CN113894406A - 一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统及其焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统及其焊接方法，包括设置在工作台上的超声振动系统A与超声振动系统B；所述超声振动系统A为垂直于工作台设置的旋转超声振动系统；所述超声振动系统B与工作台成45度角设置的静置超声振动系统；超声振动系统A与超声振动系统B的下方设置有被焊工件。所述超声振动系统A包括垂直设置在机床主轴下部的超声波变幅杆外壳Ⅰ。本发明将结合两个不同方向的超声振源，一动一静，将旋转超声振动和静置超声振动二者结合，产生新的作用机制，进一步改善搅拌摩擦焊的焊接加工效果，提高焊接质量；同时，双振源将提供足够大的振幅，解决了由于振幅不足而无法完成搅拌摩擦焊接的问题。
Description
技术领域
本发明属于焊接加工技术领域，特别是涉及一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统及其焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是指利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，当焊具沿着焊接界面向前移动时，被塑性化的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝；目前将超声振动引入到金属材料搅拌摩擦焊焊接加工中可显著改善金属材料的焊接表面质量，降低焊接加工中出现影响加工效果的不稳定性因素。
在申请号为200610004059.3的中国发明专利公开了超声搅拌焊接方法及其装置，将轴向振动或扭振的超声振动引入搅拌摩擦焊接过程，用高频机械振动能量驱动高速转动中的搅拌摩擦焊头作高频振动，搅拌头振动能传给焊接区塑性金属，用超声振动与摩擦搅拌复合作用的方法形成焊接组织实现金属的焊接。
在申请号为201511009357.7的中国发明专利公开了一种底部施加超声振动的搅拌摩擦焊接装置及方法，本发明将超声从底部施加在搅拌针周围的被焊工件上，利用超声振动降低金属的变形抗力促进焊缝根部金属的流动，降低弱连接倾向，从而达到提高焊接质量的目的。
在申请号为202110122000.9的中国发明专利公开了一种超声搅拌摩擦焊焊接装置及其焊接方法，包括具有转轴的安装座、与所述安装座连接的静止轴肩、转动式安装在所述静止轴肩上的搅拌针、与所述静止轴肩连接的超声探头、与所述超声探头连接的变幅杆、与所述变幅杆连接的换能器，以及与所述换能器连接的超声波发生器；所述转轴转动式安装在所述安装座上，所述搅拌针与所述转轴连接且同轴转动。本发明还公开了一种超声搅拌摩擦焊接装置的焊接方法。
上述公开的专利文件中的技术方案均是将高频的的超声振动引入到焊接加工中，从加工效果来看，提高了金属材料焊缝位置处的焊接质量，在一定程度上，由于超声的软化作用，降低了搅拌摩擦焊的焊接温度，提高了焊接过程的流畅性。但是上述公开的专利文件中的装置及方法均由于超声振幅有限，所能提供的超声振动不能满足某些高硬度金属材料的焊接加工，使超声振动不能在焊接加工中发挥充足的作用，进而影响加工质量和加工效率。
发明内容
为实现上述发明的目的，本发明采取以下技术方案：
一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，包括设置在工作台上的超声振动系统A与超声振动系统B；所述超声振动系统A为垂直于工作台设置的旋转超声振动系统；所述超声振动系统B与工作台成45度角设置的静置超声振动系统；所述超声振动系统A与超声振动系统B的下方设置有被焊工件。
所述超声振动系统A包括垂直设置在机床主轴下部的超声波变幅杆外壳Ⅰ；所述超声波变幅杆外壳Ⅰ内设置有超声波换能器Ⅰ；所述超声波换能器Ⅰ的下部设置有垂直向下延伸出的超声波变幅杆Ⅰ；所述超声波变幅杆Ⅰ的末端设置有螺纹孔，在所述螺纹孔上连接有搅拌头并通过螺栓固定连接。
