CN113492256A - 一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种压力‑位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，壳体采用中空结构，转轴通过轴承组设置在壳体内，转轴的尾端通过刀柄与搅拌针的首端相连；外活塞与壳体的下部相连，油封盖与壳体的尾端固定相连，油封盖采用中空结构，在外活塞、壳体和油封盖之间形成一油腔；轴肩固定环与外活塞的底部固定相连，轴肩过渡环通过轴肩固定环与静止轴肩相连，搅拌针贯穿静止轴肩，并伸出静止轴肩外。本装置实现了搅拌摩擦焊接焊缝全焊透，静止过程稳定，同时该装置具有结构紧凑、灵活等优点。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，更具体地说涉及一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置。
背景技术
搅拌摩擦焊(FSW)技术自1991年由英国焊接研究所(TWI)发明以来，凭借焊接接头质量高、自动化程度高、绿色无污染等优点广泛应用在铝合金、镁合金等轻金属合金连接中。搅拌头是搅拌摩擦焊设备的重要组成，是搅拌摩擦焊技术的核心。搅拌头由轴肩、搅拌针、搅拌头夹持部分组成。
搅拌摩擦焊接过程中，搅拌针通过旋转产生焊接热量，并且带动搅拌针周围材料流动形成焊接接头；轴肩一方面对表面塑性金属起包陇作用，防止表面塑性金属外溢，造成缺陷，一方面与表面金属摩擦产生热源，轴肩摩擦是搅拌摩擦焊重要的热源组成。焊接过程的70％-80％的摩擦热产生于旋转轴肩与工件表面，但大部分的热量作为无效能量对周围材料产生负面影响并散失在环境中，其余热量沿板厚方向传递形成焊缝不均匀的热输入，产生较大的温度梯度。在厚板和导热性较差板材的焊接中，接头热量的不均匀性分布将导致力学性能的不均匀性，焊接接头局部变形，接头过早失效。
为克服传统搅拌摩擦焊(FSW)技术的局限性，英国焊接研究所(TWI)开发出静止轴肩搅拌摩擦焊(SSFSW)技术。焊接过程中旋转的搅拌针插入待焊工件，静止轴肩与工件表面紧密接触，依靠旋转的搅拌针与周围材料摩擦产生热量时焊缝金属呈现粘塑性状态，搅拌针的旋转带动周围材料从前进侧向后退侧流动形成焊缝。焊接过程中轴肩不旋转，焊缝表面不产生弧纹、减少飞边及抑制孔洞。静止轴肩搅拌摩擦焊(SSFSW)技术具有热输入低、焊缝成型好、残余应力和变形小等优点。
焊接过程中，由于待焊工件形位尺寸偏差、材料表面凹凸不平造成焊接过程工艺不稳定。轴肩与工件表面接触过紧，轴向压力增大导致焊缝表面金属被挤出，造成飞边缺陷和焊缝减薄；轴向压力过小导致焊缝表面成型差。工件厚度发生变化时，搅拌针在待焊工件中的扎入深度将随之改变。搅拌针扎入深度小会造成焊缝形成根部未焊透缺陷；反之，搅拌针扎入过深会导致搅拌针与垫板接触，损坏搅拌针，甚至对搅拌摩擦焊设备造成损坏。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，现有的主焊头装置存在焊接工艺不稳定，根部未焊透等问题，提供了一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，本装置实现了搅拌摩擦焊接焊缝全焊透，静止过程稳定，同时该装置具有结构紧凑、灵活等优点。
本发明的目的通过下述技术方案予以实现。
一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，包括夹持系统、液压系统和静止轴肩系统。
所述夹持系统包括壳体、转轴、刀柄和搅拌针，所述壳体采用中空结构，所述转轴通过轴承组设置在所述壳体内，所述转轴的尾端通过所述刀柄与所述搅拌针的首端相连；
