CN115383281A - 一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构、焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构、焊接装置及方法，包括机座、滑台机构、顶推机构、主轴箱，以及主轴机构；主轴机构包括管状的主轴腔体，主轴位于主轴腔体的内部并与主轴腔体轴承连接，主轴的前端部与锥套连接，锥套内滑动的安装有与之相配合的弹性夹头，弹性夹头远离主轴的一端安装有夹具，所述弹性夹头靠主轴的一端与安装在主轴内的拉管连接，拉管与回转油缸的伸缩杆连接，所述回转油缸与主轴驱动轮连接固定，拉管内安装有顶杆。通过上述结构，主轴机构能够夹持套管和定位待焊工件，对摩擦焊设备旋转主轴要求降低，套管防止待焊工件颤动，并能够使待焊工件与待焊钢板之间均匀升温，焊接质量稳定，提高工件与钢板之间焊接的力学性能。

Description

一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构、焊接装置及 方法

技术领域

本发明涉及摩擦焊接技术领域，尤其涉及一种适合于小直径工件摩擦焊接装的主轴机构、焊接装置及方法。

背景技术

核电建造过程涉及到大量T接结构的钢筋预埋件，若采用摩擦焊接的方式进行焊接，不仅焊接效率高、焊接质量稳定，且焊接过程无烟无尘、绿色环保，因此摩擦焊技术在核电钢筋预埋件焊接中具有巨大的应用潜力，同时在其他建筑领域也有广泛的应用前景。

然对于小直径（直径不大于φ16mm）钢筋而言，采用摩擦焊接技术容易存在以下问题：

1、小直径钢筋横截面积较小，需要设置更高的转速进行摩擦产热，对摩擦焊设备旋转主轴电机要求更高；

2、钢筋、钢板截面积相差较大，钢筋钢板T接摩擦焊接过程散热不均匀，钢板侧散热块，钢筋散热慢，接缝处容易产生缺陷；

3、焊接过程小直径钢筋很容易产生自磨损，与钢板有效的焊合面积较小且存在极限值，因此会降低接头力学性能，尤其是拉伸力学性能；

4、同等钢筋伸出量的情况下，小直径钢筋刚性较低，一级摩擦阶段极易发生颤动，影响焊接质量的稳定性；

5、为了获得更大的焊合面积，需增大钢筋伸出量，随着钢筋自由端伸出量的增加，焊接过程的颤动更加严重，钢筋焊接变形增加，甚至直接发生挠曲变形，影响正常焊接。

以上问题阻碍了小直径工件摩擦焊接的实际推广应用。现有技术中，主要采用焊前预热或改变接头形式的方式，以解决摩擦焊工件截面相差较大和提高焊接质量的问题，预热方式包括电阻加热、摩擦预热、火焰加热等。电阻加热对于一板多筋的接头容易造成电流分流，且增加设备制造难度，摩擦预热和火焰加热会增加了焊接时间，降低了生产效率；通过改变接头形状（如钢筋和钢板采用锥头和锥孔配合）对于小直径钢筋的刚性问题并无解决。因此，有必要研究一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构、焊接装置和方法，提升焊接质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，主轴机构能够夹持套管和定位待焊工件，增加与钢板的接触面积，对摩擦焊设备旋转主轴要求降低，套管防止待焊工件颤动，并能够使待焊工件与待焊钢板之间均匀升温，焊接质量稳定，提高工件与钢板之间焊接的力学性能。

本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种采用上述主轴机构的焊接装置，通过该装置，能够对小直径钢筋进行批量焊接，焊接工件的接头力学性能好，焊接后的小直径钢筋不弯曲变形，焊接质量高。

本发明还要解决的一个技术问题是：提供一种采用上述焊接装置进行焊接的方法，通过该方法实现小直径钢筋与钢板的摩擦焊接。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，所述主轴机构包括管状的主轴腔体，主轴腔体的内部转动的安装有主轴，所述主轴的前端部与锥套连接，后端与主轴驱动轮连接，锥套内滑动的安装有与之相配合的弹性夹头，弹性夹头远离主轴的一端安装有夹具，弹性夹头靠主轴的一端与安装在主轴内的拉管连接，拉管与回转油缸的伸缩杆连接，回转油缸与主轴驱动轮连接固定，拉管内安装有顶杆；使用状态下，回转油缸的伸缩杆回缩使弹性夹头收缩，从而使夹具夹紧套管和待焊工件，待焊工件位于套管内并与顶杆抵靠。

