CN115302071A - 一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具和方法，摩擦点焊工具，包括搅拌针、轴肩和驱动部件，搅拌针可转动的套设在所述轴肩的中心通孔中，所述驱动部件包括主轴旋转驱动系统和轴向移动驱动系统；所述主轴旋转驱动系统包括电机和同步带轮，所述主轴旋转驱动系统分别通过对应的所述电机、所述同步带轮驱动所述搅拌针、所述轴肩沿轴向转动；所述轴向移动驱动系统包括油缸，所述油缸的外圈固定设置，所述油缸内圈分别用于与所述搅拌针、所述轴肩连接，用于驱动所述搅拌针、轴肩的主轴沿轴向方向的移动。本发明双油缸的驱动方式大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端执行部件轴向运动精度。

Description

一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具和方法

技术领域

本发明涉及材料焊接技术领域，特别是涉及一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具和方法。

背景技术

回填式搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的基础上发展的一种新形式点焊，其焊接原理与搅拌摩擦焊原理类似。通过点焊末端执行部件对焊点金属的摩擦挤压及焊点金属自身的形变产热，实现点焊搭接接头的连接。搅拌摩擦点焊具有焊接质量高、焊点表面光滑、焊后零件变形小等优点，在航空航天、汽车高铁等领域应用广泛。

常规回填式搅拌摩擦点焊末端执行机构由三部分组成：压紧套、轴肩、搅拌针。压紧套位于最外层，轴肩位于中层，搅拌针位于最内层；焊接状态时，压紧套无旋转运动、无轴向移动，轴肩和搅拌针同步高速旋转，同时，轴肩和搅拌针沿轴向反向运动。轴肩和搅拌针旋转运动的驱动系统为一组驱动，其旋转方向和旋转速度完全相同。部分回填式搅拌摩擦点焊轴肩与搅拌针的轴向驱动采用同一组驱动装置，导致轴肩与搅拌针轴向移动速度和位移量相同，为保证轴肩挤出金属量与搅拌针抬起空间体积相同，轴肩端面面积与搅拌针端面面积尺寸必须相同，这将严格限制轴肩与搅拌针对焊点的热输入比例。部分回填式搅拌摩擦点焊采用电机加减速机加齿轮的驱动方式分别驱动轴肩和搅拌针轴向运动，齿轮啮合实现驱动的同时，啮合的两个齿轮还需轴向相对运动，导致传动精度较差，焊点内部易出现缺陷，焊点的轴肩作用区域和搅拌针作用区域不等高。

发明内容

(1)要解决的技术问题

本发明实施例第一方面提出了一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针、轴肩和驱动部件。本发明大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端的运动精度，提高焊接质量。

本发明实施例第二方面提出了一种应用了本发明实施例第一方面双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具的双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法。本发明大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端的运动精度，提高焊接质量。

(2)技术方案

本发明的实施例第一方面提出了一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针、轴肩和驱动部件，所述搅拌针可转动的套设在所述轴肩的中心通孔中，所述驱动部件分别用于驱动所述轴肩、所述搅拌针产生差速旋转运动和轴向进给运动，所述驱动部件包括主轴旋转驱动系统和轴向移动驱动系统；所述主轴旋转驱动系统包括电机和同步带轮，所述主轴旋转驱动系统分别通过对应的所述电机、所述同步带轮驱动所述搅拌针、所述轴肩沿轴向转动；所述轴向移动驱动系统包括油缸，所述油缸的外圈固定设置，所述油缸内圈分别用于与所述搅拌针、所述轴肩连接，用于驱动所述搅拌针、轴肩的主轴沿轴向方向的移动。

进一步地，还包括压紧套，所述轴肩套设在所述压紧套内。

进一步地，还包括支撑部件，所述搅拌针、所述轴肩以及所述压紧套均通过涨套连接在所述支撑部件上。

进一步地，所述油缸的移动方向上设有长度计。

进一步地，所述搅拌针的旋转速度为2000RPM，所述轴肩的旋转速度为1600RPM。

进一步地，所述支撑部件与点焊机机头连接。

本发明的实施例第二方面提出了一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法，包括如下步骤：

压紧套、轴肩、搅拌针的端面位于同一平面上，点焊机带动点焊机机头垂直向被焊零件运动，压紧套、轴肩、搅拌针同时接触被焊零件表面；

启动点焊机，压紧套处于静止状态，轴肩与搅拌针高速旋转，摩擦挤压被焊零件的焊点表面金属；

轴肩朝向被焊零件表面一侧移动，同时搅拌针朝向远离被焊零件表面一侧移动，继续实施焊接；

轴肩朝向远离被焊零件表面一侧移动，同时搅拌针朝向被焊零件表面一侧移动，继续实施焊接。

(3)有益效果

本发明实施例的双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具采用双电机和双油缸的驱动方式，通过搅拌针、轴肩的差速旋转，实现了焊点轴肩区域和搅拌针区域的热输入量比值调整和精确控制。双油缸的驱动方式大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端执行部件轴向运动精度，可根据实际生产需要单独调整搅拌针和轴肩的轴向位移量，变更搅拌针端面和轴肩端面的面积比，改变焊点内部的金属移动形貌，扩大焊接工艺范围。

