CN114406441A - 一种蜂窝板材搅拌摩擦焊方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法及装置，其特征是所述的方法包括以下步骤：首先，将需要焊接的两块板材利用夹紧装置夹紧，使上下接合面紧密接触以防止后续填充粉末漏出，同时将一侧的通道封闭，以便在两块待焊接板材接合面处形成一个五面合围的容粉腔；其次，在所述容粉腔的进口端安装有送粉装置，通过该送粉装置将与待焊接板板材料配方相匹配的粉末送入所述容粉腔中，并通过送粉装置将粉末压紧；第三，在所述容粉腔的进粉口或容粉腔中安装压力传感器，实时测量容粉腔中的压力；第四，当容粉腔中的粉末的压力达到设定的阈值，启动搅拌头开始搅拌摩擦焊接，直到焊接结束，撤下送粉装置。本发明能降低蜂窝板材搅拌摩擦焊接的生产成本。

Description

一种蜂窝板材搅拌摩擦焊方法及装置

技术领域

本发明属于金属焊接领域，尤其是一种蜂窝状空心板材的搅拌摩擦焊接技术，具体地说是一种蜂窝状板材搅拌摩擦焊方法及装置。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术。目前已在许多领域取得到了广泛应用。蜂窝状板材(两块面板中间通过多条同一方向相互平行的条状筋板支撑的结构)，最早是航空、航天材料，逐步推广到民用建筑、车船装饰等领域。蜂窝板材在实际生产中由于生产工艺受限无法实现大尺寸生产，所以需要对生产好的蜂窝板材进行焊接拼装，而传统的焊接工艺因为无法满足焊缝形成所需的材料量，会出现焊接不牢固等缺陷，无法适用于蜂窝板材的加工，阻碍了蜂窝板材的大规模应用。搅拌摩擦焊接技术其有焊接温度低、焊接过程母材形变少等优点是解决这一问题的可行性技术。

使用搅拌摩擦焊接技术对蜂窝板材进行焊接时，存在以下问题：由于蜂窝板材内有大量的蜂窝孔，焊接过程中蜂窝孔的融化坍塌，焊缝形成所需的材料不足，导致焊缝质量不良，进而影响工件的后续使用；蜂窝板材的蒙皮薄，承载能力小，无法承受搅拌摩擦焊设备的下压力。

为了进行材料补充，通常会对工件表面进行预加工，目的是提前将额外补充的材料提前加入到工件上。例如专利CN 107598358 A，一种通过消耗型搅拌摩擦工具增材制造的方法，使消耗型搅拌摩擦工具的材料在基体表面逐层固相堆积，从而制备出所需金属材料，但是这种方法无法解决板材承载力不足的问题，不能适用于蜂窝板材；通过生产特殊的蜂窝板材，例如专利CN 208777542 U，一种蜂窝铝板，通过在蜂窝铝板上下蒙皮之间预埋铝块，克服蜂窝铝板无法搅拌摩擦焊接的缺点，但是这种通过增加特殊结构的方法导致蜂窝铝板的生产加工过程变得复杂，同样阻碍了蜂窝板材的大规模应用。

因此，开发一种专门用于焊接蜂窝板材的搅拌摩擦焊方法，来解决对蜂窝板材进行搅拌摩擦焊接时会出现的焊缝成型材料不足和蜂窝板材蒙皮表面承载不能承受足够的下压力的问题，从而满足蜂窝板材搅拌摩擦焊的技术要求，实现蜂窝板材的拼接加工，显得尤为必要。通过加入填充材料的方法可以同时解决焊缝形成所需的材料不足和蜂窝板材承载能力不够等问题。所用填充材料为粉末材料能更好的保证焊缝的质量。

