CN114247982B - 应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到一种应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法通过在静轴肩底部外围设置磁场矢量模块，利用磁场矢量模块产生以搅拌针为轴线相对待焊接板材做高速旋转运动的磁场，对焊接区域的待焊接板材进行预热，从而大大提高了集装箱侧围拼接的焊接效率，克服传统静轴肩搅拌摩擦焊接效率低甚至搅拌针断裂和焊接失败的技术问题。同时还能够通过磁场矢量模块对待焊接板材的焊接区域进行加热和产生脉动振动，加大焊接过程中金属的流动性，尤其提高待焊接板材底部的金属流动性以及时填充搅拌针后方的空腔，弥补弥散分布的空洞缺陷，有利于焊缝组织晶粒细化，使焊缝组织更加均匀，降低材料塑性变形抗力，减小搅拌头损耗，提高焊接质量。

Description

应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法。

背景技术

集装箱侧围板一般是由多片钢板对接焊接而成，由于焊缝较长，采用传统的焊接方式焊接，需要投入较大的气保成本和焊丝成本，而且焊缝平整度难以控制，也难以后续加工。为了降低成本，提高焊缝质量，我司选择采用静轴肩搅拌摩擦焊接装置来代替传统的气保焊，从而大大降低了焊接原材料的投入，提高了焊缝质量。

但是，在静轴肩搅拌摩擦焊接时，由于只有搅拌针的摩擦挤压作用，导致产热较低、搅拌针行进阻力较大，焊接效率与传统气保焊相比有所下降，如果强行提高焊接速度，则会导致搅拌针断裂和焊接失败。

发明内容

本发明首先要解决的技术问题是：提供一种应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，以克服静轴肩搅拌摩擦焊接效率低甚至搅拌针断裂和焊接失败的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：静轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括驱动电机、可拆卸地同轴连接于驱动电机输出轴轴端的搅拌针、以及与驱动电机壳体或焊接装置壳体固定连接的静轴肩，静轴肩下端开设有轴肩孔，搅拌针下端穿过轴肩孔伸出静轴肩外，搅拌针与轴肩孔内壁之间具有间隙，所述静轴肩下端外部套设有一个磁场矢量模块，该磁场矢量模块成圆环形，磁场矢量模块内部周向均布有四对具有独立电源驱动的加热线圈，成对的加热线圈以磁场矢量模块的中心对称设置且产生的磁场方向相反，各加热线圈在磁场矢量模块的圆周面上各相差45°，磁场矢量模块通过可调节电缆管支架与电机壳体或焊接装置壳体固定连接，所述磁场矢量模块的下端面与静轴肩的下端面齐平。

作为一种优选方案，所述磁场矢量模块包括一个绝缘陶瓷的圆环形外壳，外壳内部具有圆环形内腔，内腔内周向均布有八根绝缘陶瓷定位柱，各定位柱的轴向均平行于外壳的轴向，各定位柱上绕设有一个加热线圈，外壳外侧壁上开设有一个与内腔连通的通孔，各加热线圈的引线从通孔引出后沿可调节电缆管支架向上延伸并与控制电路连接。

作为一种优选方案，任意一对加热线圈串联连接，其中一个加热线圈的另一端并联有第一开关和第二开关，第一开关连接电源正极，第二开关连接电源负极，另一个加热线圈的另一端并联有第三开关和第四开关，第三开关连接电源正极，第四开关连接电源负极。

作为一种优选方案，还包括一个可伸缩式工作台，该可伸缩式工作台的两侧分别固定连接有多个装夹装置，位于可伸缩式工作台的一端，连接有至少一个用于探测焊接区温度的温度传感器。

作为一种优选方案，还包括一个控制器，该控制器与各加热线圈的控制电路连接，还与温度传感器、电源连接。

本发明进一步要解决的技术问题是：应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接方法，基于上述应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括如下具体步骤：

S1、将待焊接板材用装夹装置固定在可伸缩式工作台上；

S2、根据搅拌针的尺寸和待焊接板材的厚度，调整可调节电缆管支架的长短和搅拌针伸出静轴肩的长度，从而调节磁场矢量模块的位置，使磁场矢量模块的下端面与静轴肩下端面齐平；

