CN114012242A - 一种轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头及焊接方法 - Google Patents
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Abstract
一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，包括搅拌针和对称设置于搅拌针上、下两端的上轴肩组件、下轴肩组件。通过焊接过程在线检测当前焊接厚度以及上下液压腔的压力，利用液压系统驱动上下轴肩轴向运动以调节上下轴肩的距离，实现上下轴肩距离根据板厚波动的自适应调节，提高双轴肩搅拌摩擦焊接工艺稳定性，避免焊接过程中因为装配及工件加工精度导致上下轴肩对工件压入不均匀甚至与型面分离而导致的焊接质量问题。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头及方法。
背景技术
搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，通过旋转的轴肩和搅拌针与被焊金属之间的摩擦热及搅拌针的挤压、搅拌作用，使被焊金属发生塑性流动，从而形成牢固连接。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁合金等高性能的金属材料焊接中，避免了传统熔化焊接气孔、裂纹等缺陷，增强了焊缝质量，综合力学性能良好，减小焊接变形，节省了焊材，在造船、航空航天及轨道交通等领域得到广泛的推广和应用。其中双轴肩搅拌摩擦焊接是通过上下轴肩夹持工件，下轴肩代替了常规搅拌摩擦焊的垫板装置，上下轴肩的结构形式使上下轴肩的顶锻力大小相当但相反，实现自支撑焊接，对设备的负载要求较小，对焊接工装的要求较小，尤其能够实现背部不能施加支撑工装结构的搅拌摩擦焊接；同时，由于搅拌针穿过整个板厚进行焊接，可以从根本上消除常规单轴肩搅拌摩擦焊根部焊缝弱连接及未焊透缺陷。
目前，双轴肩搅拌摩擦焊接采用的搅拌头在焊接过程中上下轴肩距离固定不变，对焊接工件的板厚波动没有适应性，使得上、下轴肩压入量不同而影响焊接质量，甚至导致上轴肩或下轴肩(尤其是后者)与工件表面分离而产生焊接缺陷导致焊接失败。现有的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头是通过在上轴肩设置导向槽结构，再与导向套配合来实现焊接时搅拌头整体轴向运动，但依然不能实现上下轴肩距离随板厚波动的自适应调节。实际生产中，焊前根据本次焊接的工件理论厚度选定对应上下轴肩距离的双轴肩搅拌头，焊接过程中不能更换、也不能调节上下轴肩距离，但工件受型面及壁厚加工误差等因素影响，导致原本设计厚度相同的整条焊缝其焊接厚度存在波动(对于诸如火箭燃料贮箱、轨道列车车体以及船舶等大型焊接结构，一条焊缝长达数米至十数米甚至更长，受加工精度影响，整条焊缝不同部位以及不同批次同一零部件焊缝的焊接厚度存在0.1～0.5mm的波动，实际生产中这类情况不可避免)，由于上下轴肩距离不能适应板厚波动且自动调节，导致焊缝产生严重的飞边而减小焊缝厚度使得接头承载能力降低，甚至导致搅拌头断裂；此外，同一产品上往往存在大量焊接厚度相差仅2mm以内的焊接结构，为了解决搅拌头对焊接厚度波动的适应性问题，当前实际生产中，对搅拌针长每间隔0.2mm制备对应一个搅拌头，导致搅拌头数量庞大、成本高、管理繁琐。上述问题是制约双轴肩搅拌摩擦焊接过程稳定性以及推广应用的关键瓶颈。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提供一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头及方法，实现搅拌摩擦焊接过程中上下轴肩距离不能根据焊接厚度自适应调节。
