CN112894120A - 一种带4套辅助装置的双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及其焊接中厚钢件曲线对接焊缝的方法 - Google Patents

Abstract

一种带4套辅助装置的双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，含有辅助拉绳和牵引装置、辅助电流加热装置、定滑轮和带焊缝跟踪装置的辅助多自由度机器人、挠性联轴器，共4套辅助装置，可极大地改善搅拌头的受力状况，提高其使用寿命和焊接长度；在引入板上增加一个斜坡，可不减少两轴肩间的预紧力在工作中遇到软化金属后的下降，可减少隧道型焊接缺陷；通过在拐角处和厚度不等的地方开豁口，尤其适用于各类船舶、含航空母舰在内的各类军舰、常规潜艇和核潜艇、深潜器、大型圆筒、大型平台、大型平板、大型运输机等中厚钢件的，略含高度错位的等厚的，平面和空间曲线对接焊缝、直线对接焊缝、分段件横向对接焊缝的搅拌摩擦焊的焊接，并提出了相应的焊接方法。

Description

一种带4套辅助装置的双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及其焊接中 厚钢件曲线对接焊缝的方法

技术领域

本发明涉及领域为各类船舶、含航空母舰在内的各类军舰、常规潜艇和核潜艇、深潜器、大型圆筒、大型平台、大型平板、大型运输机等的搅拌摩擦焊焊接工艺，材料可以是铁基、镍基和钛基等高硬度高熔点的金属，亦可为轻金属；尤适用于等厚的略含高度错位的平面和空间曲线中厚件、甚至特厚件的对接焊缝，亦可适用于薄板和直线对接焊缝的焊接。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是一种固相焊接新技术。虽然本专利申请的发明人曾提出了“一种带辅助拉绳装置的静止双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及焊接对接焊缝的方法”(已授权专利号：ZL201810824167.8)，其适用于等厚且不含有高低错位的直线或接近直线的对接焊缝搅拌摩擦焊，当焊接件为高熔点金属时，只需在搅拌头前面增加辅助加热装置，在该专利文件中均有介绍，但对于等厚且略含有高低错位如1mm左右的平面和空间曲线对接焊缝则不太可能，有些甚至是无能为力。

现在的各类船舶、含航空母舰在内的各类军舰、常规潜艇和核潜艇等的壳体，主要通过钢板或钛合金板焊接而成，其壳体中有些为平面和空间曲线焊缝，见图2。为了提高生产效率和降低成本，各类船舶等一般采用分段焊接和零部件组装后、再拼焊的方法进行制造，但在其横截面上，有些部位并不等厚，见图3左图。由于经过冲压、模压、辊压等加工后的钢板微观尺寸产生离散度、及随后焊接产生变形，使后续的对接焊缝的两部件间产生高度错位和横向间隙，使搅拌摩擦焊这种先进的焊接工艺较难以在壳体制造中大面积推广。但搅拌摩擦焊的焊缝品质优良，易于实现机器人自动化焊接，生产效率高，焊缝机械强度高，焊接残余应力小，焊接变形小，焊缝抗腐蚀优于熔焊，焊接质量稳定。因此，科技人员一直在不断努力追求将其能更大面积地应用到各类船舶、含航空母舰在内的各类军舰、常规潜艇和核潜艇等的壳体制造。

将搅拌摩擦焊大面积地应用到我国的造船和船工产品上，在造船技术上使我国超越日韩，一直是本发明人的追求梦想。本发明人从原理上提出了一种带4种辅助装置的双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，及利用其焊接厚板壳体的分段件的纵向焊缝、和两分段壳体对接拼焊等的焊接方法，其可焊接略含有高低错位如1mm左右、等厚的平面和空间曲线对接焊缝，亦可适用于直线对接焊缝。但本发明的条件是必须对两对接面进行机械切削加工，以便对接接头在焊缝的横向能很好地密贴，偶有和少有不大于0.2mm间隙为佳，在焊接前必须进行除锈和除油处理。经网上查询，国内外还未见此方法。

