CN112548317A - 一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节方法及焊具 - Google Patents

Abstract

一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节方法及焊具，属于焊接设备技术领域。它包括步进电机、连接杆、直线轴承、连接板、压球、球轴承、球轴承连接体、T型装置、固定装置、电主轴、衬套、搅拌针连接杆、搅拌针和轴肩。通过步进电机对压球施加向下压力以及弹簧对球轴承连接体向上的弹力，装置之间相互配合，使得压球与球轴承非紧固连接，实现搅拌针的轴向位移。搅拌针实时轴向力的大小：将步进电机推杆顶端安装压力传感器所测的值减去弹簧弹性系数与压缩量乘积的值。有益效果为：可测得实时搅拌针轴向力，压缩式连接结构简单、容差性高，可消除高转速搅拌摩擦焊造成的匙孔。

Description

一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节方法及焊具

技术领域

本发明属于焊接设备技术领域，具体涉及一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节方法及焊具。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术。焊接结束时搅拌针的提起会在焊缝末端留下匙孔，在工程应用过程中解决匙孔问题是非常必要的。目前对薄板进行搅拌摩擦焊时，主要为搅拌针固定式焊接方法，匙孔问题仍是一大技术难题。采用熔化焊填补的方法，由于焊接热输入较高，导致焊缝组织粗大力学性能较差且薄板变形较大；采用填充式搅拌摩擦焊接方法，由于需要较大的压力将塞棒压入旋转为塑性状态，无法填充薄板；采用引出板，使匙孔不留在工件上，该方法一方面造成了材料的浪费，另一方面无法用于环焊缝和密封T型接头等情况的焊接。

采用回抽式搅拌摩擦焊接方法，在焊接结束阶段通过将搅拌针的提起，进而将匙孔问题得到妥善解决。具有如下优点：（1）一种固相修复技术，焊接变形小；（2）通过回抽搅拌针消除，无需二次加工，提高生产效率；（3）除焊接常规焊接结构外，还可焊接环焊缝和密封T型接头。

在中国专利200420003406.7中公开了一种可回抽搅拌摩擦焊主轴头，其通过齿轮间接带动搅拌针做轴向位移。采用齿轮控制轴向位移；回抽装置嵌入在电主轴内部，主轴尺寸较大。中国专利201420697629.1中公开了一种分体式可回抽搅拌头，通过联轴器与回抽芯紧固连接，控制搅拌针的旋转与位移。该装置需要单独的电机带动搅拌针的旋转；联轴器采用间隙配合，具有误差。因此，目前的回抽装置主要存在的问题有：（1）薄板需要更加精密的齿轮控制位移，齿轮易损坏，不适宜高转速搅拌磨檫焊接；（2）回抽装置体积大、转动惯量大，无法达到高转速，不适宜高转速搅拌磨檫焊接；（3）联轴器具有间隙，对厚板焊接尚且可以，但对薄板容差性低，不适宜高转速搅拌摩擦焊接。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供搅拌针轴向力调节方法：

搅拌针轴向力可以增加搅拌头与母材之间的摩擦作用以及搅拌作用，提高接头的力学性能。该装置搅拌针轴向力的调节是通过改变搅拌针的轴向位移来实现的。拉线传感器安装在搅拌针连接杆上，检测搅拌针的轴向位移。压力传感器安装在步进电机推杆顶部，F_轴=F_测+G_装-kx（F_轴搅拌针轴向力、F_测压力传感器测定值、G_装搅拌针连接装置自重、k弹簧弹性系数、x为搅拌针下压量）。

焊接过程中搅拌针具体调节，搅拌针轴向力、搅拌针伸长量与时间关系如图2所示，0~S2为搅拌头插入阶段，S1时刻轴肩开始压入焊缝，此时搅拌针插入轴向力增加至最大，但不超过500N。S1~S2的斜率为K1，即为搅拌针插入的速率（K1速率一般在0.06~0.1 mm/min），直到搅拌针伸出至M1点为止，即S2时刻，该方法不仅能减少搅拌针的磨损还能保证焊缝的搅拌程度；S2~S4为焊缝的预热阶段，S2~S3的斜率为K2,即为搅拌针回抽速率（K2速率一般在0.04~0.06 mm/min），搅拌针长度减少到M2为止，即S3时刻，S3~S4的斜率为K3,即为搅拌针压入速率（K3速率一般在0.04~0.06 mm/min），搅拌针长度增加到M1为止，即S4时刻，通过该预热方法增加塑性金属的纵向流动，减少焊缝背板出现未焊透的情况；S4~S5为焊接加速阶段，搅拌针保持不变；S5~S6为匀速阶段，搅拌针匀速阶段中轴向力的均值为N1（N1值一般在500~700N），在此阶段中，搅拌针长度在M1上下浮动不超过0.1mm，轴向力在一定大小下的振荡也有利于焊缝成型；S6~S7为搅拌针回抽阶段，S6~S7的斜率为K4，即为搅拌针回抽速率，（K4速率一般在0.02~0.04mm/min），搅拌针长度减少至0为止，即S7时刻，保证焊缝力学性能的同时消除匙孔。