除此之外，搅拌针、轴肩以及压紧套可以分别采用涨套、锁母的安装方式进行驱动和固定，同轴度较高，有效降低搅拌针、轴肩以及压紧套等执行部件的磨损，减小压紧套与轴肩、轴肩与搅拌针的间隙尺寸，提高焊接质量。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一实施例双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具的结构示意图。

图2是本发明一实施例双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具的结构示意图。

图3是本发明一实施例双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法流程图。

图中：搅拌针1、轴肩2、电机3、油缸4、压紧套5。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例，在不脱离本发明的精神的前提下覆盖了零件、部件和连接方式的任何修改、替换和改进。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参照附图1-附图3并结合实施例来详细说明本申请。

参阅附图1-附图2所示，根据本发明实施例第一方面的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针1、轴肩2和驱动部件，搅拌针1可转动的套设在轴肩2的中心通孔中，驱动部件分别用于驱动轴肩2、搅拌针1产生差速旋转运动和轴向进给运动，驱动部件包括主轴旋转驱动系统和轴向移动驱动系统；主轴旋转驱动系统包括电机3和同步带轮，主轴旋转驱动系统分别通过对应的电机3、同步带轮驱动搅拌针1、轴肩2沿轴向转动；轴向移动驱动系统包括油缸4，油缸4的外圈固定设置，油缸4内圈分别用于与搅拌针1、轴肩2连接，用于驱动搅拌针1、轴肩2的主轴沿轴向方向的移动。

工作原理：参阅附图1和附图2所示，在本发明实施例中，双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具主要由驱动部件、搅拌针1、轴肩2所组成。驱动部件由两套单独驱动部件组成，分别包括主轴旋转驱动系统和轴向移动驱动系统。其中，主轴旋转驱动系统主要由电机3和同步带轮的驱动方式，电机3位于搅拌针1、轴肩2所在轴线两侧，避让出轴向驱动的安装位置，电机3设有两套，分别驱动搅拌针1、轴肩2的主轴旋转，可实现搅拌针1、轴肩2主轴的无级调速。搅拌针1、轴肩2轴向移动轴向移动驱动系统，轴向移动驱动系统主要采用油缸4来驱动。油缸4外圈固定在支撑部件上，油缸4设有两套，分别带动搅拌针1、轴肩2主轴上下移动，完成轴肩2的下扎和搅拌针1的回填等动作。

而实现双驱差速回填式搅拌摩擦点焊的执行机构主要为搅拌针1、轴肩2以及压紧套5。搅拌针1、轴肩2以及压紧套5可以分别采用涨套、锁母的安装方式进行驱动和固定，通过涨套与搅拌针1、轴肩2以及压紧套5的摩擦力带动执行部件高速旋转。

根据本发明实施例第一方面的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具采用双电机3和双油缸4的驱动方式，通过搅拌针1、轴肩2的差速旋转，实现了焊点轴肩2区域和搅拌针1区域的热输入量比值调整和精确控制。双油缸4的驱动方式大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端执行部件轴向运动精度，可根据实际生产需要单独调整搅拌针1和轴肩2的轴向位移量，变更搅拌针1端面和轴肩2端面的面积比，改变焊点内部的金属移动形貌，扩大焊接工艺范围。

除此之外，搅拌针1、轴肩2以及压紧套5可以分别采用涨套、锁母的安装方式进行驱动和固定，同轴度较高，有效降低搅拌针1、轴肩2以及压紧套5等执行部件的磨损，减小压紧套5与轴肩2、轴肩2与搅拌针1的间隙尺寸，提高焊接质量。

根据本发明实施例第一方面的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具凭借其特有的结构，可以实现铝合金、镁合金等轻金属搭接焊缝的高效、高质量、低成本制造。

具体的，参阅附图2所示，根据本发明实施例第一方面的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具还包括支撑部件，搅拌针1、轴肩2以及压紧套5均通过涨套连接在支撑部件上，油缸4的移动方向上设有长度计，搅拌针1的旋转速度为2000RPM，轴肩2的旋转速度为1600RPM，支撑部件与点焊机机头连接。长度计的设置可进一步提高轴向移动的精度控制。

参阅附图1-3所示，根据本发明实施例第二方面的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法，包括如下步骤：

