CN112108757B - 一种自支撑搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自支撑搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法，解决了中空型材组配形成的待焊箱型结构需要双面搅拌摩擦焊接的问题，其设有搅拌针，搅拌针依次穿过上部轴肩、第一中部轴肩、弹簧、第二中部轴肩和下部轴肩，第一中部轴肩的下端设有第一沉孔，第二中部轴肩的上端设有第二沉孔，弹簧一端伸入第一沉孔内并与其上端面接触，弹簧另一端伸入第二沉孔内并与其下端面接触，搅拌针的上端和下端分别设有上端键槽和下端键槽，上部轴肩设有上位键槽，下部轴肩设有下位键槽，上端键槽和上位键槽中设有上位键，下端键槽和下位键槽中设有下位键。本发明可根据中空型材内腔高度的波动自动调节第一中部轴肩和第二中部轴肩的间距，具备良好的工艺性与通用性。

Description

一种自支撑搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地说是一种自支撑搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种新型固相焊接技术，能够避免在焊接过程中产生气孔、热裂纹、夹渣等缺陷，也能避免合金元素烧损，因此在铝、镁等有色金属的焊接领域具有广泛的应用前景。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头旋转并插入到待焊工件中，以一定的压力与待焊工件保持接触，导致焊接过程中有较大的下压力施加在待焊工件上。因此，在搅拌摩擦焊时，需要在待焊工件的背部安放支撑。

目前，轨道列车制造行业存在大量中空型材焊接需求。在搅拌摩擦焊接中空型材组配的待焊箱型结构时，安放背部支撑难度极大，即使能够安放支撑，工装的加工也比较困难，支撑的取放也费时费力，成本高昂。同时，当支撑刚性不足，焊缝会出现沟槽、隧道、孔洞等缺陷。针对上述问题，目前在工业生产中主要采用双轴肩搅拌摩擦焊方法对中空型材对接组配的待焊箱型结构上侧与下侧的接缝分别进行焊接来完成中空型材的连接。然而两次焊接导致生产周期长，严重影响了搅拌摩擦焊接效率，限制了搅拌摩擦焊技术在中空型材焊接领域的进一步应用。

为实现同时对中空型材组配的待焊箱型结构的上、下接缝进行焊接，专利(201520196724.8)提出一种组合式双轴肩搅拌摩擦焊头，由上轴肩、第一搅拌针、承载式上下轴肩、第二搅拌针和下轴肩采用螺纹依次连接组成。这种设计存在以下几个问题：

(1)使用两个搅拌针，安装复杂，难以实现较高的同轴度。(2)长达数十米的中空型材对接装卡无法避免组配的待焊箱型结构内腔高度的波动，承载式上下轴肩在焊接过程中不能在垂直中空型材表面的方向上适应中空型材组配的待焊箱型结构内腔高度的波动，容易导致承载式上下轴肩与待焊箱型结构内腔表面脱离接触或压入量过大，从而使得焊接过程失稳，搅拌针断裂。(3)焊接过程中上轴肩、承载式上下轴肩和下轴肩同时转动，需要电机功率大，焊接扭矩大，搅拌针容易断裂，使用寿命短；焊接热输入高，导致晶粒粗化、沉淀相溶解，接头力学性能降低。(4)搅拌头的拆卸困难，焊接过程中的剧烈震荡容易导致螺纹卡死，造成搅拌针或轴肩损坏时无法更换，使用成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于中空型材组配的待焊箱型结构的自支撑搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法；且本发明在焊接过程中可根据中空型材内腔高度的波动自动调节第一中部轴肩和第二中部轴肩之间的间距，具备良好的工艺性与通用性；焊接过程中第一中部轴肩和第二中部轴肩不旋转，热输入与焊接扭矩较低，特别适用于高铁铝合金车体中空型材长直对接缝的焊接。

为此，本发明提供了一种适用于中空型材组配的待焊箱型结构的自支撑搅拌摩擦焊接装置，设有上部轴肩、搅拌针、第一中部轴肩、弹簧、第二中部轴肩和下部轴肩，搅拌针依次穿过上部轴肩、第一中部轴肩、弹簧、第二中部轴肩和下部轴肩，搅拌针的下端攻有细牙螺纹，搅拌针通过细牙螺纹连接螺母，螺母的上端面与下部轴肩的下端面接触，从下方顶住下部轴肩，第一中部轴肩的下端沿轴线设有第一沉孔，第二中部轴肩的上端沿轴线设有第二沉孔，弹簧的一端伸入第一沉孔内，与第一沉孔的上端面接触，弹簧的另一端伸入第二沉孔内，与第二沉孔的下端面接触，搅拌针的上端和下端分别设有上端键槽和下端键槽，上部轴肩设有上位键槽，下部轴肩设有下位键槽，上位键槽延伸到上部轴肩顶面，下位键槽延伸到下部轴肩底面，上端键槽和上位键槽中设有上位键，下端键槽和下位键槽中设有下位键。