发明内容：

下面以最有代表性的、假定焊接钢质船壳体例，来阐明本专利申请的发明内容。

(1)现有的钢质船壳体一般经过钢板切割、机械切削开坡口后，经过熔焊制造船壳各部位，且一般为中厚板；为了加快建造速度，一般采用分段焊接和零部件组装后、再拼焊的方法进行制造，如军舰和商船均是如此。本发明采用一种带4种辅助装置的双轴肩搅拌摩擦焊，但必须采用带匙孔的引入板和引出板。现有的引入板为平板、中间无斜度，对铁基、钛基和镍基等较高硬度的合金，本发明创造性在引入板中间增加一段斜度，存在一个斜坡，但与待焊件连接的一段大于搅拌头直径的长度范围内仍与待焊件等厚平齐，见图4。理由如下：①对铁基、钛基和镍基等较高硬度的合金，本发明必须采用辅助电流加热装置，其距离轴肩前进方向的间距为15mm左右，当待焊板材加热后会软化，但双轴肩搅拌摩擦焊必须施加一定的初始顶锻力，而铁基等较硬合金不易变形，若初始预紧力过大，将可能会使搅拌针开始时就过渡伸长、甚至引起断裂；当旋转的搅拌针前进到已加热的软化部位后，由于软化后金属体的承载力下降，预加初始顶锻压力使搅拌针长度缩短，造成搅拌针一定程度地松驰，减小了双轴肩可通过自身预紧提供顶锻压力及其作用的效果；增加这个斜度，设置加热装置在斜坡起点开始加热，这样可使预紧力一增一减，可使预紧力变化不大，可一定程度上补偿预紧力的松驰；②若不设置斜度，减小后的顶锻压力可能不能消除焊缝横向方向的偶有和少有间隙，而造成搅拌摩擦焊易出现的隧道型缺陷。当然，这个斜度很小如全高度差在0.5mm以内，具体要求值与待焊件的材质、热处理情况、待焊件的厚度和辅助加热温度等有关，具体最佳斜度值和高度值由试验和试制得到。但对于引出板，可以无斜度。

(2)鉴于铁基合金的熔点较高且硬度较大，当焊接较长的焊缝，如40万吨大型商船分段件的纵向焊缝、或各分段再拼接的对接焊缝时(见图3左图)，本发明利用了已授权的搅拌摩擦焊的辅助电流加热装置专利，其可实现对金属体的内部加热，见图1，本发明采用正对的两随动铜质电极，电极在待焊板的上下面，且距离轴肩前进侧15mm以内，以尽量减少焊缝的双重加热；本发明简单巧妙地在拉绳牵引圈上为供电导柱开了一个通孔9、通孔25，其邻近的另外2个小螺孔200用于固定电缆，见图1和图5，该技巧解决了拉绳牵引圈可能占用宝贵空间的不便，将其变“害”为利。至于电磁感应加热，由于其不能很好地进行精确地局部加热，本发明并没有采用。注意，这里叙述辅助电流加热装置，并不是本发明的创新，本发明是借用和利用，这里介绍只是为了前后叙述的因果连惯。如果不采用辅助加热装置，将会极大地增加搅拌针和轴肩的磨损，同时使搅拌针工作过程中受热后蠕变伸长，这样会减少顶锻压力，进而造成隧道型缺陷，更大的错点则易造成搅拌针折断。本发明采用了带辅助拉绳的双轴肩搅拌头，且上下轴肩是旋转的小动轴肩，轴肩平面带凹槽，加上辅助加热装置，通过轴肩的旋转，可将左右略含有高度错位的焊缝两侧金属括平，见图1，拉绳由柔软的钢丝绳或碳纤维绳组成(这与专利号为ZL201810824167.8、名称为“一种带辅助拉绳装置的静止双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头及焊接对接焊缝的方法”是不同的，其轴肩为静止平底型，不具备周向括平功能)。为了进一步提高焊缝的质量，借用超声波辅助装置专利，设置在搅拌头的后方，但它不属于搅拌头的范畴，也不是本发明的创新，本发明是建议采用。