S3、接通电源，启动驱动电机，通过驱动电机的输出轴驱动搅拌针旋转，控制静轴肩搅拌摩擦焊接装置下移，直到静轴肩和磁场矢量模块压紧待焊接板材上，控制各对加热线圈沿顺时针或逆时针方向顺次通电，产生以搅拌针为轴线相对待焊接板材做高速旋转运动的磁场，等待10-15s后进行下一步骤；

S4、驱动可伸缩式工作台沿焊缝移动，可伸缩式工作台带动待焊接板材沿焊缝移动，移动速度与焊接速度匹配，静轴肩搅拌摩擦焊接装置在可伸缩式工作台移动过程中对待焊接板材进行焊接；

S5、待焊接板材焊完后，搅拌针及时沿着垂直于待焊接板材的方向抬起，随后停止旋转，可伸缩式工作台复位，静轴肩搅拌摩擦焊接装置进入待机状态。

作为一种优选方案，在进行步骤S3和S4时，通过温度传感器扫测待焊接板材焊接区域的温度，实时记录并反馈，当采集的有效温度偏离预期温度值，调整各对加热线圈通电的切换频率，对焊接温度进行纠偏。

本发明的有益效果是：本发明所述应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置及方法通过在静轴肩底部外围设置磁场矢量模块，利用磁场矢量模块产生以搅拌针为轴线相对待焊接板材做高速旋转运动的磁场，对焊接区域的待焊接板材进行预热，从而大大提高了集装箱侧围拼接的焊接效率，克服传统静轴肩搅拌摩擦焊接效率低甚至搅拌针断裂和焊接失败的技术问题。

本发明还能够通过磁场矢量模块对待焊接板材的焊接区域进行加热和产生脉动振动，加大焊接过程中金属的流动性，尤其提高待焊接板材底部的金属流动性以及时填充搅拌针后方的空腔，弥补弥散分布的空洞缺陷。有利于焊缝组织晶粒细化，使焊缝组织更加均匀，降低材料塑性变形抗力，减小搅拌头损耗，提高焊接质量。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1是本发明所述应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置的具体结构示意图；

图2是磁场矢量模块及搅拌针的连接结构示意图；

图3是磁场矢量模块的具体结构示意图；

图4是一组加热线圈的控制电路图；

图1~图4中：1、静轴肩，101、轴肩孔，2、磁场矢量模块，201、外壳，202、内腔，203、定位柱，204、通孔，3、ER筒夹，4、ER螺母，5、输出轴，6、可伸缩式工作台，7、装夹装置，8、驱动电机，9、搅拌针，10、控制器，11、可调节电缆管支架，12、待焊接板材，13、温度传感器，14、加热线圈，K1、第一开关，K2、第二开关，K3、第三开关，K4、第四开关。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的具体实施方案。

实施例1

如图1~图4所示的应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括驱动电机8、可拆卸地同轴连接于驱动电机8输出轴5轴端的搅拌针9、以及与驱动电机壳体或焊接装置壳体固定连接的静轴肩1，静轴肩1下端开设有轴肩孔101，搅拌针9下端穿过轴肩孔101伸出静轴肩1外，搅拌针9与轴肩孔101内壁之间具有间隙，所述静轴肩1下端外部套设有一个磁场矢量模块2，该磁场矢量模块2成圆环形，磁场矢量模块2内部周向均布有四对具有独立电源驱动的加热线圈14，成对的加热线圈14以磁场矢量模块2的中心对称设置且产生的磁场方向相反，各加热线圈14在磁场矢量模块的圆周面上各相差45°，磁场矢量模块2通过可调节电缆管支架11与电机壳体或焊接装置壳体固定连接，所述磁场矢量模块2的下端面与静轴肩1的下端面齐平。

如图2所示，搅拌针9通过ER筒夹3和ER螺母4固定连接在驱动电机8的输出轴5上。

本实施例中，所述磁场矢量模块2包括一个绝缘陶瓷的圆环形外壳201，外壳201内部具有圆环形内腔202，内腔202内周向均布有八根绝缘陶瓷定位柱203，各定位柱203的轴向均平行于外壳201的轴向，各定位柱203上绕设有一个加热线圈14，外壳201外侧壁上开设有一个与内腔202连通的通孔204，各加热线圈14的引线从通孔204引出后沿可调节电缆管支架11向上延伸并与控制电路连接。