所述超声波换能器Ⅰ的一侧设置有超声波电源Ⅰ，并通过两者之间设置的导线电性连接。
所述超声波变幅杆Ⅰ与超声波换能器Ⅰ通过双头螺栓固定连接。
所述与工作台成45度角的超声振动系统B包括设置在机床本体一侧的支撑板；所述支撑板下部设置有与其固定连接的套筒；所述套筒的下部设置有超声波变幅杆外壳Ⅱ；所述超声波变幅杆外壳Ⅱ内设置有超声波换能器Ⅱ；所述超声波换能器Ⅱ的下部设置有与工作台成45度角设置的向下延伸出的超声波变幅杆Ⅱ；所述超声波变幅杆Ⅱ的末端设置有螺纹孔，在所述螺纹孔上连接有超声头并通过螺栓固定连接。
所述超声波换能器Ⅱ的一侧设置有超声波电源，并通过两者之间设置的导线电性连接。
所述超声波变幅杆Ⅱ与超声波换能器Ⅱ通过双头螺栓固定连接。
一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统的焊接方法，包括以下步骤：
第一步：准备超声波变幅杆外壳Ⅰ、超声波变幅杆外壳Ⅱ、超声波换能器Ⅰ、超声波换能器Ⅱ、超声波变幅杆Ⅰ、超声波变幅杆Ⅱ、搅拌头、超声头、超声波电源、导线、支撑板、套筒、被焊工件；
第二步：将两块被焊工件放置到工作台上设置的安装槽中，两块被焊工件紧贴对齐放置，使两块被焊工件的缝隙处在同一水平线；
第三步：将旋转超声振动系统各个部件依次连接，将搅拌头安装到超声波变幅杆Ⅰ的末端，将旋转超声振动系统的超声波变幅杆外壳Ⅰ与机床主轴连接，将静置超声振动系统的套筒通过支撑板与机床本体的外壳相连，静置超声振动系统与工作台的安装角度为45°；
第四步：机床主轴带动旋转超声振动系统旋转和水平方向运动，同时，机床外壳带动静置超声振动系统水平方向移动，即被焊工件静止，机床同时带动旋转超声振动系统和静置超声振动系统运动。移动工作台将被焊接工件移至工作台中间，机床主轴带动旋转超声振动系统和静置超声振动系统移动至被焊工件的右侧边缘；
第五步：设定机床运动参数，确定焊接参数；
第六步：设定旋转超声振动系统以及静置超声振动系统参数；
第七步：移动机床主轴将运动中的旋转超声振动系统的搅拌头移动至被焊工件边缘的正上方，此时，静置超声振动系统超声头的位置位于旋转超声振动系统搅拌头的右边。首先，将旋转超声振动系统搅拌头向下移动旋转扎入被焊工件中，待被焊工件融化，呈现流动状态时，匀速移动主轴向左移动；当旋转超声振动系统搅拌头向左移动一段距离时，静置超声振动系统超声头随即参与加工，即旋转超声振动系统搅拌头和静置超声振动系统超声头同步向左运动进行焊接加工。焊接过程中，旋转超声振动系统搅拌头将被焊接工件的焊缝融化，进行一次旋转超声焊接加工，紧接着45°方向的静置超声振动系统超声头对融化后的焊接材料又进行了一次静置的超声振动加工，两次振动不同方向不同位置不同动作状态，改变了被焊接材料的作用机制，进一步降低被焊接材料表面的波峰与波谷的距离，使得被加工材料的表面质量进一步提高；
第八步：焊接完成，待冷却后取下被焊工件。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
（1）焊接质量高
本发明的加工系统，从运动学的角度分析：垂直方向的旋转超声振动系统直接作用在金属材料上；与被焊工件表面成45°角方向上的静置超声振动系统作用在经过旋转超声振动系统搅拌过后的金属材料上，即作用在刚经搅拌金属材料正处于高温流动状态下的情形，经旋转超声振动和静置超声振动两种振动状态共同作用，使得焊接加工后的焊接质量得到大幅提升。从作用机理的角度分析：垂直方向的旋转超声振动作用在金属材料上以后，金属材料的焊缝处会形成不均匀的波峰与波谷，这种现象在一定程度上会影响金属材料焊缝处的焊接加工质量以及焊接强度；由于静置超声振动的引入，可以大幅消除此现象的产生，改变了对被焊接材料焊缝处的作用机制，大幅提高焊缝处的焊接表面质量与焊缝强度。
（2）超声振幅大
本发明的加工系统，提供两种不同形式的超声振动，一种是基于垂直方向的旋转超声振动，另外一种是45°方向的静置超声振动。两种不同形式的超声振动共同作用于同一个搅拌摩擦焊焊接加工中，即相当于叠加了两种不同形式的超声振动作用于同一条焊缝中，双倍振幅的引入提供了足够大的超声振动能量，使得可焊接加工的材料更加广泛，尤其涉及一些难焊接金属材料，极大的提高了焊接作用范围，可以有效解决由于振幅不足而无法完成搅拌摩擦焊接的问题。