所述液压系统包括外活塞、油腔和油封盖，所述外活塞活动安装在所述壳体的下部，所述外活塞沿着所述壳体的轴向上下运动，所述油封盖与所述壳体的尾端固定相连，所述油封盖采用中空结构，在所述外活塞、所述壳体和所述油封盖之间形成一油腔，油腔用于调节外活塞的轴向位移；
所述静止轴肩系统包括静止轴肩、轴肩过渡环和轴肩固定环，所述轴肩固定环与所述外活塞的尾端固定相连，通过外活塞的上下移动带动静止轴肩系统在轴向上移动，以实现静止轴肩系统对待焊工件施加恒定压力的目的，所述轴肩过渡环通过所述轴肩固定环与所述静止轴肩相连，所述搅拌针贯穿所述静止轴肩，并伸出所述静止轴肩外。
所述主轴头装置还包括支撑架和位移传感器，所述支撑架的首端与所述壳体的外侧固定相连，所述支撑架的尾端与所述位移传感器相连，所述位移传感器用于实时检测待焊工件的板厚变化并将数据实时调整发送至控制系统，由控制系统再控制液压系统调整其输出压力，即使得外活塞发生移动进而带动静止轴肩系统移动，以达到搅拌针轴向位移的实时控制的目的。
所述轴承组的数量为2组，所述轴承组分别沿所述转轴由上至下按组设置，位于转轴上部的轴承组的轴承数量为2个，位于转轴下部的轴承组的轴承数量为4个。
所述轴承采用角接触轴承。
相邻的所述轴承之间由外而内依次设置外隔圈和内隔圈，在位于最尾端的轴承后端设置有用于固定轴承的紧密锁紧螺母。
所述轴肩固定环通过内六角螺钉与所述外活塞的底部固定相连，所述轴肩固定环的内径大于所述刀柄的最大外径，以达到在不拆卸轴肩固定环的前提下能够拆卸和更换刀柄。
所述轴肩过渡环通过内六角螺钉与所述轴肩固定环固定相连，所述轴肩过渡环采用中空的圆锥形结构，所述轴肩过渡环的大开口的内径与所述轴肩固定环的内径相同，所述轴肩过渡环的小开口的内径大于刀柄夹持搅拌针的部分的外径。
在所述轴肩过渡环的侧面均匀开设有四个通孔，所述通孔与所述刀柄的侧边的顶丝孔一一对应设置，以达到在不拆卸轴肩过渡环的前提下能够安装和更换搅拌针。
所述静止轴肩通过内六角螺钉与所述轴肩过渡环固定相连。
所述搅拌针的夹持部分沿轴向设置有四个对称的平面，所述平面与所述顶丝孔一一对应，所述搅拌针通过顶丝与所述刀柄相连，所述顶丝贯穿所述通孔和所述顶丝孔，以达到搅拌针的安装与更换仅需拆卸静止轴肩，而无需拆卸轴肩过渡环和轴肩固定环的目的。
本发明的有益效果为：本发明装置将液压系统的活塞杆通过导向键与壳体连接，减小主轴的长度，节约空间，同时提高了设备的刚性与稳定性；静止轴肩、轴肩过渡环、轴肩固定环设计紧凑合理，拆卸静止轴肩可以实现搅拌头的安装与更换，拆卸静止轴肩与过渡环可以实现刀柄的拆装与更换；采用静止轴肩与搅拌针分离式的搅拌头结构，静止轴肩与液压系统的外活塞连接，实现了静止轴肩系统对待焊工件施加恒定压力；搅拌针采用位移控制，通过搅拌摩擦焊设备上的位移传感器实时检测板厚变化并将数据实时调整至控制系统，实现了搅拌针轴向位移的实时控制；本发明装置解决了搅拌摩擦焊接焊缝出现未焊透缺陷的问题和由于工件形位尺寸差异造成的焊接工艺不稳定的问题，实现了搅拌摩擦焊接焊缝全焊透，静止过程稳定。同时本发明装置具有结构紧凑、灵活等优点。
附图说明
图1为本发明的内部结构示意图；
图2为本发明的外部结构示意图；
图中：1为搅拌针；2为静止轴肩；3为轴肩过渡环；4为轴肩固定环；5为外活塞；6为壳体；7为转轴；8为轴承组；9为紧密锁紧螺母；10为刀柄；11为油封盖；12为油腔；13为外隔圈；14为内隔圈；15为压力传感器；16为待焊工件；17为支撑架；18为位移传感器。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
实施例一
一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，包括夹持系统、液压系统和静止轴肩系统，