所述主轴腔体的内部靠近两端分别设有后主轴轴承和前主轴轴承，主轴安装在两个主轴轴承的内圈，后主轴轴承在远离前主轴轴承一侧设有顶环，顶环套装在主轴上，顶环一侧抵靠后主轴轴承的内圈，另一侧与安装在主轴后端部的主轴驱动轮抵靠，所述主轴的后端部设有外螺纹，环形螺母安装在外螺纹上抵靠主轴驱动轮，从而使主轴在主轴腔体内定位转动；主轴腔体的两端分别安装有前端盖和后端盖，前端盖和后端盖分别套装在主轴上，将前后主轴轴承密封，顶环位于后端盖与主轴之间，顶环与后端盖间隙配合。

所述主轴的前端部安装有过渡环，过渡环一侧连接在主轴的前端部，另一侧与锥套连接固定。

所述回转油缸通过转接法兰与主轴驱动轮连接，转接法兰一侧与回转油缸连接固定，另一侧与主轴驱动轮连接固定。

所述拉管一端与弹性夹头螺纹连接，所述弹性夹头靠主轴的一端设有内螺纹，拉管端部设有外螺纹；所述拉管另一端通过连接轴与回转油缸的伸缩杆连接，所述顶杆远离夹具的一端抵靠在连接轴的端部。

所述夹具由多个扇形部件组成，所述夹具包括轴体，轴体的中部外壁设有凸缘，凸缘设有安装孔与弹性夹头螺栓连接，轴体位于弹性夹头内的一端中心设有用于待焊工件穿过的定位通道，轴体另一端的中心设有用于夹持套管的夹持通道，定位通道与夹持通道连通，位于夹持通道一侧的轴体上设有紧固螺纹孔，紧固螺栓安装在紧固螺纹孔中。

一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，包括机座、滑台机构、顶推机构、主轴箱，以及主轴机构；所述机座包括底座，底座的两端上侧分别安装有左支撑体和右支撑体，左支撑体和右支撑体向上延伸，顶部通过横梁连接，所述主轴箱固定安装在底座上，一侧与左支撑体连接固定，主轴机构安装在主轴箱上，弹性夹头一端朝向右支撑体，用于驱动主轴转动的第一电机安装主轴箱内，第一电机的输出轴安装有带轮，通过皮带与主轴驱动轮配合传动，所述顶推机构安装在右支撑体内，所述左支撑体和右支撑体之间的底座上设有滑道，滑台机构与滑道配合连接，通过顶推机构的推拉，滑台机构能够沿滑道导向滑动；所述滑台机构靠主轴机构一侧设有夹台，夹台能够左右和上下滑动。

所述滑台机构包括滑座，滑座底部与滑道滑动配合连接，滑座侧面通过横向的第一直线导轨副与夹台连接，滑座与第一直线导轨副垂直的侧面固定安装有第一伺服电机，第一伺服电机通过第一滚珠丝杆副驱动夹台沿左右运动；所述夹台包括滑台底座，滑台底座远离滑座一侧设有纵向的第二直线导轨副与夹板连接，滑台底座的顶部安装有第二伺服电机，第二伺服电机通过滚珠丝杆副驱动夹板上下运动；所述夹板设有定位板和/或夹持机构，用于对放置在夹板上的待焊钢板进行固定。

所述顶推机构包括外管体，外管体内靠近两端分别设有转管轴承，转管轴承的内圈安装有转管，外管体的两端分别安装有密封环，密封环套装在转管外，转管靠滑台机构一端固定安装有管状螺母，另一端安装有皮带轮，所述转管位于皮带轮与靠近皮带轮一侧的转管轴承之间设有定位环，皮带轮一侧抵靠定位环使转管在外管体内定位转动，位于皮带轮另一侧的转管上安装有圆螺母，圆螺母抵靠皮带轮，使皮带轮定位在转管上；顶推丝杆转动的安装在管状螺母内，顶推丝杆一端设有柔性连接器与滑台机构连接；用于驱动转管转动的第二电机安装在顶推机构下方的底座上，第二电机的输出轴设有带轮通过皮带与皮带轮配合传动，使顶推丝杆伸缩，从而推动滑台机构移动；所述柔性连接器包括固定头、第一连接环、第二连接环和过渡连接体，所述固定头固定安装在顶推丝杆端部，固定头的直径大于顶推丝杆的直径，第一连接环套在固定头外部并与第二连接环连接固定，第二连接环与滑台机构连接固定，固定头在第一连接环具有间隙，过渡连接体安装在第一连接环内，一侧与固定头限位配合，另一侧与第二连接环限位配合，从而限制顶推丝杆转动。