附图说明
图1是双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统结构示意图。
图中：1、机床主轴，2、超声波变幅杆外壳Ⅰ，21、超声波变幅杆外壳Ⅱ，3、超声波换能器Ⅰ，31、超声波换能器Ⅱ，4、超声波变幅杆Ⅰ，41、超声波变幅杆Ⅱ，5、搅拌头，51、超声头，6、双头螺栓，7、超声波电源，8、导线，9、支撑板，10、套筒，11、被焊工件，12、工作台。
具体实施方式
结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明，但不局限于以下实施例 。
如图1所示一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，包括超声振动系统A与超声振动系统B；所述超声振动系统A垂直于工作台12设置的旋转超声振动系统；所述超声振动系统B与工作台12成45度角设置的静置超声振动系统；所述超声振动系统A与超声振动系统B的下方设置有水平放置在工作台12上的被焊工件11。所述超声振动系统A包括垂直设置在机床主轴1下部的超声波变幅杆外壳Ⅰ2；所述超声波变幅杆外壳Ⅰ2内设置有超声波换能器Ⅰ3；所述超声波换能器Ⅰ3的下部设置有垂直向下延伸出的超声波变幅杆Ⅰ4；所述超声波变幅杆Ⅰ4的末端设置有螺纹孔，在所述螺纹孔上连接有搅拌头5并通过螺栓固定连接；所述超声波变幅杆Ⅰ4与超声波换能器Ⅰ3通过双头螺栓6固定连接；所述搅拌头5的圆端面与超声变幅杆Ⅰ3的端面紧密连接，通过螺栓连使搅拌头5与超声波变幅杆Ⅰ3连接实现径向定位；所述超声波换能器Ⅰ3的一侧设置有超声波电源7；所述超声波换能器Ⅰ3通过导线8与超声波电源7电性连接；所述超声波电源Ⅰ7产生高频电能，通过所述导线8将电能传递给所述超声波换能器Ⅰ3，所述超声波换能器Ⅰ3将高频电能转换成相应频率的机械振动，所述超声波变幅杆Ⅰ4将所述超声波换能器Ⅰ3产生的高频机械振动进行放大，并传递给所述搅拌头5。
所述与工作台12成45度角的超声振动系统B包括设置在机床本体一侧的支撑板9；所述支撑板9下部设置有与其固定连接的套筒10；所述套筒10的下部设置有超声波变幅杆外壳Ⅱ21；所述超声波变幅杆外壳Ⅱ21内设置有超声波换能器Ⅱ31；所述超声波换能器Ⅱ31的下部设置有与工作台12成45度角设置的向下延伸出的超声波变幅杆Ⅱ41；所述超声波变幅杆Ⅱ41的末端设置有螺纹孔，在所述螺纹孔上连接有超声头51并通过螺栓固定连接。所述超声波换能器Ⅱ31的一侧设置有超声波电源7；所述超声波变幅杆Ⅱ41与超声波换能器Ⅱ31通过双头螺栓6固定连接；所述超声波换能器Ⅱ31通过导线8与超声波电源7电性连接；所述超声波电源7产生高频电能，通过所述导线8将电能传递给所述超声波换能器Ⅱ31，所述超声波换能器Ⅱ31将高频电能转换成相应频率的机械振动，所述超声波变幅杆Ⅱ41将所述超声波换能器Ⅱ31产生的高频机械振动进行放大，并传递给所述超声头51。
本发明在使用时，机床主轴1带动垂直于被焊工件11上方的超声振动系统A旋转，所述搅拌头5沿着所述被焊工件11表面垂直方向进给，所述传递至搅拌头5的高频振动方向与其进给方向垂直，所述搅拌头5传递至所述被焊工件11的高频振动旋转作用在所述被焊工件11上，超声振动起到降低焊接应力和温度的作用，抑制焊接过程出现的不利因素，提高焊接效果和所述超声头51的使用寿命；与所述工作台12成45度角的超声振动系统B提供静置超声振动，45度方向上的静置超声振动作用在融化的焊缝材料中，进一步降低所述被焊工件11表面的粗糙度，进一步提高所述被焊工件11的焊接强度，进一步降低焊接过程所产生的热量，经过旋转超声振动与静置超声振动，所述被焊工件11表面的焊接质量进一步提高。本发明公布的一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，将结合两个不同方向的超声振源，一动一静，将旋转超声振动和静置超声振动二者结合，产生新的作用机制，进一步改善搅拌摩擦焊的焊接加工效果，提高焊接质量，同时，双振源将提供足够大的振幅，解决了由于振幅不足而无法完成搅拌摩擦焊接的问题。