(3)鉴于许多铁基合金船体等含有曲线对接焊缝，见图2。本发明还在上下两条拉绳前面均增加了由辅助多自由度机器人控制的定滑轮，见图1，定滑轮的工作平面与拉绳和焊缝在同一平面内，定滑轮一般具有6自由度为佳，其作用是始终引导并使拉绳方向尽量与搅拌头所处位置的焊缝切线方向一致，或在空间许可的条件下，允许存在较小的夹角；而两根拉绳则由各自的辅助牵引装置单独牵引，其牵引速度是合适的焊接速度；当搅拌头在焊接曲线焊缝时，两根拉绳的速度可能不等，其大小应与搅拌针处微段的内外弯曲长度对一致。正是由于具有两根辅助拉绳和牵引装置、定滑轮、带焊缝跟踪装置的辅助多自由度机器人，才可使本发明能够焊接平面和空间曲线对接焊缝。同时，拉绳的总拉力等于两轴肩与工件的摩擦阻力、搅拌针与工件的前进阻力之和；由于拉绳的辅助拉伸作用，才使双轴肩搅拌头的上下轴肩与工件的摩擦阻力、搅拌针与工件的前进阻力由两拉绳承担，使搅拌针的受力状况得到极大改善，极大地减小了搅拌针的磨损和折断，增大了其焊接长度，可使其焊接较长和厚度更大的焊缝。对于分段壳体的纵向和有些横向部位，有许多直线和接近直线的对接焊缝，如甲板和两侧，可采用专利号为ZL201810824167.8的方式焊接，但对于曲率半径相对较小的曲线对接焊缝，则采用本发明焊接。对于多自由度机器人、拉绳和牵引装置的结构与参数，本发明只是提出接口技术要求，其不是本发明的内容，本发明人也没有这个能力，牵引装置的速度控制和多自由度机器人控制技术，现在已很成熟，但非常非常重要，其直接决定本发明是否能成功实现。

(4)见图1的编号4，当多自由度搅拌焊接机器人与搅拌针的前进速度不一致时，机器人将对搅拌针产生附加力和附加力矩，本发明提出了将搅拌针通过挠性联轴器、与多自由度的搅拌摩擦焊机的转轴相连的解决方案，例如挠性联轴器可以是单万向节或双万向节，这大大降低了搅拌摩擦焊机与拉绳的同步性要求，减小了对搅拌针的附加力和附加力矩，进一步减小了搅拌针折断可能性。事实上，挠性联轴器安装在搅拌摩擦焊机的转轴上，与搅拌针连接端如同钻头夹一样带有三爪夹紧装置，该挠性联轴器需定做，这里将其画的与搅拌针相连，只是为了便于说明。

(5)鉴于许多铁基合金船体采用分段焊接和零部件组装后、再拼焊的方法进行制造。在其横截面上，对在影响定滑轮前进拐弯的地方，本发明采用了开豁口的方法，见图3的101 和102；有些部位并不等厚，见图2的103和104，在不同厚度的交界处亦采用了开豁口的方法，不同厚度的焊缝分别采用不同的搅拌头焊接；而豁口的焊接块体可是通过锻压后再进行机械加工，再进行分次熔焊的方法进行焊接，该工艺已非常成熟，这里不再赘述。对于航空母舰和大型商船，横截面的四周焊缝均较长，不同部位采用不同的搅拌头焊接，这种划分方法亦可提高焊接速度。

至于以钛基合金、镍基合金等较高硬度和高熔点合金、含航空母舰在内的各类军舰、常规潜艇和核潜艇、深潜器、大型圆筒、大型平台、大型平板、大型运输机的对接焊缝，与前述焊接方法近似、这里不多赘述，对镁铝等轻合金的对接焊缝的焊接，无需采用加热装置，引入板也无需斜度。

搅拌头的材料可采用高熔点的钨铼合金，搅拌针可采用三棱柱或四棱柱的形状。鉴于在待焊件的凹向一侧，轴肩中部与工件存在微小间隙，因此在搅拌头前进的过程中，要求轴肩的周边某个时刻至少应与工件接触，使在焊缝至少在某个时间段存在顶锻压力的作用，这就要求在图纸设计和工艺焊缝位置设计时，使这个间隙不大于0.2mm，但具体值由试验和试制决定。