一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其包括步进电机的底部固定在固定架的上部，其顶部安装压力传感器垂直于水平面向下并与连接板相接，连接板下表面上固定有第一连接杆，第一连接杆的另一端固定有压球，直线轴承固定在固定架中部，第一连接杆与直线轴承相配合；球轴承连接体的上部设置有角接触球轴承，角接触球轴承与压球相配合，在球轴承连接体的轴线位置固定有搅拌针连接杆，弹簧套在搅拌针连接杆上，其上部与球轴承连接体连接，其下部连接在电机顶端凹槽上；电机的上部与球轴承连接体的下部连接，所述搅拌针连接杆的最下端固定有轴肩和搅拌针。

优选的，所述固定架包括顶端固定装置、中部固定装置和底部固定装置，其均为四角开设有螺纹孔的矩形板状部件，四根六角阴阳支柱将顶端固定装置、中部固定装置和底部固定装置从上至下依次连接。

优选的，连接板包括螺纹孔和缺口，螺纹孔与第一连接杆的上部螺纹连接；中部固定装置上垂直固定有固定杆，固定杆穿过连接板的缺口起到限制连接板运动的作用。

优选的，角接触球轴承、球轴承连接体和搅拌针连接杆连接为一个整体，采用压球与弹簧对其进行轴向位移。

优选的，搅拌针连接杆下部与搅拌针通过定位键进行连接，之后穿过轴肩进行焊接。

优选的，底部固定装置，其四个沉头孔用于与电机固定孔固定。

优选的，在电机的顶端固定有T形装置，所述T形装置固定在电机上部，T形装置上表面设置有固定孔，固定孔与第二连接杆进行螺纹连接；柱底座下表面上设置有盲孔，第二连接杆插入到盲孔内。

本发明的有益效果：

（1）步进电机顶端安装有压力传感器，通过控制步进电机单向压力调节搅拌针下单压量即弹簧压缩量，可在焊接过程中实时调整搅拌针轴向力；

（2）对连接有角接触球轴承的球轴承连接体通过压球下压力和弹簧向上的弹力，实现压缩式非紧固连接方法，克服了现有装置的安装精度问题，过渡了高转速，结构简单、容差性好；

（3）该装置通过对电主轴顶端以及中空部位和搅拌头进行了改装，结构简单，转动惯量小，可以实现高转速下的回抽式搅拌摩擦焊接；

（4）该装置的搅拌针连接杆位于电主轴外部，可以随时更换搅拌头与搅拌针。且装置的分层结构，可直接通过底部固定装置拆卸，是一种分离式装置；

（5）该装置消除匙孔是在焊接结束时，通过缓慢调节搅拌针轴向运动的方法进行消除，无需二次加工，对焊接生产效率有很大的提高；

（6）适配性好，焊接噪声小、稳定性高、绿色环保。

附图说明

图1为本发明所述装置的主体示意图；

图2为搅拌针轴向力搅拌伸长量与时间的关系图；

图3为连接板的俯视图；

图4为中部固定装置示意图；

图5为球轴承连接体的剖面图；

图6为T形装置剖面图；

图7为底部固定装置结构示意图；

图8为搅拌针连接杆的结构示意图；

图9为所述电主轴的结构示意图；

图10为轴肩及搅拌针的连接关系示意图。

其中：1-顶端固定装置、2-步进电机、3-压力传感器、4-第二连接杆、5-连接板、51-缺口、52-螺纹孔、6-直线轴承、7-中部固定装置、71-第二螺纹孔、72-通孔、73-第一螺纹孔、8-第一连接杆、9-压球、10-角接触球轴承、11-球轴承连接体、111-上部盲孔、112-台阶、113-中部盲孔、114-盲孔、12-六角阴阳支柱、13-第三连接杆、14- T形装置、141-螺纹孔、142- T型装置中间孔、15-弹簧、16-底部固定装置、17-搅拌针连接杆、172-搅拌针连接杆下部、18-衬套、19-电主轴、191-电机顶端凹槽、192-电机固定孔、193-ER夹头、20-定位键、21-搅拌针、22-轴肩、161-沉头孔、162-通孔。