一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统的焊接方法，包括以下步骤：
第一步：准备超声波变幅杆外壳Ⅰ2、超声波变幅杆外壳Ⅱ21、超声波换能器Ⅰ3、超声波换能器Ⅱ31、超声波变幅杆Ⅰ4、超声波变幅杆Ⅱ41、搅拌头5、超声头51、超声波电源7、导线8、支撑板9、套筒10、被焊工件11；
第二步：将两块被焊工件11放置到工作台12上设置的安装槽中，两块被焊工件11紧贴对齐放置，使两块被焊工件11的缝隙处在同一水平线；
第三步：将旋转超声振动系统各个部件依次连接，将搅拌头5安装到超声波变幅杆Ⅰ4的末端，将旋转超声振动系统的超声波变幅杆外壳Ⅰ2与机床主轴1连接，将静置超声振动系统的套筒10通过支撑板9与机床本体的外壳相连，静置超声振动系统与工作台12的安装角度为45°；
第四步：机床主轴1带动旋转超声振动系统旋转和水平方向运动，同时，机床外壳带动静置超声振动系统水平方向移动，即被焊工件11静止，机床同时带动旋转超声振动系统和静置超声振动系统运动。移动工作台12将被焊接工件移至工作台12中间，机床主轴1带动旋转超声振动系统和静置超声振动系统移动至被焊工件11的右侧边缘；
第五步：设定机床运动参数，确定焊接参数；
第六步：设定旋转超声振动系统以及静置超声振动系统参数；
第七步：移动机床主轴1将运动中的旋转超声振动系统的搅拌头5移动至被焊工件11边缘的正上方，此时，静置超声振动系统超声头51的位置位于旋转超声振动系统搅拌头5的右边。首先，将旋转超声振动系统搅拌头5向下移动旋转扎入被焊工件11中，待被焊工件11融化，呈现流动状态时，匀速移动主轴向左移动；当旋转超声振动系统搅拌头5向左移动一段距离时，静置超声振动系统超声头51随即参与加工，即旋转超声振动系统搅拌头5和静置超声振动系统超声头51同步向左运动进行焊接加工。焊接过程中，旋转超声振动系统搅拌头5将被焊接工件的焊缝融化，进行一次旋转超声焊接加工，紧接着45°方向的静置超声振动系统超声头51对融化后的焊接材料又进行了一次静置的超声振动加工，两次振动不同方向不同位置不同动作状态，改变了被焊接材料的作用机制，进一步降低被焊接材料表面的波峰与波谷的距离，使得被加工材料的表面质量进一步提高；
第八步：焊接完成，待冷却后取下被焊工件11。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，包括设置在工作台（12）上的超声振动系统A与超声振动系统B；其特征是：所述超声振动系统A为垂直于工作台（12）设置的旋转超声振动系统；所述超声振动系统B与工作台（12）成45度角设置的静置超声振动系统；所述超声振动系统A与超声振动系统B的下方设置有水平放置在工作台（12）上的被焊工件（11）。
2.根据权利要求1所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，其特征是：所述超声振动系统A包括垂直设置在机床主轴（1）下部的超声波变幅杆外壳Ⅰ（2）；所述超声波变幅杆外壳Ⅰ（2）内设置有超声波换能器Ⅰ（3）；所述超声波换能器Ⅰ（3）的下部设置有垂直向下延伸出的超声波变幅杆Ⅰ（4）；所述超声波变幅杆Ⅰ（4）的末端设置有螺纹孔，在所述螺纹孔上连接有搅拌头（5）并通过螺栓固定连接。
3.根据权利要求2所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，其特征是：所述超声波换能器Ⅰ（3）的一侧设置有超声波电源（7），并通过两者之间设置的导线（8）电性连接。
4.根据权利要求2所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，其特征是：所述超声波变幅杆Ⅰ（4）与超声波换能器Ⅰ（3）通过双头螺栓（6）固定连接。