优选的，第一中部轴肩和第二中部轴肩沿轴线分别设有第一通孔和第二通孔，第一通孔、第二通孔与搅拌针间隙配合。

优选的，上部轴肩沿轴线设有第一安装孔，下部轴肩沿轴线设置有第二安装孔，第一安装孔、第二安装孔与搅拌针间隙配合。

优选的，上部轴肩下端面和下部轴肩上端面均设有螺旋凹槽。

优选的，上部轴肩上一体成型设有夹持柄。

同时，本发明提供了一种适用于中空型材组配的待焊箱型结构的自支撑搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，具体是包括以下步骤：

(1)中空型材组配：利用装卡工具将被焊中空型材固定在工作台上，使被焊中空型材对接且处于同一水平面上，组配成待焊箱型结构；

(2)确定焊接装置尺寸：根据待焊箱型结构内腔宽度选择第一中部轴肩和第二中部轴肩，保证第一中部轴肩和第二中部轴肩的直径均小于待焊箱型结构内腔宽度，根据待焊箱型结构内腔高度选择弹簧，保证弹簧的自由长度大于待焊箱型结构内腔高度，弹簧的极限载荷大于10倍的第一中部轴肩的重量，根据待焊箱型结构的高度调整螺母，使得上部轴肩与下部轴肩之间的间距小于等于待焊箱型结构的高度；

(3)搅拌摩擦焊焊接：调整焊接装置与待焊箱型结构的相对位置，保证上对接缝和下对接缝与搅拌针对中，调节弹簧的压紧状态，使得第一中部轴肩的上端面卡住待焊箱型结构内腔的上表面，第二中部轴肩的下端面卡住待焊箱型结构内腔的下表面，选取合适的参数，将焊接装置平移以切入对接缝进行焊接。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明突破了以往搅拌头的设计思路，实现了一次装夹，无需对工件进行翻转，即能同时完成中空型材组配的待焊箱型结构上壁和下壁接缝的搅拌摩擦焊接，可大大简化焊接工序，降低生产成本，提高生产效率。

(2)本发明设有第一中部轴肩、第二中部轴肩和弹簧，弹簧处于第一中部轴肩的第一沉孔的上端面和第二中部轴肩的第二沉孔的下端面之间，焊接过程中可根据待焊箱型结构内腔高度的波动自动调节第一中部轴肩和第二中部轴肩之间的间距，使得第一中部轴肩的上端面始终接触待焊箱型结构的上壁，第二中部轴肩的下端面始终接触待焊箱型结构的下壁，保证了焊接质量，具备良好的工艺性与通用性。

(3)本发明中的搅拌针的下端螺纹连接螺母，螺母的上端面与下部轴肩的下端面接触，从下方顶住下部轴肩，通过旋转螺母使下部轴肩相对搅拌针向上运动，可以调整下部轴肩与上部轴肩的间距，以适应不同高度的中空型材的焊接。

(4)本发明的搅拌针的上端和下端分别设有上端键槽和下端键槽，上部轴肩和下部轴肩分别设有上位键槽和下位键槽，通过上端键槽、上位键槽、上位键的配合和下端键槽、下位键槽、下位键的配合，在焊接过程中，当上部轴肩旋转的同时，带动搅拌针和下部轴肩一同旋转，而第一中部轴肩和第二中部轴肩不旋转，有效降低了焊接热输入，提高了焊缝力学性能，降低了焊接扭矩，延长了搅拌针的使用寿命。

(5)本发明中上部轴肩、搅拌针、下部轴肩配合紧密、同轴度高、稳定性好，装置安装、拆卸快捷方便，搅拌针或轴肩损坏时可单独进行更换，使用成本低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的爆炸图；

图3为本发明实施方式的示意图；

图4为本发明实施方式的主视结构图。

附图标记：1.上部轴肩；1-1.第一安装孔；1-2.上位键槽；1-3.夹持柄；2.上位键；3.搅拌针；3-1.上端键槽；3-2.下端键槽；3-3.细牙螺纹；4.第一中部轴肩；4-1.第一通孔；4-2.第一沉孔；5.弹簧；6.第二中部轴肩；6-1.第二通孔；6-2.第二沉孔；7.下部轴肩；7-1.第二安装孔；7-2.下位键槽；8.下位键；9.螺母；10.下对接缝；11.上对接缝；12.螺旋凹槽；