为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，包括搅拌针和对称设置于搅拌针上、下两端的上轴肩组件、下轴肩组件；
所述上轴肩组件包括上腔体、上轴肩，所述上腔体、上轴肩从上向下依次套设于搅拌针上端外部，其中，上腔体与搅拌针固连，上轴肩分别与上腔体、搅拌针滑动且密封连接；上轴肩与上腔体之间的空间构成上液压腔，所述搅拌针上带有与所述上液压腔连通的上注液孔；
所述下轴肩组件包括下腔体、下轴肩，所述下腔体、下轴肩从下向上依次套设于搅拌针下端外部，其中，下腔体与搅拌针固连，下轴肩分别与下腔体、搅拌针滑动且密封连接；下轴肩与下腔体之间的空间构成下液压腔，所述搅拌针上端带有与所述下液压腔连通的下注液孔；
所述上注液孔、下注液孔通过接头与液压系统连接。
采用上述双轴肩搅拌头进行产品焊接的方法如下：
1、生产前，以焊接质量及接头性能满足要求且最优为依据，通过工艺试验确定焊接段厚度、轴肩距离、液压力三者之间数据对应关系，建立数据库；其中，所述轴肩距离为上轴肩与下轴肩的距离，液压力为保持上轴肩、下轴肩对被焊接产品上下表面的顶锻力相等所需的上液压腔、下液压腔的压力；
2、在搅拌头沿焊接方向的前端安装厚度检测仪，厚度检测仪与上液压腔、下液压腔的液压系统通过控制系统联动控制，焊接过程中，厚度检测仪在线检测被焊接产品的待焊接段厚度并把数据输入控制系统；
3、控制系统以焊接段厚度作为输入，与数据库作对比，得到待焊接段厚度所需的轴肩距离、液压力，再将待焊接段对应的液压力与当前焊接段所用的液压力进行比较，将二者的差值作为输出，实时反馈至上液压系统，从而驱动上轴肩、下轴肩轴向运动以调节上下轴肩的距离，实现轴肩距离根据焊接段厚度波动的自适应调节。
具体的，焊接时根据被焊接产品的最大厚度提前调好上腔体、下腔体的位置并锁死固定，上腔体利用夹持部顶紧锁死，下腔体利用锁紧螺母顶紧锁死，其中上腔体、下腔体、夹持部、锁紧螺母都是通过螺纹连接方式安装在搅拌针上。
具体的，所述搅拌针位于上腔体的上端处还螺接夹持部，所述夹持部用于与搅拌焊接数控设备连接，从而将双轴肩搅拌头与数控设备连接。
具体的，所述搅拌针位于下腔体的下端处还螺接锁紧螺母。
更具体的，所述上腔体、下腔体分别与搅拌针通过螺纹连接。
具体的，上轴肩组件还包括上密封圈、上弹性圈、上拼环；上密封圈、上弹性圈分别设置于上轴肩与上腔体、搅拌针的滑动且密封连接处的凹槽里，两个上拼环分别设置于上弹性圈的上下两端；下轴肩组件还包括下密封圈、下弹性圈、下拼环；下密封圈、下弹性圈分别设置于下轴肩与下腔体、搅拌针的滑动且密封连接处的凹槽里，两个下拼环分别设置于下弹性圈的上下两端；密封圈、弹性圈、拼环用于将密封连接处进行密封，避免上液压腔在充液后，液体从上轴肩与上腔体、搅拌针之间的缝隙中溢出，拼环和弹性圈配合还对上轴肩、下轴肩提供保护和轴向限位。
上轴肩组件还包括上限位导向块，上限位导向块的两端分别与上轴肩的外部、上腔体的开口处顶部固连；下轴肩组件还包括下限位导向块，下限位导向块的两端分别与下轴肩的外部、下腔体的开口处顶部固连；上限位导向块、下限位导向块用于避免在搅拌焊接过程中上轴肩与上腔体、下轴肩与下腔体发生相对转动。
具体的，所述搅拌针上位于上轴肩组件、下轴肩组件之间的中段为搅拌段，搅拌段上设置有上下对称的螺纹和螺旋沟槽，螺纹分为上螺纹和下螺纹，螺旋沟槽分为上螺旋沟槽和下螺旋沟槽，上螺纹和上螺旋沟槽的旋向相同，下螺纹和下螺旋凹槽的旋向相同，螺旋沟槽在搅拌针周向均匀分布；焊接过程中，搅拌段旋转的同时带动上螺旋沟槽、下螺旋沟槽转动，上下对称且旋向相反的上螺旋沟槽、下螺旋沟槽有利于将待焊接产品上下表层焊缝的塑化金属向搅拌段中心汇聚，促进焊缝金属致密性、防止焊接缺陷。