本实施例还包括一个控制器10，该控制器10与各加热线圈14的控制电路连接，还与温度传感器13、电源连接。

如图4所示，任意一对加热线圈14串联连接，其中一个加热线圈14的另一端并联有第一开关K1和第二开关K2，第一开关K1连接电源正极，第二开关K2连接电源负极，另一个加热线圈14的另一端并联有第三开关K3和第四开关K4，第三开关K3连接电源正极，第四开关K4连接电源负极。其中第一开关K1和第四开关K4分别通过继电器并联在一个三极管Q1上，三极管Q1的基极与控制器10连接，控制器10控制三极管Q1断开或导通；第二开关K2和第三开关K3分别通过继电器并联在一个三极管Q2上，三极管Q2的基极与控制器10连接，控制器10控制三极管Q2断开或导通；控制器10分别控制三极管Q1和三极管Q2导通且不同时导通。

本实施例例举了一对加热线圈14的控制电路，其他各对加热线圈14的控制电路与所例举的控制电路一致，各对加热线圈14的控制电路受同一个控制器10控制。

在本实施例中，还包括一个可伸缩式工作台6，该可伸缩式工作台6的两侧分别固定连接有多个装夹装置7，位于可伸缩式工作台6的一端，连接有至少一个用于探测焊接区温度的温度传感器13，温度传感器13为红外测温仪，待焊接板材12平铺在可伸缩式工作台6上，待焊接板材12的对接缝与可伸缩式工作台6的伸缩方向平行，装夹装置7将待焊接板材12固定在可伸缩式工作台6上。

实施例2

如图1~图4所示，应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接方法，采用实施例1所述的应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括如下具体步骤：

S1、将待焊接板材12用装夹装置7固定在可伸缩式工作台6上。

S2、根据搅拌针9的尺寸和待焊接板材12的厚度，调整可调节电缆管支架11的长短和搅拌针9伸出静轴肩1的长度，从而调节磁场矢量模块2的位置，使磁场矢量模块2的下端面与静轴肩1下端面齐平。

S3、接通电源，启动驱动电机，通过驱动电机的输出轴5驱动搅拌针9旋转，控制静轴肩搅拌摩擦焊接装置下移，直到静轴肩1和磁场矢量模块2压紧待焊接板材12上，控制各对加热线圈14沿顺时针或逆时针方向顺次通电，产生以搅拌针9为轴线相对待焊接板材12做高速旋转运动的磁场，等待10-15s后进行下一步骤；各组加热线圈14通电之间的停顿产生磁场脉冲特性，使得待焊接板材12产生脉动振动，改变各对加热线圈14通电的切换频率，可产生不同的加热效果和振动效果。

S4、驱动可伸缩式工作台6沿焊缝移动，可伸缩式工作台6带动待焊接板材12沿焊缝移动，移动速度与焊接速度匹配，静轴肩搅拌摩擦焊接装置在可伸缩式工作台6移动过程中对待焊接板材12进行焊接。

S5、待焊接板材12焊完后，搅拌针9及时沿着垂直于待焊接板材12的方向抬起，随后停止旋转，可伸缩式工作台6复位，静轴肩搅拌摩擦焊接装置进入待机状态。

本实施例中，在进行步骤S3和S4时，通过温度传感器13扫测待焊接板材12焊接区域的温度，实时记录并向控制器10反馈，当温度传感器13采集的有效温度偏离预期温度值，控制器10就会调整各对加热线圈14通电的切换频率，对焊接温度进行纠偏。