夹持系统包括壳体6、转轴7、刀柄10和搅拌针1，壳体6采用中空结构，转轴7通过轴承组8设置在壳体6内，转轴6的尾端通过刀柄7与搅拌针1的首端相连；
液压系统包括外活塞5、油腔12和油封盖11，外活塞5与壳体6的下部通过导向键相连，外活塞5沿壳体6的外壁上下移动，油封盖11与壳体6的尾端固定相连，油封盖11采用中空结构，在外活塞5、壳体6和油封盖11之间形成一油腔12，油腔12用于调节外活塞5的轴向位移；
静止轴肩系统包括静止轴肩2、轴肩过渡环3和轴肩固定环4，轴肩固定环4与外活塞5的尾端固定相连，通过外活塞5的上下移动带动静止轴肩系统在轴向上移动，以实现静止轴肩系统对待焊工件16施加恒定压力的目的，轴肩过渡环3通过轴肩固定环4与静止轴肩2相连，搅拌针1贯穿静止轴肩2，并伸出静止轴肩2外。
实施例二
在实施例一的基础上，主轴头装置还包括支撑架17和位移传感器18，支撑架17的首端与壳体6的外侧固定相连，支撑架17的尾端与位移传感器18相连，位移传感器18用于实时检测待焊工件16的板厚变化并将数据实时调整发送至控制系统，由控制系统再控制液压系统调整其输出压力，即使得外活塞5发生移动进而带动静止轴肩系统移动，以达到搅拌针1轴向位移的实时控制的目的。
实施例三
在实施例二的基础上，轴承组8的数量为2组，轴承组8分别沿转轴7由上至下按组设置，位于转轴7上部的轴承组8的轴承数量为2个，位于转轴7下部的轴承组8的轴承数量为4个。
轴承采用角接触轴承。
相邻的轴承之间由外而内依次设置外隔圈13和内隔圈14，在位于最尾端的轴承后端设置有用于固定轴承的紧密锁紧螺母9。
实施例四
在实施例三的基础上，轴肩固定环4通过内六角螺钉与外活塞5的底部固定相连，轴肩固定环4的内径大于刀柄10的最大外径，以达到在不拆卸轴肩固定环4的前提下能够拆卸和更换刀柄10。
轴肩过渡环3通过内六角螺钉与轴肩固定环4固定相连，轴肩过渡环3采用中空的圆锥形结构，轴肩过渡环3的大开口的内径与轴肩固定环4的内径相同，轴肩过渡环3的小开口的内径大于刀柄10夹持搅拌针1的部分的外径。
在轴肩过渡环3的侧面均匀开设有四个通孔，通孔与刀柄10的侧边的顶丝孔一一对应设置，以达到在不拆卸轴肩过渡环3的前提下能够安装和更换搅拌针1。
静止轴肩2通过内六角螺钉与轴肩过渡环3固定相连。
搅拌针1的夹持部分沿轴向设置有有四个对称的平面，平面与顶丝孔一一对应，搅拌针1通过顶丝与刀柄10相连，顶丝贯穿通孔和顶丝孔，以达到搅拌针1的安装与更换仅需拆卸静止轴肩2，而无需拆卸轴肩过渡环3和轴肩固定环4的目的。
使用时，首先通过刀柄上的顶丝将搅拌针固定，然后，静止轴肩通过内六角螺丝与轴肩过渡环连接，焊接过程中，搅拌针采用位移控制：搅拌摩擦焊设备上安装位移传感器，位移传感器在运动的过程中实时检测焊缝厚度变化，并将焊缝厚度的变化实时传输至控制系统，由控制系统实时调整搅拌针的轴向位置，保持搅拌针在待焊试板中合适的扎入深度，实现搅拌针的轴向位移控制。其次焊接工况变化导致轴肩与待焊试板之间压力发生波动时，由于轴肩要保持恒定压力输出，需要有压力检测装置，压力传感器是测量轴肩压力的一种方式，采用压力传感器测量轴肩压力值准确性高，压力传感器设置在轴肩过渡环内，通过压力传感器检测到轴肩的压力值变化并将结果反馈给控制系统，控制系统通过液压系统的进入油口调整油腔内油压，实现液压系统对静止轴肩的恒定压力输出，从而实现静止轴肩对工件表面施加恒亚历的目的。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：包括夹持系统、液压系统和静止轴肩系统，
所述夹持系统包括壳体、转轴、刀柄和搅拌针，所述壳体采用中空结构，所述转轴通过轴承组设置在所述壳体内，所述转轴的尾端通过所述刀柄与所述搅拌针的首端相连；