采用一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置的焊接方法，它包括以下步骤：

S1. 将待焊工件和套管安装到夹具上，待焊工件一端与顶杆抵靠，另一端位于套管内，并与套管端部存在间隔；回转油缸的伸缩杆回缩使弹性夹头后移，驱动夹具夹紧套管，拧紧紧固螺栓，将套管和待焊工件压紧；

S2. 将待焊钢板放置在夹板上，并通过定位板和/或夹持机构将待焊钢板固定，当待焊钢板对应待焊工件的焊接位置不符合要求时，启动第一伺服电机和/或第二伺服电机，从而调整待焊钢板的焊接位置；

S3. 启动第一电机，主轴转动，待焊工件和套管以相同角速度旋转；

S4. 第二电机启动，带动转管转动，转管转动带动管状螺母转动，从而使顶推丝杆伸出，推动滑台机构向待焊工件一侧移动，从而使待焊钢板逐渐前移，套管与待焊钢板接触，此时在摩擦作用下进行对待焊钢板进行预热；顶推丝杆前端安装有压力传感器，精确控制摩擦焊接顶锻压力的大小；

S5. 一级摩擦阶段：随着摩擦的进行，套管前端材料不断的消耗，直至套管内部的待焊工件与待焊钢板接触；

S6. 二级摩擦阶段：顶锻力增加，待焊工件和套管前端的材料不断被消耗，且在摩擦热和旋转力作用下发生剧烈的塑性变形，同时焊合面积不断增加；

S7. 顶锻阶段：主轴停止旋转，顶推机构施加更大的顶锻力，完成待焊工件与待焊钢板的焊接，同时多余的塑性金属被排出形成飞边；

S8. 回转油缸的伸缩杆伸出使弹性夹头前移，夹具松开套管，松开紧固螺栓，滑台机构回原位，将套管和待焊工件取出，再从夹板上取下钢板。

本发明有如下有益效果：

1、主轴机构能够夹持套管和定位待焊工件，增加与钢板的接触面积，对摩擦焊设备旋转主轴要求降低，套管防止待焊工件颤动，并能够使待焊工件与待焊钢板之间均匀升温，焊接质量稳定，提高工件与钢板之间焊接的力学性能。

2、在小直径待焊工件外套套管，可实现设备在较低转速下进行小直径工件的焊接，扩充了设备的使用范围，同时对摩擦焊设备旋转主轴要求降低。

3、该装置不仅能提前对钢板进行预热，在焊接过程中提升小直径工件的抗变形能力，焊接后的小直径钢筋不弯曲变形，焊接质量高。

4、通过夹具，加上套管的使用，套管也参与了摩擦焊接过程，使得小直径待焊工件在较大顶锻力下抗变形能力增强，焊后接头的焊合面积得到增大，摩擦焊缝得到增强，提升了小直径工件与钢板摩擦焊接头的力学性能。

