主轴沿焊缝路径进行焊接；

清洁：与主轴连接的可回抽刀柄随主轴转动，带动回抽搅拌工具在焊接厚度方向上进行回退，焊后清理工具通过导轨可实现从热压体前端开放位置的探入与退出，由电机带动清洁刷在热压体中进行高速旋转，从而进行内部积料清理。

一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接方法，焊接时，回抽搅拌工具接触试样的轴肩最外边缘所处的水平面在垂直方向上比热压体上接触试样的热压面外侧边缘所处水平面低0.1~0.4mm，且热压面的倾斜方向与焊接前进方向相反，倾斜角度与焊接前进方向倾斜角度相同，角度为2°~3°，热压面与产品表面齐平贴合。

本发明在搅拌摩擦焊接过程中，热压面连接端盖保持架在回抽搅拌工具外不参与摩擦搅拌过程，高速旋转的回抽搅拌工具的轴肩下压导致焊缝两侧形成明显飞边时，通过热压面接触压紧试样表面，对产生的飞边进行热碾压，其中碾压的飞边可沿着热压体上的排屑孔排出，亦可沿着热压体开放部分排出，焊接完毕后，可回抽刀柄带动回抽搅拌工具往上回退，热压体清洁工具从热压体前端开放位置伸入到内侧进行积料清理，从而实现连续化生产。本发明采用的是热压原理，在搅拌摩擦焊飞边产生的瞬间进行热碾压成型，溢出的母材金属材料尚属于高温塑性状态，经过热压体的热压作用后焊缝表面平整光滑，不伤及母材金属，且经过热碾压的焊缝力学性能得到提高，表面美观，减少了焊后清理飞边的工序，减轻了劳动强度，缩减生产节拍。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，包括端盖保持架和回抽搅拌工具，其特征在于，所述端盖保持架内设可回抽刀柄，所述可回抽刀柄固定连接回抽搅拌工具，所述端盖保持架前端连接热压体，所述回抽搅拌工具，端盖保持架和热压体同轴设置，所述回抽搅拌工具均与端盖保持架和热压体保持间隙配合。

2.根据权利要求1所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，其特征在于，所述热压体呈弧形回转体，包围在回抽搅拌工具的轴肩外侧，热压体一侧呈开放状态，所述热压体底部呈倾斜热压面，所述的热压体的侧壁上设置排屑孔。

3.根据权利要求2所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，其特征在于，所述的热压体的未开放部分的弧度范围为180°~270°。

4.根据权利要求2所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，其特征在于，所述倾斜热压面为一个倾斜面，所述的倾斜面从中心至外侧向远离焊接面方向倾斜，倾斜面倾斜方向与水平方向的夹角为2°~3°。

5.根据权利要求2所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，其特征在于，所述热压体排屑孔为长椭圆形，数量为1~3个。

6. 根据权利要求2所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，其特征在于，所述热压体与回抽搅拌工具间隙配合的间隙为0.05~1.0 mm。

7.根据权利要求1所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接装置，其特征在于，还包括配套的清洁工具，所述热压体清洁工具包括导轨、电机和清洁刷。

8.基于权利要求1~7所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接方法，其特征在于，

固定：将被焊件焊缝对齐后放置设备工作平台上，使用相应工装固定被焊件，将可回抽刀柄装入设备主轴中，与驱动机构相接；将回抽搅拌工具装入可回抽刀柄中，并将回抽搅拌工具的中心与被焊件焊缝中心对准；

焊接：操控回抽搅拌工具向被焊件伸出，扎入焊缝，调节回抽搅拌工具的角度，直至抽搅拌工具完全扎入被焊件中且热压体热压面与被焊件表面齐平；待下扎点处两侧焊缝金属软化后，启动主轴沿焊缝路径进行焊接；

清洁：与主轴连接的可回抽刀柄随主轴转动，带动回抽搅拌工具在焊接厚度方向上进行回退，焊后清理工具通过导轨可实现从热压体前端开放位置的探入与退出，由电机带动清洁刷在热压体中进行高速旋转，从而进行内部积料清理。

9.根据权利要求8所述的一种去飞边搅拌摩擦焊的焊接方法，焊接时，回抽搅拌工具接触试样的轴肩最外边缘所处的水平面在垂直方向上比热压体上接触试样的热压面外侧边缘所处水平面低0.1~0.4mm。

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