具体实施方式：

为了更好的对本发明的技术方案进行说明，下面结合附图对本申请进行进一步的说明。

一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节方法及焊具，包括步进电机2，步进电机2的底部固定在顶端固定装置1，步进电机2的输出轴安装有压力传感器3垂直于水平面向下并与连接板5相接，连接板5下表面上固定有第一连接杆8，第一连接杆8的另一端固定有压球9，直线轴承6固定在中部固定装置7上，中部固定装置7上设置有第一螺纹孔73用于与直线轴承5固定，第一连接杆8与直线轴承5相配合；中部固定装置8上还开设有第二螺纹孔71用于固定第二连接杆4；连接板5包括螺纹孔52和缺口51，螺纹孔52与第一连接杆8的上部螺纹连接；中部固定装置8上垂直固定有第二连接杆4，第二连接杆4穿过连接板4的缺口41起到限制连接板4运动的作用。

球轴承连接体11的上部设置有角接触球轴承10，角接触球轴承10与压球9相配合，在球轴承连接体11的轴线位置固定有搅拌针连接杆17，弹簧15套在搅拌针连接杆17上，其上部与球轴承连接体11连接，其下部连接在电主轴顶端凹槽191上；电主轴19的上部与球轴承连接体11的下部连接，搅拌针连接杆17穿过电机的衬套18，所述搅拌针连接杆17的最下端固定有轴肩22和搅拌针21。所述电主轴19的上部固定在底部固定装置16的四个沉头孔161上；八根六角阴阳支柱12将顶端固定装置1、中部固定装置7和底部固定装置16从上至下依次连接。

搅拌针连接杆下部172与搅拌针21通过定位键20进行连接，之后穿过轴肩22进行焊接。

在电主轴18的顶端固定有T形装置14，所述T型装置14固定在电机上部，T型装置14上表面设置有固定孔141，固定孔141与第三连接杆13进行螺纹连接；柱底座11下表面上设置有盲孔114，第三连接杆13插入到盲孔114内。

中部固定板7和直线轴承6连接为一个整体；连接板5、第一连接杆8与压球9连接为一个整体。

角接触球轴承10与压球9外径接触，角接触球轴承10外圈与上部盲孔111过盈配合。球轴承连接体上部台阶112减少了角接触球轴承10内部旋转的阻力，球轴承连接体中部通孔113与搅拌针连接杆17过盈配合。

固定孔141与第三连接杆13进行螺纹连接。T型装置中间孔142与电主轴19凸出部位保证过盈配合。T型装置14与球轴承连接体11保证同轴转动并可以产生上下相对位移。

底部固定装置16，其四个沉头孔161主要用于将螺钉与电主轴19进行固定，四个通孔162与六角阴阳支柱12进行固定，方便整个装置拆卸。

在施焊过程中，由步进电机2向下施加压力，使弹簧15压紧，从而搅拌针连接杆17将搅拌针21顶出，焊接将要结束过程中，步进电机抬起，弹簧回弹15实现匙孔的消除。

搅拌针轴向力调节方法：

搅拌针轴向力可以增加搅拌头与母材之间的摩擦作用以及搅拌作用，提高接头的力学性能。该装置搅拌针轴向力的调节是通过改变搅拌针的轴向位移来实现的。拉线传感器安装在搅拌针连接杆上，检测搅拌针的轴向位移。压力传感器安装在步进电机推杆顶部，F_轴=F_测+G_装-kx（F_轴搅拌针轴向力、F_测压力传感器测定值、G_装搅拌针连接装置自重、k弹簧弹性系数、x为搅拌针下压量）。

焊接过程中搅拌针具体调节，搅拌针轴向力、搅拌针伸长量与时间关系如图2所示，0~S2为搅拌头插入阶段，S1时刻轴肩开始压入焊缝，此时搅拌针插入轴向力增加至最大，但不超过500N。S1~S2的斜率为K1，即为搅拌针插入的速率（K1速率一般在0.06~0.1 mm/min），直到搅拌针伸出至M1点为止，即S2时刻，该方法不仅能减少搅拌针的磨损还能保证焊缝的搅拌程度；S2~S4为焊缝的预热阶段，S2~S3的斜率为K2,即为搅拌针回抽速率（K2速率一般在0.04~0.06 mm/min），搅拌针长度减少到M2为止，即S3时刻，S3~S4的斜率为K3,即为搅拌针压入速率（K3速率一般在0.04~0.06 mm/min），搅拌针长度增加到M1为止，即S4时刻，通过该预热方法增加塑性金属的纵向流动，减少焊缝背板出现未焊透的情况；S4~S5为焊接加速阶段，搅拌针保持不变；S5~S6为匀速阶段，搅拌针匀速阶段中轴向力的均值为N1（N1值一般在500~700N），在此阶段中，搅拌针长度在M1上下浮动不超过0.1mm，轴向力在一定大小下的振荡也有利于焊缝成型；S6~S7为搅拌针回抽阶段，S6~S7的斜率为K4，即为搅拌针回抽速率，（K4速率一般在0.02~0.04mm/min），搅拌针长度减少至0为止，即S7时刻，保证焊缝力学性能的同时消除匙孔。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节方法，其特征在于，焊接过程分为如下阶段：