5、小直径待焊工件外端相对于套管内缩，摩擦预热时小直径待焊工件不与待焊钢板接触，实现了焊前的预热，更有利于增加焊缝的熔深。

6、采用摩擦预热的方式对钢板进行预热，效率高，成本低。

附图说明

图1为本发明主轴机构主视结构示意图。

图2为本发明主轴机构局部结构示意图。

图3为本发明夹具主视结构示意图。

图4为图3中A-A剖面结构示意图。

图5为本发明焊接装置主视结构示意图。

图6为本发明焊接装置第一个视立体结构示意图。

图7为本发明焊接装置第二个视角立体结构示意图。

图8为本发明焊接装置第三个视角立体结构示意图。

图9为本发明滑台机构立体结构示意图。

图10为本发明焊接装置剖面结构示意图。

图11为本发明顶推机构剖面结构示意图。

图12为本发明柔性连接器剖面结构示意图。

图13为本发明使用时，待焊工件转动，并与待焊钢板间隔时的示意图。

图14为本发明使用时，待焊工件转动，套管与与待焊钢板接触时的示意图。

图15为本发明使用时，在一级摩擦阶段时示意图。

图16为本发明使用时，在二级摩擦阶段时示意图。

图17为本发明使用时，在顶锻阶段时示意图。

图18为本发明使用时的焊接流程曲线图。

图19为本发明使用时，待焊钢板受热区域示意图。

图20为焊接完成后，本发明焊接与常规焊接的接头处焊合面积对比图。

图21为采用本发明，焊后接头处的焊合面积。

图22为采用常规焊接，焊后接头处的焊合面积。

图中：机座10，底座11，左支撑体12，右支撑体13，横梁14，滑道15；

滑台机构20，滑座201，第一直线导轨副202，第一滚珠丝杆副203，第一伺服电机204，夹台21，滑台底座211，第二直线导轨副212，第二伺服电机213，夹板214，定位板215，夹持机构216；

顶推机构30，外管体31，转管轴承311，密封环312，转管32，管状螺母33，皮带轮34，圆螺母35，顶推丝杆36，柔性连接器37，固定头371、第一连接环372、第二连接环373，过渡连接体374，定位环38，第二电机39；

主轴机构40，回转油缸401，转接法兰402，连接轴403，环形螺母404，轴驱动轮405，顶环406，后端盖407，后主轴轴承408a，前主轴轴承408b，主轴腔体409，主轴410，拉管411，顶杆412，前端盖413，过渡环414，主锥套415，弹性夹头416，夹具417，轴体4171，凸缘4172，定位通道4173，夹持通道4174，紧固螺纹孔4175，紧固螺栓418；

套管50，待焊工件60，主轴箱70，第一电机71， 待焊钢板80，预热区81，摩擦塑性区82，温度递减区83。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

实施例一：

参见图1-4，一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，所述主轴机构40包括管状的主轴腔体409，主轴腔体409的内部靠近两端分别设有后主轴轴承408a和前主轴轴承408b，主轴410安装在两个主轴轴承的内圈，后主轴轴承408a在远离前主轴轴承408b一侧设有顶环406，顶环406套装在主轴410上，顶环406一侧抵靠后主轴轴承408a的内圈，另一侧与安装在主轴410后端部的主轴驱动轮405抵靠，所述主轴410的后端部设有外螺纹，环形螺母404安装在外螺纹上抵靠主轴驱动轮405，从而使主轴410在主轴腔体409内定位转动；所述主轴410的前端部与锥套415连接，锥套415内滑动的安装有与之相配合的弹性夹头416，弹性夹头416远离主轴410的一端安装有夹具417，所述弹性夹头416靠主轴410的一端与安装在主轴410内的拉管411连接，拉管411与回转油缸401的伸缩杆连接，所述回转油缸401与主轴驱动轮405连接固定，所述拉管411内安装有顶杆412；使用状态下，回转油缸401的伸缩杆回缩使弹性夹头416收缩，从而驱动夹具417夹紧套管50，待焊工件60位于套管50内并与顶杆412抵靠。通过上述结构，主轴机构40能够夹持套管50和定位待焊工件60，对摩擦焊设备旋转主轴要求降低，套管50防止待焊工件颤动，并能够使待焊工件60与待焊钢板80之间均匀升温，焊接质量稳定，提高工件与钢板之间焊接的力学性能。

优选的，后主轴轴承408a和前主轴轴承408b为圆锥滚子轴承，按图1中方向安装，通过顶环406的限位，并能调整轴承游隙，从而使主轴410运行的更稳定。弹性夹头416的锥形端平均分为六瓣，每瓣之间存在间隙。

参见图1，所述主轴腔体409的两端分别安装有前端盖413和后端盖407，前端盖413和后端盖407分别套装在主轴410上，将前后主轴轴承密封，所述顶环406位于后端盖407与主轴410之间，顶环406与后端盖407间隙配合。使主轴轴承408a和前主轴轴承408b形成密封空间，便于润滑或冷却。在主轴腔体409上开孔，便能通入润滑油脂或者循环冷却水。

参见图1，所述主轴410的前端部安装有过渡环414，过渡环414一侧连接在主轴410的前端部，另一侧与锥套415连接固定。便于不同大小的与锥套415与主轴410连接。

参见图1，所述回转油缸401通过转接法兰402与主轴驱动轮405连接，转接法兰402一侧与回转油缸401连接固定，另一侧与主轴驱动轮405螺栓连接固定。设有转接法兰402，便于回转油缸401的旋转端与主轴驱动轮405连接固定。回转油缸401包括连接液压油管伸缩部分和前端旋转部分，旋转部分U与主轴驱动轮405连接，从而实现在主轴410旋转中时为拉动拉管411，从而收拢夹具417。