更具体的，所述搅拌头的搅拌旋转方向根据上螺纹和上螺旋沟槽的旋向来确定，当上螺纹和上螺旋沟槽的旋向为左旋时搅拌针的旋转方向从上向下看为顺时针，反之为逆时针旋转，根据搅拌针旋转方向、螺纹和螺旋沟槽的旋向实现搅拌区塑性材料向中心汇聚，提高焊接质量。
更具体的，所述上螺旋沟槽、下螺旋沟槽分别由3组带有外螺纹的螺纹槽沿搅拌段周向螺旋排列构成。
本发明的有益效果为：
(1)、本发明提供的焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，在上下轴肩设计有连接的上下液压腔，通过焊接过程在线检测当前焊接厚度以及上下液压腔的压力，利用液压系统驱动上下轴肩轴向运动以调节上下轴肩的距离，实现上下轴肩距离根据板厚波动的自适应调节，解决现有双轴肩搅拌摩擦焊接过程中上下轴肩距离不能根据焊接厚度自适应调节的问题，能够提高双轴肩搅拌摩擦焊接工艺稳定性，有效控制焊接质量。
(2)本发明提进一步的在搅拌段设计有上下对称分布、旋向相反的上螺纹、下螺纹和上螺旋沟槽、下螺旋沟槽，有利于将上下表层焊缝的塑化金属向中心汇聚，促进焊缝金属致密性、防止焊接缺陷。
(3)本发明提供了一种焊接过程上下轴肩距离自适应调节方法，在搅拌头前进端安装有厚度测量仪，能在线实时检测焊接件的厚度变化，然后根据检测的厚度值实时反馈至控制系统，控制系统通过液压系统驱动上下轴肩轴向运动，实现上下轴肩距离控制快速、精准的响应，避免焊接过程中因为装配及工件加工精度导致上下轴肩对工件压入不均匀甚至与型面分离而导致的焊接质量问题。
附图说明
图1为焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头剖视图；
图2为图1的A处放大图；
图3为焊接方法示意图；
图4为焊接过程剖视图；
其中，1为搅拌针，2为上腔体，21为上螺纹，22为下螺纹，23为上螺旋沟槽，24为下螺旋沟槽，3为上轴肩，4为上密封圈，5为上弹性圈，6为上拼环，7为上限位导向块，8为上注液孔，9为夹持部，10为下腔体，11为下轴肩，12为下密封圈，13为下弹性圈，14为下拼环，15为下限位导向块，16为下注液孔，17为锁紧螺母，18为厚度检测仪，19为被焊件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2所示，本实施例提供一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，包括搅拌针1和对称设置于搅拌针1上、下两端的上轴肩3组件、下轴肩11组件；
所述上轴肩3组件包括上腔体2、上轴肩3、上密封圈4、上弹性圈5、上拼环6、上限位导向块7，所述上腔体2、上轴肩3从上向下依次套设于搅拌针1上端外部，其中，上腔体2与搅拌针1通过螺纹固连，上轴肩3分别与上腔体2、搅拌针1滑动且密封连接，上密封圈4、上弹性圈5分别设置于上轴肩3与上腔体2、搅拌针1的滑动且密封连接处的凹槽里，两个上拼环6分别设置于上弹性圈5的上下两端，上限位导向块7的两端分别与上轴肩3的外部、上腔体2的开口处顶部通过螺钉固连；上轴肩3与上腔体2之间的空间构成上液压腔，所述搅拌针1上带有与所述上液压腔连通的上注液孔8；搅拌针1位于上腔体2的上端处还螺接夹持部9，夹持部9用于与搅拌焊接数控设备连接，从而将双轴肩搅拌头与数控设备连接；