发明内容

本发明对于目前蜂窝板材的搅拌摩擦焊存在蜂窝孔坍塌而导致焊缝无法成型，以及蜂窝板材不能承受搅拌摩擦焊接过程的下压力的问题，提供了一种适用于蜂窝板材的搅拌摩擦焊方法及装置，本发明通过加入粉末材料来满足焊缝形成所需的材料，并通过粉末材料支撑蒙皮承受下压力，防止蜂窝材料坍塌，从而实现蜂窝板材的搅拌摩擦焊，提高焊缝的质量和蜂窝板材的生产效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下:一种蜂窝板材搅拌摩擦焊方法及装置，其包括：粉末压入缸，粉末装填器，传动装置、压力传感器等。所述粉末压入缸与待加工工件固定连接，通过夹具固定安装在对接的两块蜂窝板材之间的间隙处，粉末压入缸的输出口与间隙对准，向间隙内压入粉末材料。同时，粉末压入缸与所述粉末填充器连接。粉末装填器安装在所述粉末压入器上方，用于向粉末压入器内添加粉末材料。传动装置通过带动粉末压入器的活塞杆进行直线往复运动，将添加到粉末压入缸内的粉末材料压入到待焊的蜂窝板材的间隙中。焊接开始前所述装置开始工作，通过一系列步骤将粉末材料压入到蜂窝板材的间隙中，并使焊缝处的粉末材料保持一定的致密性，直到搅拌摩擦焊接过程完成。

其步骤包括：

第一步，待加工蜂窝板材在工装上整齐对接，两端夹紧，避免加工时滑动；

第二步，按照上述说明对装置的各部分进行安装；

第三步，所述粉末装填器的装填箱内加入粉末材料，通过提升粉末填入杆，粉末材料向下加入到粉末压入缸中，；

第四步，所述传动装置通过电机及相关机构的运转带动，使活塞将所述装填箱输入的粉末材料经由粉末压入缸，压入到蜂窝板材间隙中。重复步骤三、四，保证所述蜂窝板材间隙内粉末材料充足，满足焊接条件；

第五步，进行搅拌摩擦焊接，经过搅拌摩擦焊机构的轴肩产生的摩擦热和搅拌头的搅拌作用，粉末材料塑化，被带入到表面成为焊缝的材料。焊接过程中，需要一直保持材料的补充。

具体来说，所述粉末装填器根据搅拌摩擦焊接过程的焊接要求，通过安装在粉末压入缸和间隙处的压力传感器检测蜂窝板材间隙壁面上受到的压力，然后压力传感器输出传递信号给外接的信号处理器，处理器根据压力传感器反馈的信号判断是否达到提前设定的压力阈值，输出控制信号控制粉末装填器上的信号接收器来控制粉末填入杆的上下运动(如果达到阈值了就停止粉末填入杆的上下运动)。实现对材料装填器的粉末输入量的控制，保证在不同的技术参数下材料的稳定填充。

根据搅拌摩擦焊接过程的焊接下压力要求，通过控制粉末压入缸的最大行程，保证焊缝处的粉末材料保持一定的致密性，将粉末材料压紧在蜂窝板材的间隙中，上对表面蒙皮起支撑作用，克服蜂窝板材搅拌摩擦焊接过程中搅拌摩擦焊设备施加载荷大于蒙皮的承载能力的问题。

粉末填充过程如流程图3所示。这在实现了焊接过程前所需焊接材料的填充的同时也解决焊接过程中搅拌摩擦焊过程中蜂窝板材上搅拌头的承载问题。

其中，所述粉末压入缸包括：粉末压入缸缸体，其安装在待加工的蜂窝板材的间隙上；活塞，其安装在所述粉末压入缸的内部，在缸内滑动；活塞杆，其与所述活塞连接；所述粉末压入管、活塞和活塞杆按照间隙中心线同轴安装。所述粉末压入缸缸体，呈“丄”字型，两侧各开有一个通孔，上方开有一个入料口。所述入料口连接粉末装填器，由粉末装填器带入粉末材料由入料口进入到所述粉末压入器中，所述通孔一端与蜂窝板材间隙同轴相连，另一端通孔由活塞杆进行平动带动活塞将由入料口送入的材料带入到蜂窝板材间隙中，粉末压入缸具体结构如图4所示。