参见图1，所述拉管411一端与弹性夹头416螺纹连接，所述弹性夹头416靠主轴410的一端设有内螺纹，拉管411端部设有外螺纹；所述拉管411另一端通过连接轴403与回转油缸401的伸缩杆连接，便于连接安装。顶杆412远离夹具417的一端抵靠在连接轴403的端部。顶杆412的直径略小于拉管411的内径，顶杆412在拉管411不晃动，同时顶杆412的直径大于待焊工件60的直径。

参见图3、4，所述夹具417由六个扇形部件组成，夹具417的六个扇形部件与弹性夹头416的锥形端的六瓣一一对应。夹具包括轴体4171，轴体4171的中部外壁设有凸缘4172，凸缘4172设有安装孔与弹性夹头416螺栓连接，轴体4171位于弹性夹头416内的一端中心设有用于待焊工件60穿过的定位通道4173，轴体4171另一端的中心设有用于夹持套管50的夹持通道4174，定位通道4173与夹持通道4174连通，位于夹持通道4174一侧的轴体4171上设有紧固螺纹孔4175，紧固螺栓418安装在紧固螺纹孔4175中。夹具结构呈圆周对称结构，同样在圆周被分为6瓣，每瓣之间存在间隙L。夹具417外部设计有凸缘4172，通过凸缘4172上的阶梯孔可与弹性夹头416的端部相连，且每瓣夹具与弹性夹头416一一对应。夹具417内部设有呈阶梯孔结构的定位通道4173与夹持通道4174，可用于分别安装套管50和待焊工件60（小直径工件），其中套管50的内径与待焊工件60外径相等，待焊工件60在套管50不会转动。待焊工件50后端与顶杆412接触，顶杆412直径比待焊工件60直径大，具备很好的抗挠曲变形能力，待焊工件60内缩于套管50内。焊接时，在拉杆411作用下，弹性夹头416在锥套415的固定作用下内缩，同时夹具417也会发生内缩，进而实现对待焊工件60和套管50的夹紧，同时也增加了小直径工件焊接过程的抗变形能力。另外内部的顶杆412可保证在较大顶锻力作用下，防止待焊工件60的滑动。

实施例二：

参见图5-12，一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，包括机座10、滑台机构20、顶推机构30、主轴箱70，以及主轴机构40；所述机座包括底座11，底座11的两端上侧分别安装有左支撑体12和右支撑体13，左支撑体12和右支撑体13向上延伸，顶部通过横梁14连接，所述主轴箱70固定安装在底座11上，一侧与左支撑体12连接固定，主轴机构40安装在主轴箱70上，弹性夹头416一端朝向右支撑体13，用于驱动主轴410转动的第一电机71安装主轴箱70内，第一电机71的输出轴安装有带轮，通过皮带与主轴驱动轮405配合传动，所述顶推机构30安装在右支撑体13内，所述左支撑体12和右支撑体13之间的底座11上设有滑道15，滑台机构20与滑道15配合连接，通过顶推机构30的推拉，滑台机构20能够沿滑道15导向滑动；所述滑台机构20靠主轴机构40一侧设有夹台21，夹台21能够左右和上下滑动。通过该装置，能够对小直径工件进行批量焊接，焊接工件的接头力学性能好，焊接后的小直径工件不发生弯曲变形，焊接质量高。

使用时，待焊工件60和套管50同时安装在主轴机构40上，待焊钢板80固定在夹台21上，主轴机构40转动达到预设速度后，顶推机构30推动滑台机构20向主轴机构40运行，使钢板80抵靠待焊工件60和套管50，使待焊工件60和套管50在压力下与待焊钢板80发生转动摩擦，从而热熔焊接在一起。

滑道15可以是燕尾滑槽结构，也可以是直线导轨结构，只要能够承受滑台机构20的重量，并能直线导向的结构，均可以用于滑台机构20和底座11的滑动连接。

参见图9，所述滑台机构20包括滑座201，滑座201底部与滑道15滑动配合连接，滑座201侧面通过横向的第一直线导轨副202与夹台21连接，滑座201与第一直线导轨副202垂直的侧面固定安装有第一伺服电机204，第一伺服电机204通过第一滚珠丝杆副203驱动夹台21沿左右运动；所述夹台21包括滑台底座211，滑台底座211远离滑座201一侧设有纵向的第二直线导轨副212与夹板214连接，滑台底座211的顶部安装有第二伺服电机213，第二伺服电机213通过滚珠丝杆副驱动夹板214上下运动；所述夹板214设有定位板215和/或夹持机构216，用于对放置在夹板214上的待焊钢板80进行固定。使待焊钢板80的位置可任意调节，从而能够方便在在一个钢板上焊接多个钢筋。夹持机构216包括液压油缸夹具或者螺栓固定的夹具。