W.内腔宽度；K.内腔高度；L.弹簧的自由长度。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本发明。下面结合附图来说明本发明的具体实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明的一种适用于中空型材组配的待焊箱型结构的自支撑搅拌摩擦焊接装置，包括上部轴肩1、搅拌针3、第一中部轴肩4、弹簧5、第二中部轴肩6和下部轴肩7。搅拌针3依次穿过上部轴肩1、第一中部轴肩4、弹簧5、第二中部轴肩6和下部轴肩7，搅拌针3的下端攻有细牙螺纹3-3，用于连接螺母9，螺母9的上端面与下部轴肩7的下端面接触，从下方顶住下部轴肩7，通过旋转螺母9使下部轴肩7相对搅拌针3向上运动，可以缩短下部轴肩7与上部轴肩1的间距，以适应不同高度中空型材的焊接。

如图1-3所示，第一中部轴肩4和第二中部轴肩6分别沿轴线设置有第一通孔4-1和第二通孔6-1，第一通孔4-1与第二通孔6-1的直径略大于搅拌针3的直径，与搅拌针3间隙配合，以便搅拌针3顺畅的插入或者拔出。第一中部轴肩4的下端沿轴线设有第一沉孔4-2，第二中部轴肩6的上端沿轴线设有第二沉孔6-2，弹簧5的一端伸入第一沉孔4-2内，弹簧5的另一端伸入第二沉孔6-2内。弹簧5的首端接触第一沉孔4-2的上端面，弹簧5的末端接触第二沉孔6-2的下端面。弹簧5用于支撑第一中部轴肩4和第二中部轴肩6，使得在焊接过程中第一中部轴肩4的上端面始终与中空型材的上壁接触，第二中部轴肩6的下端面始终与中空型材的下壁接触，以便在焊接过程中适应中空型材组配的待焊箱型结构的内腔高度的波动。

上部轴肩1沿轴线设置第一安装孔1-1，第一安装孔1-1的直径略大于搅拌针3的直径，以便搅拌针3顺畅的插入或者拔出。上部轴肩1设有上位键槽1-2，上位键槽1-2延伸到上部轴肩1顶面，对应地，搅拌针3的上端设有上端键槽3-1，上端键槽3-1和上位键槽1-2中设有上位键2。

具体地，搅拌针3的下端由上至下穿过上部轴肩1的第一安装孔1-1后，使上端键槽3-1暴露在上部轴肩1的上方，在上端键槽3-1中安装上位键2，使得上位键2的上端面接触搅拌针3的上端键槽3-1的上端面，向下抽动搅拌针3，使得上位键2的下端面接触上部轴肩1的上位键槽1-2的下端面。通过搅拌针3的上端键槽3-1、上位键2和上位键槽1-2配合，可以限制上部轴肩1相对搅拌针3的旋转，同时也限制上部轴肩1相对搅拌针3向上的位移。

同样的，下部轴肩7沿轴线设置第二安装孔7-1，第二安装孔7-1的直径与第一安装孔1-1直径相同，方便搅拌针3顺畅穿过。下部轴肩7设有下位键槽7-2，下位键槽7-2延伸到下部轴肩7底面。对应的，搅拌针3的下端设有下端键槽3-2，下端键槽3-2中设有下位键8。

具体地，搅拌针3的下端依次穿过第一中部轴肩4的第一通孔4-1、弹簧5、第二中部轴肩6的第二通孔6-1后，从下部轴肩7的第二安装孔7-1中穿出，使下端键槽3-2暴露在下部轴肩7的下方，在下端键槽3-2中安装下位键8，使得下位键8的下端面接触搅拌针3的下端键槽3-2的下端面，向下抽动下部轴肩7，使下位键8进入下位键槽7-2内，直到下部轴肩7不能相对搅拌针3向下运动。通过下端键槽3-2、下位键8和下位键槽7-2配合，可以限制下部轴肩7相对搅拌针3的旋转，同时也限制下部轴肩7相对搅拌针3向下的位移。

上部轴肩1上一体成型设有夹持柄1-3，用于与搅拌摩擦焊机主轴连接驱动焊接装置旋转，通过搅拌针3的上端键槽3-1、上位键2和上位键槽1-2配合，当上部轴肩1旋转的同时，带动搅拌针3一同旋转；同样的，通过下端键槽3-2、下位键8和下位键槽7-2配合，当搅拌针3旋转的同时，也带动下部轴肩7一同旋转。这样设计，使得在焊接过程中上部轴肩1和下部轴肩7旋转而第一中部轴肩4和第二中部轴肩6不旋转，有效降低了焊接热输入，提高了焊缝力学性能，降低了焊接扭矩，延长了搅拌针3的使用寿命。