所述粉末装填器包括：粉末装填箱和粉末填入杆；所述的粉末装填器应设置在所述粉末压入缸的上方，粉末装填器具体结构如图5所示。

本发明的有益效果在于：

本发明的蜂窝板材搅拌摩擦焊接方法及装置对蜂窝板材的搅拌摩擦焊接会出现的焊缝无法成型和蜂窝板材承载能力不足提出来解决方法，提高了生产效率，降低了蜂窝板材搅拌摩擦焊接的生产成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。

附图说明

图1是本发明的一种蜂窝板材搅拌摩擦焊装置的整体结构示意图；

图2是一种具体实施方式；

图3是本发明系统中粉末填充方式的示意图；

图4表示粉末压入缸内部示意图；

图5表示粉末装填器内部示意图；

图中，1表示搅拌摩擦焊搅拌头；2表示粉末压入缸；3表示粉末装填箱；4表示粉末填入杆；5表示活塞杆；6表示连杆；7表示小齿轮；8表示大齿轮；9表示斜齿减速器输出轴；10表示蜂窝板材；11表示活塞，12表示压力传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。同时实施例的描述仅为进一步阐明本专利的特征，不作为对本专利权力要求的限制。

图1为根据本发明的一种蜂窝板材搅拌摩擦焊装置的整体结构示意图,其包括:

粉末压入缸2，其连接在蜂窝板材10上，将对接的蜂窝板材间隙封闭；上方连接粉末装填器，所述粉末装填器与粉末压入缸的入料口同轴安装；所述粉末压入缸的活塞杆与传动装置连接。其中，传动装置由连杆6、大齿轮8和小齿轮7以及斜齿减速器输出轴9所构成。传动装置、粉末装填器和粉末压入缸构成粉末填充装置按照图2所示的方式进行工作。焊接材料选用4×100×200mm厚蜂窝铝板，焊接过程中使用的搅拌头轴间直径为20mm，对接后两板对接面间隙为5mm，搅拌针形状为右旋螺纹圆锥形，搅拌针针长3.8mm，搅拌针倾角2.5°，下压量0.1mm，焊接时搅拌头转速为900rpm，焊接速度为270mm/min。填充材料为铝粉。

执行下面以下的控制步骤进行蜂窝铝板搅拌摩擦焊接：

第一步，将所述蜂窝铝板进行对接，粉末填充装置按图2安装完毕；

第二步，所述粉末装填器进行铝粉材料的装填，获得蜂窝板材搅拌摩擦焊接所需的填充材料；

第三步，所述粉末装填器工作，粉末经过入料口进入到所述粉末压入缸中；

第四步，电机带动所述斜齿轮输出轴转动，输入功率给传动装置，进而控制活塞杆的往复移动，所述粉末压入缸保持进给，将第三步中入料口送入的铝粉送入到蜂窝铝板的间隙中；

第五步，压力传感器12受到压力，发出信号至处理器，处理器根据所收到的信号，通过输出调节信号调节粉末装填器的工作，控制步骤三、四的进行，保证所述蜂窝铝板间隙内铝粉材料充足，直到满足搅拌摩擦焊接的要求；

第六步，所述搅拌头1在蜂窝铝板间隙中铝粉材料填充充足后，进行搅拌摩擦焊接，所述粉末压入缸在搅拌摩擦焊接过程中保持进给，直至搅拌摩擦焊接完成。

具体而言，所述装置还包括电机、减速器、一对啮合齿轮和活塞等。所述电机为交流伺服电机；所述减速器使用锥形齿轮减速器。

所述粉末压入缸其可以通过2以及图4所示的方式设置为竖直面呈“丄”字形且俯视面也呈“一”字形的结构。

所述的电机具体可安装在搅拌摩擦焊工作台上，驱动减速器，以控制所述粉末压入缸2的进给；减速器位于电机与传动装置中间，在降低电机的转速的同时提高输出扭矩；所述大齿轮与减速器的输出轴相连，且与小齿轮通过连杆相连，形成行星齿轮系，由减速器输出轴的转动带动行星系的转动。