参见图11，所述顶推机构30包括外管体31，外管体31内靠近两端分别设有转管轴承311，转管轴承311的内圈安装有转管32，外管体31的两端分别安装有密封环312，密封环312套装在转管32外，转管32靠滑台机构20一端固定安装有管状螺母33，另一端安装有皮带轮34，所述转管32位于皮带轮34与靠近皮带轮34一侧的转管轴承311之间设有定位环38，皮带轮34一侧抵靠定位环38使转管32在外管体31内定位转动，位于皮带轮34另一侧的转管32上安装有圆螺母35，圆螺母35抵靠皮带轮34，使皮带轮34定位在转管32上；顶推丝杆36转动的安装在管状螺母33内，顶推丝杆36一端设有柔性连接器37与滑台机构20连接；用于驱动转管32转动的第二电机39安装在顶推机构30下方的底座11上，第二电机39的输出轴设有带轮通过皮带与皮带轮34配合传动，使顶推丝杆36伸缩，从而推动滑台机构20移动；所述柔性连接器37包括固定头371、第一连接环372、第二连接环373和过渡连接体374，所述固定头371固定安装在顶推丝杆36端部，固定头371的直径大于顶推丝杆36的直径，第一连接环372套在固定头371外部并与第二连接环373连接固定，第二连接环373与滑台机构20连接固定，固定头371在第一连接环372具有间隙，能够避让因顶推丝杆36螺纹连接在受力状态下中心轴线出现的跳动。过渡连接体374安装在第一连接环372内，一侧与固定头371限位配合，另一侧与第二连接环373限位配合，从而限制顶推丝杆36转动。采用螺纹结构推动滑台机构20，便于控制运行速度和时间，满足套管50和待焊工件60在不同焊接阶段上时间和压力的控制，并且稳定性好，不会在焊接施压的过程中出现伸缩弹跳，进而保证了焊接质量。顶推丝杆36与滑台机构20柔性连接，避免了因顶推丝杆36在转动的过程中，因螺纹间隙因素，造成在受力的情况下卡阻，从而防止损伤螺纹，并能使顶推丝杆36顺利转动。柔性连接器37内设有压力传感器，精确控制摩擦焊接顶锻压力的大小。

实施例三：

参见图13-20，采用一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置的焊接方法，它包括以下步骤：

S1. 将待焊工件60和套管50安装到夹具417上，待焊工件60一端与顶杆412抵靠，另一端位于套管50内，并与套管50端部存在间隔；回转油缸401的伸缩杆回缩使弹性夹头416后移，驱动夹具417夹紧套管50，拧紧紧固螺栓418，将套管50和待焊工件60压紧。

S2. 将待焊钢板80放置在夹板214上，并通过定位板215和/或夹持机构216将待焊钢板80固定，当待焊钢板80对应待焊工件60的焊接位置不符合要求时，启动第一伺服电机204和/或第二伺服电机213，从而调整待焊钢板80的焊接位置。

S3. 参见图13，启动第一电机71，主轴410转动，待焊工件60和套管50以相同角速度旋转。

S4. 参见图14，第二电机39启动，带动转管32转动，转管32转动带动管状螺母33转动，从而使顶推丝杆36伸出，推动滑台机构20向待焊工件60一侧移动，从而使待焊钢板80逐渐前移，套管50与待焊钢板80接触，此时在摩擦作用下进行对待焊钢板80进行预热。套管50与待焊钢板80摩擦阶段，在钢板上会产生几个区域，参见图19：包括摩擦塑性区82，此区域是套管与钢板直接接触和摩擦的区域，温度最高；摩擦塑性区内部为预热区81，在热传导作用下，这部分区域的温度仅次于摩擦塑性区，为待焊工件60（钢筋）的焊接进行预热；摩擦塑性区外侧为温度递减区83。顶推丝杆36前端安装有压力传感器，精确控制摩擦焊接顶锻压力的大小。