所述下轴肩11组件包括下腔体10、下轴肩11、下密封圈12、下弹性圈13、下拼环14、下限位导向块15，所述下腔体10、下轴肩11从下向上依次套设于搅拌针1下端外部，其中，下腔体10与搅拌针1通过螺纹固连，下轴肩11分别与下腔体10、搅拌针1滑动且密封连接，下密封圈12、下弹性圈13分别设置于轴肩与下腔体10、搅拌针1的滑动且密封连接处的凹槽里，两个下拼环14分别设置于下弹性圈13的上下两端，下限位导向块15的两端分别与下轴肩11的外部、下腔体10的开口处顶部通过螺钉固连；下轴肩11与下腔体10之间的空间构成下液压腔，所述搅拌针1上端带有与所述下液压腔连通的下注液孔16；搅拌针1位于下腔体10的下端处还螺接锁紧螺母17；
所述上注液孔8、下注液孔16通过接头与液压系统连接；
搅拌针1上位于上轴肩3组件、下轴肩11组件之间的中段为搅拌段，搅拌段上设置有上下对称的螺纹和螺旋沟槽，螺纹分为上螺纹21和下螺纹22，螺旋沟槽分为上螺旋沟槽23和下螺旋沟槽24，上螺纹21和上螺旋沟槽23的旋向相同，下螺纹22和下螺旋凹槽24的旋向相同，螺旋沟槽在搅拌针周向均匀分布。
采用上述双轴肩搅拌头进行产品焊接的方法如下：
1、生产前，以焊接质量及接头性能满足要求且最优为依据，通过工艺试验确定焊接段厚度、轴肩距离、液压力三者之间数据对应关系，建立数据库；其中，所述轴肩距离为上轴肩3与下轴肩11的距离，液压力为保持上轴肩3、下轴肩11对被焊接产品上下表面的顶锻力相等所需的上液压腔、下液压腔的压力；焊接前根据被焊件19的最大厚度提前调好上腔体2、下腔体10的位置并锁死固定，上腔体2利用夹持部9顶紧锁死，下腔体10利用锁紧螺母17顶紧锁死，其中上腔体2、下腔体10、夹持部9、锁紧螺母17都是通过螺纹连接方式安装在搅拌针上；
2、在搅拌头沿焊接方向的前端安装厚度检测仪18，厚度检测仪18与上液压腔、下液压腔的液压系统通过控制系统联动控制，焊接过程中，厚度检测仪18在线检测被焊接产品的待焊接段厚度并把数据输入控制系统；如图3所示，厚度测量仪和该搅拌针1的前进速度都为V，该搅拌头顺时针旋转角速度为W；
3、如图4所示，通过厚度测量仪在线测量被焊件19当前焊接段厚度为δ1，控制系统以焊接段厚度δ1作为输入，与数据库作对比，得到当前焊接段厚度δ1所需的轴肩距离a、液压力F1(图中未给出)，驱动上轴肩3、下轴肩11轴向运动以调节上下轴肩11的距离为a；厚度测量仪行走至被焊件19待焊接段测得厚度为δ2，再将待焊接段对应的液压力F2(图中未给出)与当前焊接段所用的液压力F1进行比较，将二者的差值作为输出，实时反馈至液压系统，从而驱动上轴肩3、下轴肩11轴向运动以调节上下轴肩11的距离为b，实现轴肩距离根据焊接段厚度波动的自适应调节；
焊接过程中，搅拌头的搅拌旋转方向根据上螺纹21和上螺旋沟槽23的旋向来确定，如图3、4所示，本实施例中，上螺纹21和上螺旋沟槽23的旋向为左旋，搅拌针1的旋转方向从上向下看为顺时针，反之为逆时针旋转。
本实施例的技术方案，通过焊接过程在线检测当前焊接厚度以及上下液压腔的压力，利用液压系统驱动上下轴肩轴向运动以调节上下轴肩的距离，实现上下轴肩距离根据板厚波动的自适应调节，提高双轴肩搅拌摩擦焊接工艺稳定性，避免焊接过程中因为装配及工件加工精度导致上下轴肩对工件压入不均匀甚至与型面分离而导致的焊接质量问题。
本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (7)
1.一种轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，其特征在于，包括搅拌针和对称设置于搅拌针上、下两端的上轴肩组件、下轴肩组件；
所述上轴肩组件包括上腔体、上轴肩，所述上腔体、上轴肩从上向下依次套设于搅拌针上端外部，其中，上腔体与搅拌针固连，上轴肩分别与上腔体、搅拌针滑动且密封连接；上轴肩与上腔体之间的空间构成上液压腔，所述搅拌针上带有与所述上液压腔连通的上注液孔；