1）搅拌头插入阶段，搅拌针插入的速率为0.06~0.1 mm/min，直到搅拌针伸长至预设长度为止；

2）焊缝预热阶段，搅拌针回抽，回抽速率为0.04~0.06mm/min，搅拌针到预设位置为止；3）焊接起始阶段，搅拌针压入，其速率为0.04~0.06mm/min，搅拌针伸长到预设位置为止；

4）焊接加速阶段，搅拌针保持不变；

5）为匀速阶段，搅拌针匀速阶段中轴向力为固定值，在此阶段中，搅拌针长度在预设位置上下浮动不超过0.1mm；

6）搅拌针回抽阶段，回抽速率为0.02~0.04mm/min，搅拌针长度减少到0为止。

2.一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其特征在于，步进电机（2）的底部固定在固定架的上部，其推杆顶部安装有压力传感器（3）并垂直于水平面向下与连接板（5）相接，连接板（5）下表面上固定有第一连接杆（8），第一连接杆（8）的另一端与压球（9）连接，直线轴承（6）固定在固定架中部，第一连接杆（6）与直线轴承（6）相配合；球轴承连接体（11）的上部设置有角接触球轴承（10），角接触球轴承（10）与压球（9）相配合，在球轴承连接体（11）的轴线位置固定有搅拌针连接杆（17），弹簧（15）套在搅拌针连接杆（17）上，其上部与球轴承连接体（11）连接，其下部连接在电主轴顶端凹槽（191）上；电主轴（19）的上部与球轴承连接体（11）的下部连接，所述搅拌针连接杆（17）穿过电主轴（19）与其同轴旋转，搅拌针连接杆（17）的最下端固定有搅拌针（21）和轴肩（22）；角接触球轴承（10）、球轴承连接体（11）和搅拌针连接杆（17）连接为一个整体，采用压球（9）与弹簧（15）配合在高转速下对搅拌针（21）进行轴向位移的调节。

3.根据权利要求2所述的一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其特征在于，所述固定架包括顶端固定装置（1）、中部固定装置（7）和底部固定装置（16），其均为四角开设有螺纹孔的矩形板状部件，八根六角阴阳支柱（12）将顶端固定装置（1）、中部固定装置（7）和底部固定装置（16）从上至下依次连接。

4.根据权利要求3所述的一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其特征在于，连接板（5）包括螺纹孔（52）和缺口（51），螺纹孔（52）与第一连接杆（8）的上部螺纹连接；中部固定装置（7）上垂直固定有固定杆（4），固定杆（4）穿过连接板（5）的缺口（51）起到限制连接板（5）旋转的作用，避免步进电机（2）推杆松动。

5.根据权利要求2所述的一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其特征在于，在电主轴（19）的顶端固定有T形装置（14），所述T型装置（14）固定在电主轴（19）上部，T型装置（14）上表面设置有固定孔（141），固定孔（141）与第二连接杆（13）进行螺纹连接；球轴承连接体（11）下表面上设置有盲孔（114），第二连接杆（13）插入到盲孔（114）内，电主轴（19）旋转带动T型装置（14）和球轴承连接体（11）转动，保证在高转速的同时，搅拌针（21）做轴向运动。

6.根据权利要求2所述的一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其特征在于，电主轴（19）的中空结构与搅拌针连接杆（17）滑动配合，在电主轴（19）上、中、下三个部位安装自润滑无油衬套（18）保证与搅拌针连接杆（17）的同心度。

7.根据权利要求3所述的一种搅拌针轴向力可调的高转速搅拌摩擦调节焊具，其特征在于，底部固定装置（16），其四个沉头孔（161）用于与电机固定孔（192）固定，其四个通孔（162）与六角阴阳支柱（12）连接，可便于焊具拆卸。

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