本发明将辅助拉绳和牵引装置作为一套辅助装置；定滑轮、带焊缝跟踪装置的辅助多自由度机器人当作一套辅助装置；电流加热装置当作一套辅助装置；挠性联轴器当作一套辅助装置，共计4套必须的辅助装置。至于超声波辅助装置，是一套可使焊缝晶粒更加细化的辅助装置，不是必须品，若使用则将使焊缝质量更好，但本发明并未计入，只是供使用者便于选用；借助加热装置的软化功能、拉绳的较大拉力作用、带凹槽轴肩的周向括平功能的三者联合使用，可使其能够焊接略含高低错位的对接焊缝。

附图说明

图1是一种带4套辅助装置的双轴肩搅拌头及其焊接厚件曲线对接焊缝的方法的示意图。

图2是曲线对接焊缝示意图。

图3是不同厚度和拐角处的对接焊缝和豁口示意图。

图4是带斜度的引入板示意图。

图5是拉绳牵引圈的示意图。

图中：

1.待焊工件；2.超声波传递杆；3.搅拌针；4.挠性联轴器；5.锁紧螺母；6. 防松垫圈；7.上部轴承；8.上部拉绳牵引圈；9.电极导柱孔；10.接线柱；11.拉绳；12.电极；13.上部轴肩；14.多自由度机器人的定滑轮支承臂(带焊缝跟踪装置)；15. 定滑轮；16.绝缘瓷圈；20.定滑轮；21.电极；22.多自由度机器人的定滑轮支撑臂(带焊缝跟踪装置)；23.拉绳；24.接线柱；25.带绝缘的电极导柱孔；26.下部拉绳牵引圈；27.隔离套筒；28.下部轴承；29.防松垫圈；30.锁紧螺母；31.下部轴肩；32.绝缘瓷圈；101.拐弯处豁口块；102.拐弯处豁口块；103.厚度不同处豁口块；104.厚度不同处豁口块；9a.电极导柱孔；200.电缆固定用螺孔。

具体实施方式

将截面已进行机械加工的两待焊工件或分段件、对接安装并固定，在焊缝的厚度方向应尽量减小高度错位并使之小于1mm或试制值，在宽度方向对压消除间隙，若偶有和少有间隙，该值不大于0.2mm或试验试制值，这两个方向均应夹装固定。对于搅拌头和拉绳等装置的组装、焊接过程，步骤如下：

(1)请参阅图1，在拉绳11、拉绳23的始端，分别穿过定滑轮15、定滑轮20，按照中间带小圆弧和端部带螺纹的2个接线柱10、24的大小打一个可方便取下和套入的节套(本发明建议相等)，并进行个压接，压接头不低于3个，备用。本发明建议拉绳最好为柔性高强度钢丝绳或碳纤维绳；

(2)请参阅图1，将上部拉绳牵引圈8、拉绳牵引圈26分别压入上部轴承7、下部轴承28的外圈，它们之间为小过盈配合；将绝缘瓷圈16、绝缘瓷圈32分别套入拉绳牵引圈 8、拉绳牵引圈26；将搅拌针3对套入待焊件的引入板的匙孔中；

(3)请参阅图1，将接线柱10穿过拉绳牵引圈的上耳孔后再套入拉绳11在本步(1)中已打好的节套后，再拧入下耳孔，对接线柱24和拉绳23亦做同样的操作；

(4)请参阅图1，将电极12上的导柱按图套入绝缘瓷圈16中；将电极21上的导柱按图套入绝缘瓷圈32中；

(5)请参阅图1，将已带有上部拉绳牵引圈8、电极12的上部轴承7套入搅拌针3 中；将防松垫圈6、锁紧螺母5依次套入、拧入搅拌针3，它们之间均为间隙配合；并将锁紧螺母5稍微拧紧；

(6)请参阅图1，将下部轴肩31拧入搅拌针3中，将隔离套筒27、已带有拉绳牵引圈26、电极21的下部轴承28套入搅拌针3中；将防松垫圈29、锁紧螺母30依次套入、拧入搅拌针3，它们之间均为间隙配合；并将锁紧螺母30稍微拧紧；