且满足，L≥2R+r，其中L为所述连杆长度，R为所述大齿轮半径，r为所述小齿轮半径；

综上，本发明所提供的蜂窝板材搅拌摩擦焊方法，其可以通过在工件的两侧安装粉末填充装置及压力传感器，实现对粉末材料的填入将所述铝粉送入的粉末填入到蜂窝铝板的间隙中，反复进行，直至达到进行搅拌摩擦焊接的要求，开始进行搅拌摩擦焊。

以上所述，仅为本发明较好的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此。应当指出的是，对任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可容易联想到的变化或改进，都属于本发明的保护范围之内。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法，其特征是：它包括以下步骤：

首先，将需要焊接的两块板材利用夹紧装置夹紧，使上下接合面紧密接触以防止后续填充粉末漏出，同时将一侧的通道封闭，以便在两块待焊接板材接合面处形成一个五面合围的容粉腔；

其次，在所述容粉腔的进口端安装一送粉装置，通过该送粉装置将与待焊接板板材料配方相匹配的粉末送入所述容粉腔中，并通过送粉装置将粉末压紧；

第三，在所述容粉腔的进粉口或容粉腔中安装压力传感器，实时测量容粉腔中的压力；

第四，当容粉腔中的粉末的压力达到设定的阈值，启动搅拌头开始搅拌摩擦焊接，直到焊接结束，撤下送粉装置。

2.根据权利要求1所述的蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法，其特征是：所述等焊接板材的接合面通过机械加工方法形成密封结构。

3.根据权利要求2所述的蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法，其特征是：所述的密封结构为光滑的接触面或相配的斜面结构。

4.根据权利要求1所述的蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法，其特征是：所述的粉末的粒度应大于待焊接板材结合面的密封间隙，以保证粉末不会泄漏。

5.根据权利要求1所述的蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法，其特征是：在搅拌摩擦焊接过程中，压力传感器实时监测容粉腔中的压力，送粉装置根据压力传感器的测量值，启动送粉装置不断补充粉末以提供焊缝成型所需的材料和保证蜂窝状板材面板的承载能力。

6.一种权利要求1所述的蜂窝状板材搅拌摩擦焊接方法使用的送粉装置，其特征是：它包括粉末压入缸(2)、粉末装填器(3)、粉末填入杆(4)、活塞杆(5)和压力传感器(12)，粉末压入缸(2)的出口端与容粉腔的进口端相配合，压力传感器(12)安装在容粉腔的进口端的进口端上以实时监测容粉脸中粉末的压力；活塞杆(5)的一端伸出粉末压入缸(2)外与活塞杆驱动装置相连，并在驱动装置的带动下带动位于粉末压入缸(2)中的活塞(11)作往复运动，不断地将经粉末装填器(3)送入粉末压入缸(2)中的粉末压入容粉腔中；粉末装填器(3)安装在粉末压入缸(2)的上方，它的输出口与粉末压入缸(2)上的粉末进口相连通；粉末装填器(3)上安装有粉末压入杆(4)，粉末压入杆(4)用于将装入粉末装填器(3)的粉末压入粉末压入缸(2)中，再由活塞压入容粉腔中，容粉腔中的粉末压实后提供焊缝成型所需的材料和保证蜂窝状板材面板的承载能力。

7.根据权利要求6所述送粉装置，其特征是：所述的粉末压入杆(4)连接有能驱动其往复运动的驱动装置，该驱动装置为气缸或由电机驱动的机械传动装置。

8.根据权利要求6所述送粉装置，其特征是：所述的活塞杆驱动装置为气缸或机械传动机构。

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