由于实施例2即为实施例1的工作过程，因此，对于实施例1的工作过程不再赘述。

上述实施例仅例示性说明本发明创造的原理及其功效，以及部分运用的实施例，而非用于限制本发明；应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，包括驱动电机（8）、可拆卸地同轴连接于驱动电机（8）输出轴（5）轴端的搅拌针（9）、以及与驱动电机壳体或焊接装置壳体固定连接的静轴肩（1），静轴肩（1）下端开设有轴肩孔（101），搅拌针（9）下端穿过轴肩孔（101）伸出静轴肩（1）外，搅拌针（9）与轴肩孔（101）内壁之间具有间隙，其特征在于，所述静轴肩（1）下端外部套设有一个磁场矢量模块（2），该磁场矢量模块（2）成圆环形，磁场矢量模块（2）内部周向均布有四对具有独立电源驱动的加热线圈（14），成对的加热线圈（14）以磁场矢量模块（2）的中心对称设置且产生的磁场方向相反，各加热线圈（14）在磁场矢量模块的圆周面上各相差45°，磁场矢量模块（2）通过可调节电缆管支架（11）与电机壳体或焊接装置壳体固定连接，所述磁场矢量模块（2）的下端面与静轴肩（1）的下端面齐平，所述磁场矢量模块（2）包括一个绝缘陶瓷的圆环形外壳（201），外壳（201）内部具有圆环形内腔（202），内腔（202）内周向均布有八根绝缘陶瓷定位柱（203），各定位柱（203）的轴向均平行于外壳（201）的轴向，各定位柱（203）上绕设有一个加热线圈（14），外壳（201）外侧壁上开设有一个与内腔（202）连通的通孔（204），各加热线圈（14）的引线从通孔（204）引出后沿可调节电缆管支架（11）向上延伸并与控制电路连接，任意一对加热线圈（14）串联连接，其中一个加热线圈（14）的另一端并联有第一开关（K1）和第二开关（K2），第一开关（K1）连接电源正极，第二开关（K2）连接电源负极，另一个加热线圈（14）的另一端并联有第三开关（K3）和第四开关（K4），第三开关（K3）连接电源正极，第四开关（K4）连接电源负极。

2.根据权利要求1所述的应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，静轴肩搅拌摩擦焊接装置还包括一个可伸缩式工作台（6），该可伸缩式工作台（6）的两侧分别固定连接有多个装夹装置（7），位于可伸缩式工作台（6）的一端，连接有至少一个用于探测焊接区温度的温度传感器（13）。

3.根据权利要求2所述的应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，静轴肩搅拌摩擦焊接装置还包括一个控制器（15），该控制器（15）与各加热线圈（14）的控制电路连接，还与温度传感器（13）、电源连接。

4.应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接方法，基于上述权利要求2~3任一所述应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括如下具体步骤：

S1、将待焊接板材（12）用装夹装置（7）固定在可伸缩式工作台（6）上；

S2、根据搅拌针（9）的尺寸和待焊接板材（12）的厚度，调整可调节电缆管支架（11）的长短和搅拌针（9）伸出静轴肩（1）的长度，从而调节磁场矢量模块（2）的位置，使磁场矢量模块（2）的下端面与静轴肩（1）下端面齐平；

S3、接通电源，启动驱动电机，通过驱动电机的输出轴（5）驱动搅拌针（9）旋转，控制静轴肩搅拌摩擦焊接装置下移，直到静轴肩（1）和磁场矢量模块（2）压紧待焊接板材（12）上，控制各对加热线圈（14）沿顺时针或逆时针方向顺次通电，产生以搅拌针（9）为轴线相对待焊接板材（12）做高速旋转运动的磁场，等待10-15s后进行下一步骤；

S4、驱动可伸缩式工作台（6）沿焊缝移动，可伸缩式工作台（6）带动待焊接板材（12）沿焊缝移动，移动速度与焊接速度匹配，静轴肩搅拌摩擦焊接装置在可伸缩式工作台（6）移动过程中对待焊接板材（12）进行焊接；

S5、待焊接板材（12）焊完后，搅拌针（9）及时沿着垂直于待焊接板材（12）的方向抬起，随后停止旋转，可伸缩式工作台（6）复位，静轴肩搅拌摩擦焊接装置进入待机状态。

5.根据权利要求4所述的应用于集装箱侧围拼接的静轴肩搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，在进行步骤S3和S4时，通过温度传感器（13）扫测待焊接板材（12）焊接区域的温度，实时记录并反馈，当采集的有效温度偏离预期温度值，调整各对加热线圈（14）通电的切换频率，对焊接温度进行纠偏。

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