所述下轴肩组件包括下腔体、下轴肩，所述下腔体、下轴肩从下向上依次套设于搅拌针下端外部，其中，下腔体与搅拌针固连，下轴肩分别与下腔体、搅拌针滑动且密封连接；下轴肩与下腔体之间的空间构成下液压腔，所述搅拌针上端带有与所述下液压腔连通的下注液孔；
所述上注液孔、下注液孔通过接头与液压系统连接。
2.根据权利要求1所述的轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，其特征在于，所述搅拌针上位于上轴肩组件、下轴肩组件之间的中段为搅拌段，搅拌段上设置有上下对称的螺纹和螺旋沟槽，螺纹分为上螺纹和下螺纹，螺旋沟槽分为上螺旋沟槽和下螺旋沟槽，上螺纹和上螺旋沟槽的旋向相同，下螺纹和下螺旋凹槽的旋向相同，螺旋沟槽在搅拌针周向均匀分布。
3.根据权利要求2所述的轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，其特征在于，所述搅拌头的搅拌旋转方向根据上螺纹和上螺旋沟槽的旋向来确定，当上螺纹和上螺旋沟槽的旋向为左旋时，搅拌针的旋转方向从上向下看为顺时针，反之为逆时针旋转。
4.根据权利要求1至3任一所述的轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，其特征在于，上轴肩组件还包括上密封圈、上弹性圈、上拼环；上密封圈、上弹性圈分别设置于上轴肩与上腔体、搅拌针的滑动且密封连接处的凹槽里，两个上拼环分别设置于上弹性圈的上下两端；下轴肩组件还包括下密封圈、下弹性圈、下拼环；下密封圈、下弹性圈分别设置于下轴肩与下腔体、搅拌针的滑动且密封连接处的凹槽里，两个下拼环分别设置于下弹性圈的上下两端。
5.根据权利要求4所述的轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，其特征在于，上轴肩组件还包括上限位导向块，上限位导向块的两端分别与上轴肩的外部、上腔体的开口处顶部固连；下轴肩组件还包括下限位导向块，下限位导向块的两端分别与下轴肩的外部、下腔体的开口处顶部固连。
6.利用权利要求1至5任一所述的轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头进行焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、生产前，以焊接质量及接头性能满足要求且最优为依据，通过工艺试验确定焊接段厚度、轴肩距离、液压力三者之间数据对应关系，建立数据库；其中，所述轴肩距离为上轴肩与下轴肩的距离，液压力为保持上轴肩、下轴肩对被焊接产品上下表面的顶锻力相等所需的上液压腔、下液压腔的压力；
步骤2、在搅拌头沿焊接方向的前端安装厚度检测仪，厚度检测仪与上液压腔、下液压腔的液压系统通过控制系统联动控制，焊接过程中，厚度检测仪在线检测被焊接产品的待焊接段厚度并把数据输入控制系统；
步骤3、控制系统以焊接段厚度作为输入，与数据库作对比，得到待焊接段厚度所需的轴肩距离、液压力，再将待焊接段对应的液压力与当前焊接段所用的液压力进行比较，将二者的差值作为输出，实时反馈至上液压系统，从而驱动上轴肩、下轴肩轴向运动以调节上下轴肩的距离，实现轴肩距离根据焊接段厚度波动的自适应调节。
7.根据权利要求6所述焊接的方法，其特征在于，焊接时根据被焊接产品的最大厚度提前调好上腔体、下腔体的位置并锁死固定，上腔体利用夹持部顶紧锁死，下腔体利用锁紧螺母顶紧锁死，其中上腔体、下腔体、夹持部、锁紧螺母都是通过螺纹连接方式安装在搅拌针上。
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