进一步地，上部轴肩1与型材接触的端面设置有螺旋凹槽12，下部轴肩7与型材接触的端面设置有螺旋凹槽12，均用于焊接过程中使热塑性金属由轴肩边缘向搅拌针3周围汇聚。

该实施例还公开了一种适用于中空型材组配的待焊箱型结构的自支撑搅拌摩擦焊接方法，如图3-4所示，具体包括以下步骤：

(1)中空型材组配：利用装卡工具将被焊中空型材固定在工作台上，使被焊中空型材对接且处于同一水平面上，组配成待焊箱型结构。

(2)确定焊接装置尺寸：根据待焊箱型结构内腔宽度W选择第一中部轴肩4和第二中部轴肩6，保证第一中部轴肩4和第二中部轴肩6的直径均小于待焊箱型结构内腔宽度W；根据待焊箱型结构内腔高度K选择弹簧5，保证弹簧5的自由长度L大于待焊箱型结构内腔高度K，弹簧5的极限载荷大于10倍的第一中部轴肩4的重量；具体的，在本实施例中，弹簧5的极限载荷等于15倍的第一中部轴肩4的重量；根据待焊箱型结构的高度调整螺母9，使得上部轴肩1与下部轴肩7之间的间距等于箱型结构的高度。

(3)搅拌摩擦焊焊接：调整焊接装置与待焊箱型结构的相对位置，保证上对接缝11和下对接缝10与搅拌针3对中，并使上部轴肩1和下部轴肩7与型材接触的端面沿型材的高度方向呈中心对称分布；调节弹簧5的压紧状态，使得第一中部轴肩4的上端面卡住待焊箱型结构内腔的上表面，第二中部轴肩6的下端面卡住待焊箱型结构内腔的下表面；选取合适的参数，将焊接装置平移以切入对接缝进行焊接。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种自支撑搅拌摩擦焊接装置，其特征是，设有上部轴肩、搅拌针、第一中部轴肩、弹簧、第二中部轴肩和下部轴肩，所述搅拌针依次穿过上部轴肩、第一中部轴肩、弹簧、第二中部轴肩和下部轴肩，所述搅拌针的下端攻有细牙螺纹，所述搅拌针通过细牙螺纹连接螺母，所述螺母的上端面与所述下部轴肩的下端面接触，从下方顶住所述下部轴肩，所述第一中部轴肩的下端沿轴线设有第一沉孔，所述第二中部轴肩的上端沿轴线设有第二沉孔，所述弹簧的一端伸入所述第一沉孔内，与所述第一沉孔的上端面接触，所述弹簧的另一端伸入所述第二沉孔内，与所述第二沉孔的下端面接触，所述搅拌针的上端和下端分别设有上端键槽和下端键槽，所述上部轴肩设有上位键槽，所述下部轴肩设有下位键槽，所述上位键槽延伸到所述上部轴肩顶面，所述下位键槽延伸到所述下部轴肩底面，所述上端键槽和所述上位键槽中设有上位键，所述下端键槽和所述下位键槽中设有下位键，所述第一中部轴肩和所述第二中部轴肩沿轴线分别设有第一通孔和第二通孔，所述第一通孔、所述第二通孔与所述搅拌针间隙配合。

2.根据权利要求1所述的自支撑搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上部轴肩沿轴线设有第一安装孔，所述下部轴肩沿轴线设置有第二安装孔，所述第一安装孔、所述第二安装孔与搅拌针间隙配合。

3.根据权利要求2所述的自支撑搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上部轴肩下端面和下部轴肩上端面均设有螺旋凹槽。

4.根据权利要求3所述的自支撑搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上部轴肩上一体成型设有夹持柄。

5.一种如权利要求1所述的自支撑搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)中空型材组配：利用装卡工具将被焊中空型材固定在工作台上，使被焊中空型材对接且处于同一水平面上，组配成待焊箱型结构；

(2)确定焊接装置尺寸：根据待焊箱型结构内腔宽度选择第一中部轴肩和第二中部轴肩，保证第一中部轴肩和第二中部轴肩的直径均小于待焊箱型结构内腔宽度，根据箱型结构内腔高度选择弹簧，保证弹簧的自由长度大于箱型结构内腔高度，弹簧的极限载荷大于10倍的第一中部轴肩的重量，根据箱型结构的高度调整螺母，使得上部轴肩与下部轴肩之间的间距小于等于箱型结构的高度；

(3)搅拌摩擦焊焊接：调整焊接装置与待焊箱型结构的相对位置，保证上对接缝和下对接缝与搅拌针对中，调节弹簧的压紧状态，使得第一中部轴肩的上端面卡住待焊箱型结构内腔的上表面，第二中部轴肩的下端面卡住待焊箱型结构内腔的下表面，选取合适的参数，将焊接装置平移以切入对接缝进行焊接。