所述液压系统包括外活塞、油腔和油封盖，所述外活塞活动安装在所述壳体的下部，所述外活塞沿着所述壳体的轴向上下运动，所述油封盖与所述壳体的尾端固定相连，所述油封盖采用中空结构，在所述外活塞、所述壳体和所述油封盖之间形成一油腔，油腔用于调节外活塞的轴向位移；
所述静止轴肩系统包括静止轴肩、轴肩过渡环和轴肩固定环，所述轴肩固定环与所述外活塞的尾端固定相连，通过外活塞的上下移动带动静止轴肩系统在轴向上移动，以实现静止轴肩系统对待焊工件施加恒定压力的目的，所述轴肩过渡环通过所述轴肩固定环与所述静止轴肩相连，所述搅拌针贯穿所述静止轴肩，并伸出所述静止轴肩外。
2.根据权利要求1所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述主轴头装置还包括支撑架和位移传感器，所述支撑架的首端与所述壳体的外侧固定相连，所述支撑架的尾端与所述位移传感器相连，所述位移传感器用于实时检测待焊工件的板厚变化并将数据实时调整发送至控制系统，由控制系统再控制液压系统调整其输出压力，即使得外活塞发生移动进而带动静止轴肩系统移动，以达到搅拌针轴向位移的实时控制的目的。
3.根据权利要求2所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述轴承组的数量为2组，所述轴承组分别沿所述转轴由上至下按组设置，位于转轴上部的轴承组的轴承数量为2个，位于转轴下部的轴承组的轴承数量为4个。
4.根据权利要求3所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述轴承采用角接触轴承。
5.根据权利要求4所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：相邻的所述轴承之间由外而内依次设置外隔圈和内隔圈，在位于最尾端的轴承后端设置有用于固定轴承的紧密锁紧螺母。
6.根据权利要求1所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述轴肩固定环通过内六角螺钉与所述外活塞的底部固定相连，所述轴肩固定环的内径大于所述刀柄的最大外径，以达到在不拆卸轴肩固定环的前提下能够拆卸和更换刀柄。
7.根据权利要求6所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述轴肩过渡环通过内六角螺钉与所述轴肩固定环固定相连，所述轴肩过渡环采用中空的圆锥形结构，所述轴肩过渡环的大开口的内径与所述轴肩固定环的内径相同，所述轴肩过渡环的小开口的内径大于刀柄夹持搅拌针的部分的外径。
8.根据权利要求7所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：在所述轴肩过渡环的侧面均匀开设有四个通孔，所述通孔与所述刀柄的侧边的顶丝孔一一对应设置，以达到在不拆卸轴肩过渡环的前提下能够安装和更换搅拌针。
9.根据权利要求8所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述静止轴肩通过内六角螺钉与所述轴肩过渡环固定相连。
10.根据权利要求9所述的一种压力-位移协同控制静止轴肩搅拌摩擦焊主轴头装置，其特征在于：所述搅拌针的夹持部分沿轴向设置有有四个对称的平面，所述平面与所述顶丝孔一一对应，所述搅拌针通过顶丝与所述刀柄相连，所述顶丝贯穿所述通孔和所述顶丝孔，以达到搅拌针的安装与更换仅需拆卸静止轴肩，而无需拆卸轴肩过渡环和轴肩固定环的目的。
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