(7)请参阅图1，将拉绳11、拉绳23拉拽至与焊缝前进方向，使拉绳牵引圈8、拉绳牵引圈26的纵向转至焊缝前进方向；分别使用扭矩扳手按试制前要求的扭矩值即对应的压入量，拧紧锁紧螺母5、锁紧螺母30；

(8)请参阅图1，将拉绳11、拉绳23连接到其辅助牵引装置上，并分别绷紧，操作辅助牵引装置，使拉绳的拉力等于轴肩与待焊件的摩擦力和搅拌针的阻力之和，两根拉绳的拉力相等或相差不大，这样亦可消除拉绳的间隙和弹性；

(9)请参阅图1，操作带有焊缝跟踪装置和定滑轮支撑臂的辅助多自由度机器人15和20，使定滑轮15、20的平面分别和各自对应的焊缝和拉绳平面处于同一平面，设置焊缝跟踪装置的参数；

(10)请参阅图1，将挠性联轴器4两端分别与搅拌针3和多自由度搅拌焊接机器人的旋转主轴相联；

(11)请参阅图1，设置辅助牵引装置的合适速度，注意两根拉绳在不同的地方牵引速度可能不同；将电流加热器的电缆与电极12和电极21相连，启动辅助电流加热器，等待焊件表面加热到合适温度后，启动搅拌摩擦焊机和辅助牵引装置，开始焊接，直至搅拌头驶出引出板。

见图3，前面提到的各类船舶、含航空母舰在内的各类军舰、常规潜艇和核潜艇分段和豁口块，其每一段与前述相同，这里不再赘述。这样就可以对船舶等的纵向焊缝，分段大件的横向拼接焊缝，采用先进的双轴肩搅拌摩擦焊焊接。

至此，具体实施过程叙述完毕。但对说明书和说明书附图中未尽事宜部分，则进一步的说明如下：

①轴肩与待焊件表面产生的压缩量、干摩擦力、搅拌针单纯的前进阻力和合适的焊接参数，辅助电流加热器的电流和电压的大小、加热温度等，由具体待焊件的材料和厚度等决定，由理论计算和大量试验可以得到，供正式制造时使用；

②上下轴肩均小轴肩，通过文献可知，国内曾走过认为大轴肩较好的弯路，这也为本发明提供了借鉴，毕竟在大轴肩和工件弯曲部位将产生较大的间隙，这是不可取的；对于环形焊缝，即使在外侧，大轴肩也没有多大益处，轴肩也不能很好地锻压搅拌针处的金属，其与理论上和工件为线接触；

③本发明人只是机械大类的技术人员，本发明主要提出了解决厚件、甚至特厚各类钢件的曲线对接焊缝搅拌摩擦焊的机械部分的原理和方案，当然，亦适用于薄板类、中厚板类的焊接；本发明提到的牵引辅助装置、带焊缝跟踪装置和定滑轮的辅助多自由度机器人、电流加热装置，其内部均未提及，本发明只是对其提出了接口技术要求。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范畴，倘若这些改动或变形属于本发明的权利要求和等同技术范围内，则本发明也意图包含这些改动或变形。

Claims (4)

1.一种带4套辅助装置的双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头，其特征在于：包括辅助拉绳和牵引装置、辅助电流加热装置、定滑轮和带焊缝跟踪装置的辅助多自由度机器人、挠性联轴器，共4套辅助装置；这4套辅助装置极大地改善了搅拌头的受力状况，提高了搅拌头的焊接寿命和长度，使其适用于略有高低错位的直线、平面和空间曲线的等厚对接焊缝，材料可以是铁基、镍基和钛基等中厚、甚至特厚钢类件；

所述双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头包括：1个搅拌针、2个轴肩、2个轴承、2个防松垫圈、2个锁紧螺母、2个拉绳牵引圈、2个接线柱；其连接关系：上轴肩与搅拌针是一体式，上轴肩由3段阶梯组成，最下段与工件接触，起到传统轴肩的作用；中段则用来作为上轴承的支承内圈，上段则与上轴承的内圈间隙配合；上轴承外圈作为上部拉绳牵引圈小过盈连接，该轴承通过防松垫圈和锁紧螺母定位和紧固；下轴肩通过螺纹拧入搅拌针，下轴肩通过隔离套筒支承下轴承内圈，下轴承与搅拌针间隙配合，下部拉绳牵引圈与下轴承外圈小过盈连接。