5.根据权利要求1所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，其特征是：所述与工作台（12）成45度角的超声振动系统B包括设置在机床本体一侧的支撑板（9）；所述支撑板（9）下部设置有与其固定连接的套筒（10）；所述套筒（10）的下部设置有超声波变幅杆外壳Ⅱ（21）；所述超声波变幅杆外壳Ⅱ（21）内设置有超声波换能器Ⅱ（31）；所述超声波换能器Ⅱ（31）的下部设置有与工作台（12）成45度角设置的向下延伸出的超声波变幅杆Ⅱ（41）；所述超声波变幅杆Ⅱ（41）的末端设置有螺纹孔，在所述螺纹孔上连接有超声头（51）并通过螺栓固定连接。
6.根据权利要求5所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，其特征是：所述超声波换能器Ⅱ（31）的一侧设置有超声波电源（7），并通过两者之间设置的导线（8）电性连接。
7.根据权利要求5所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统，其特征是：所述超声波变幅杆Ⅱ（41）与超声波换能器Ⅱ（31）通过双头螺栓（6）固定连接。
8.一种利用根据权利要求1所述的双振源超声搅拌摩擦焊焊接加工系统的焊接方法，其特征是：包括以下步骤：
第一步：准备超声波变幅杆外壳Ⅰ（2）、超声波变幅杆外壳Ⅱ（21）、超声波换能器Ⅰ（3）、超声波换能器Ⅱ（31）、超声波变幅杆Ⅰ（4）、超声波变幅杆Ⅱ（41）、搅拌头（5）、超声头、超声波电源（7）、导线（8）、支撑板（9）、套筒（10）、被焊工件（11）；
第二步：将两块被焊工件放置到工作台（12）上设置的安装槽中，两块被焊工件（11）紧贴对齐放置，使两块被焊工件（11）的缝隙处在同一水平线；
第三步：将旋转超声振动系统各个部件依次连接，将搅拌头（5）安装到超声波变幅杆Ⅰ（4）的末端，将旋转超声振动系统的超声波变幅杆外壳Ⅰ（2）与机床主轴（1）连接，将静置超声振动系统的套筒（10）通过支撑板（9）与机床本体的外壳相连，静置超声振动系统与工作台（12）的安装角度为45°；
第四步：机床主轴（1）带动旋转超声振动系统旋转和水平方向运动，同时，机床外壳带动静置超声振动系统水平方向移动，即被焊工件（11）静止，机床同时带动旋转超声振动系统和静置超声振动系统运动，移动工作台（12）将被焊接工件（11）移至工作台（12）中间，机床主轴（1）带动旋转超声振动系统和静置超声振动系统移动至被焊工件（11）的右侧边缘；
第五步：设定机床运动参数，确定焊接参数；
第六步：设定旋转超声振动系统以及静置超声振动系统参数；
第七步：移动机床主轴（1）将运动中的旋转超声振动系统的搅拌头（5）移动至被焊工件（11）边缘的正上方，此时，静置超声振动系统超声头（51）的位置位于旋转超声振动系统搅拌头（5）的右边，首先，将旋转超声振动系统搅拌头（5）向下移动旋转扎入被焊工件（11）中，待被焊工件（11）融化，呈现流动状态时，匀速移动主轴向左移动；当旋转超声振动系统搅拌头（5）向左移动一段距离时，静置超声振动系统超声头（51）随即参与加工，即旋转超声振动系统搅拌头（5）和静置超声振动系统超声头（51）同步向左运动进行焊接加工，焊接过程中，旋转超声振动系统搅拌头（5）将被焊工件（11）的焊缝融化，进行一次旋转超声焊接加工，紧接着45°方向的静置超声振动系统超声头（51）对融化后的焊接材料又进行了一次静置的超声振动加工，两次振动不同方向不同位置不同动作状态，改变了被焊接材料的作用机制，进一步降低被焊接材料表面的波峰与波谷的距离，使得被焊工件（11）的表面质量进一步提高；
第八步：焊接完成，待冷却后取下被焊工件。
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|---|---|---|---|---|
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2021
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