压紧套5、轴肩2、搅拌针1的端面位于同一平面上，点焊机带动点焊机机头垂直向被焊零件运动，压紧套5、轴肩2、搅拌针1同时接触被焊零件表面；

启动点焊机，压紧套5处于静止状态，轴肩2与搅拌针1高速旋转，摩擦挤压被焊零件的焊点表面金属；

轴肩2朝向被焊零件表面一侧移动，同时搅拌针1朝向远离被焊零件表面一侧移动，继续实施焊接；

轴肩2朝向远离被焊零件表面一侧移动，同时搅拌针1朝向被焊零件表面一侧移动，继续实施焊接。

参阅附图1-3所示，在本发明实施例中，双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法主要应用在本发明实施例第一方面的双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具中，本发明实施例通过搅拌针1、轴肩2的差速旋转，实现了焊点轴肩2区域和搅拌针1区域的热输入量比值调整和精确控制。双油缸4的驱动方式大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端执行部件轴向运动精度，可根据实际生产需要单独调整搅拌针1和轴肩2的轴向位移量，变更搅拌针1端面和轴肩2端面的面积比，改变焊点内部的金属移动形貌，扩大焊接工艺范围。

下面以一个具体的实施例来说明本发明实施例第二方面的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法。

在本发明实施例中，参阅附图1-3所示，被焊工件材料为2219铝合金，板厚2mm，焊接形式为搭接，设定轴肩旋转速度1600RPM，搅拌针旋转速度2000RPM,焊接深度2.5mm。

首先，启动设备，两台电机3分别带动搅拌针1、轴肩2的主轴高速旋转，压紧套5、轴肩2、搅拌针1端面位于同一平面上，设备带动机头垂直向工件运动，压紧套5、轴肩2、搅拌针1同时接触被焊零件表面。压紧套5处于静止状态，轴肩2与搅拌针1高速旋转，摩擦挤压焊点表面金属；

其次，轴肩2向下移动，同时搅拌针1向上移动，焊点的塑性金属在轴肩的摩擦挤压作用下向搅拌针下部的空腔移动；

再次，轴肩2向上移动，同时搅拌针1向下移动，焊点的塑性金属在搅拌针的摩擦挤压作用下向轴肩下部的空腔移动；

最后，轴肩2与搅拌针1端面移动到被焊金属表面后，通过对焊点表面金属的挤压摩擦，增强焊点内部金属的移动能力，防止焊点内部产生空洞。设备带动压紧套5、轴肩2、搅拌针1离开焊点表面，一个双驱差速回填式搅拌摩擦点焊周期完成。

在本发明实施例中，通过搅拌针1、轴肩2的差速旋转，实现了焊点轴肩2区域和搅拌针1区域的热输入量比值调整和精确控制。双油缸4的驱动方式大幅提高了回填式搅拌摩擦点焊末端执行部件轴向运动精度，可根据实际生产需要单独调整搅拌针1和轴肩2的轴向位移量，变更搅拌针1端面和轴肩2端面的面积比，改变焊点内部的金属移动形貌，扩大焊接工艺范围。

需要明确的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。对于方法的实施例而言，相关之处可参见设备实施例的部分说明。本发明并不局限于上文所描述并在图中示出的特定步骤和结构。并且，为了简明起见，这里省略对已知方法技术的详细描述。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不限制于本申请。在不脱离本发明的范围的情况下对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，包括搅拌针、轴肩和驱动部件，所述搅拌针可转动的套设在所述轴肩的中心通孔中，所述驱动部件分别用于驱动所述轴肩、所述搅拌针产生差速旋转运动和轴向进给运动，其特征在于，所述驱动部件包括主轴旋转驱动系统和轴向移动驱动系统；所述主轴旋转驱动系统包括电机和同步带轮，所述主轴旋转驱动系统分别通过对应的所述电机、所述同步带轮驱动所述搅拌针、所述轴肩沿轴向转动；所述轴向移动驱动系统包括油缸，所述油缸的外圈固定设置，所述油缸内圈分别用于与所述搅拌针、所述轴肩连接，用于驱动所述搅拌针、轴肩的主轴沿轴向方向的移动。

2.根据权利要求1所述的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，还包括压紧套，所述轴肩套设在所述压紧套内。

3.根据权利要求2所述的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，还包括支撑部件，所述搅拌针、所述轴肩以及所述压紧套均通过涨套连接在所述支撑部件上。

4.根据权利要求1所述的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述油缸的移动方向上设有长度计。

5.根据权利要求1所述的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述搅拌针的旋转速度为2000RPM，所述轴肩的旋转速度为1600RPM。

6.根据权利要求3所述的一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊工具，其特征在于，所述支撑部件与点焊机机头连接。

7.一种双驱差速回填式搅拌摩擦点焊方法，其特征在于，包括如下步骤：

压紧套、轴肩、搅拌针的端面位于同一平面上，点焊机带动点焊机机头垂直向被焊零件运动，压紧套、轴肩、搅拌针同时接触被焊零件表面；

启动点焊机，压紧套处于静止状态，轴肩与搅拌针高速旋转，摩擦挤压被焊零件的焊点表面金属；

轴肩朝向被焊零件表面一侧移动，同时搅拌针朝向远离被焊零件表面一侧移动，继续实施焊接；

轴肩朝向远离被焊零件表面一侧移动，同时搅拌针朝向被焊零件表面一侧移动，继续实施焊接。

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