2.鉴于辅助电流加热装置对焊缝金属的软化作用，采用在传统引入板的基础上增加一段斜坡，可使搅拌头在工作过程中可不减少预紧力，进而减少了焊缝的隧道型缺陷。

3.鉴于船体等采用分段焊接和零部件组装后、再拼焊的方法进行制造；在其横截面上，对在影响定滑轮前进拐弯的地方，采用了开豁口的方法；在不等厚部位，在不同厚度的交界处亦采用了开豁口的方法，相同厚度的焊缝采用相同的搅拌头焊接；当厚度不等时，采用不同的搅拌针焊接；对开豁口处的焊接，通过钢件锻压后再进行机械加工，再进行分次熔焊的方法进行焊接。

4.利用该带4套辅助装置的双轴肩搅拌头，焊接的步骤和方法为：

将截面已进行机械加工的两待焊工件或分段件除锈和除油后、对接安装并固定，在焊缝的厚度方向应尽量减小高度错位并使之小于1mm或试制值，在宽度方向对压消除间隙，若偶有和少有间隙，该值不大于0.2mm或试验试制值，这两个方向均应夹装固定；对于搅拌头和拉绳等辅助装置的组装、焊接过程，步骤如下：

(1)在两拉绳的始端，分别穿过两定滑轮，按照中间带小圆弧和端部带螺纹的2个接线柱的大小打一个可方便取下和套入的节套，并进行个压接，压接头不低于3个，备用；拉绳最好为柔性高强度钢丝绳或碳纤维绳；

(2)将两拉绳牵引圈分别压入两轴承的外圈，它们之间为小过盈配合；将两绝缘瓷圈分别套入两拉绳牵引圈；将搅拌针对套入待焊件的引入板的匙孔中；

(3)将2个接线柱分别穿过对应的拉绳牵引圈的一端耳孔后再套入拉绳步骤(1)中已打好的节套后，再拧入下另一端耳孔；

(4)将两电极上的导柱分别套入对应的两绝缘瓷圈中；

(5)将已带有拉绳牵引圈、电极的上部轴承套入搅拌针中；将防松垫圈、锁紧螺母依次套入、拧入搅拌针，它们之间均为间隙配合；并将锁紧螺母稍微拧紧；

(6)将下轴肩拧入搅拌针中，将隔离套筒、已带有拉绳牵引圈、电极的轴承套入搅拌针中；将防松垫圈、锁紧螺母依次套入、拧入搅拌针，它们之间均为间隙配合；并将锁紧螺母稍微拧紧；

(7)将两拉绳拉拽至与焊缝前进方向，使两拉绳牵引圈的纵向转至焊缝前进方向；分别使用扭矩扳手按试制前要求的扭矩值即对应的压入量，拧紧两锁紧螺母；

(8)将两拉绳连接到其辅助牵引装置上，并分别绷紧，操作辅助牵引装置，使拉绳的拉力等于轴肩与待焊件的摩擦力和搅拌针的阻力之和，两根拉绳的拉力相等或相差不大，这样亦可消除拉绳的间隙和弹性；

(9)操作两带有焊缝跟踪装置和定滑轮支撑臂的辅助多自由度机器人，使两定滑轮的平面分别和各自对应的焊缝和拉绳平面处于同一平面，设置焊缝跟踪装置的参数；

(10)将挠性联轴器两端分别与搅拌针和多自由度搅拌焊接机器人的旋转主轴相联；

(11)设置辅助牵引装置的合适速度，注意两根拉绳在不同的地方牵引速度可能不同；将电流加热器的电缆与两电极相连，启动辅助电流加热器，等待焊件表面加热到合适温度后，启动搅拌摩擦焊机和辅助牵引装置，焊接开始，直至搅拌头驶出引出板。

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