S5. 参见图15，一级摩擦阶段：随着摩擦的进行，套管50前端材料不断的消耗，直至套管50内部的待焊工件60与待焊钢板80接触，此时待焊工件60与待焊钢板80开始焊接。因为摩擦预热的缘故，更有利于小直径工件旋压进入钢板，可有效增加焊缝的熔深。

S6. 参见图16，二级摩擦阶段：相比于一级摩擦阶段，顶锻力增加，待焊工件60和套管50前端的材料不断被消耗，且在摩擦热和旋转力作用下发生剧烈的塑性变形，同时焊合面积不断增加。

S7. 参见图17，顶锻阶段：主轴410停止旋转，顶推机构30施加更大的顶锻力，完成待焊工件60与待焊钢板80的焊接，同时多余的塑性金属被排出形成飞边。

完成焊接后，参见图20，将飞边去除可得到焊合面积较大（S2）的接头，相比于常规的摩擦焊接，增强了接头的力学性能，

S8. 回转油缸401的伸缩杆伸出使弹性夹头416前移，夹具417松开套管50，松开紧固螺栓418，滑台机构20回原位，将套管50和待焊工件60取出，再从夹板214上取下钢板。

图18中，为摩擦焊接时各步骤阶段中转速和（摩擦压力）顶锻压力曲线图。

实施例四：

本发明中所述的摩擦焊接不仅仅指的是连续驱动摩擦焊接，还可适用于惯性摩擦焊接以及其他摩擦焊接方式。

待焊工件指的是直径为φ16mm及以下的小直径工件，当然也可适合于大于φ16mm的圆形截面工件。

以下结合具体实施案例进一步说明该专利：

S1、焊前对待焊工件60和待焊钢板80进行必要的打磨除锈，打磨区域为钢板焊缝及周边50mm区域范围。

S2、更换与小直径待焊工件60对应规格的夹具417，选取合适长度的顶杆412和套管50；一般地，套管50的材质与待焊工件60的材质相同或相近，待焊工件60相比于套管50内缩距离为2-8mm，套管50厚度为2-5mm。以φ12mm的待焊工件为例，套管50尺寸为φ20*4mm（外径20mm，壁厚4mm）。

S3、安装待焊工件60和套管50，拧紧紧固螺栓418将圆柱套管50固定于夹具417上。

S4、启动第一电机71，通过油泵控制回转油缸401和拉管411，通过夹具417对待焊工件60和套管50进行夹紧固定。

S5、设置好焊接参数和对应坐标程序，焊接参数主要包括转速、焊接时间（预热时间、一级时间、二级时间、顶锻时间）、焊接压力（预热压力、一级压力、二级压力、顶锻压力）；

对于φ12mm钢筋的摩擦焊接，转速为1400-1600rpm；预热压力为5kN，预热时间为10s；一级压力为10kN，一级时间为20s；二级压力为30kN，一级时间为8s；顶锻压力为60kN，顶锻时间为5s。

S6、启动第二电机39，直到单根焊接结束后停止；

S7、松掉圆紧固螺栓418，该工件焊接结束，焊后可采用车削或其他方法去除多余套管50和飞边（必要情况下）。

S8、滑台机构20动到下一坐标，更换新的管50和待焊工件60，重复第3-7的流程，直至钢板上所有的小直径工件全部焊接完成。

图21为采用本发明焊接方法，焊接完成后焊接接头处的焊合面积为25mm。

图22为采用常规焊接，焊后接头处的焊合面积为13mm。

经拉伸试验对比测试，采用本发明的焊接方法，焊后接头拉伸断裂位置位于钢筋母材，而常规焊接接头焊后拉伸断裂位置位于焊缝处，见下表。（实验中，待焊工件60采用材质为HRB400E，直径为12mm的螺纹钢；待焊钢板80采用材质为Q355B，厚度为10mm的钢板。）参照JGJ18-2012《钢筋焊接及验收规程》的要求，对于HRB400E的钢筋T接而言，抗拉强度需大于等于540MPa，且断裂位置需位于钢筋母材。

采用本发明的焊接方法，有效地增加了小直径钢筋（工件）与钢板的焊合面积，确保了接头处的力学性能优于母材，因此采用本发明的焊接方法可显著增加接头力学性能。这种有益效果是采用常规焊接方法无法得到的。

Claims (10)

1.一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述主轴机构（40）包括管状的主轴腔体（409），主轴腔体（409）的内部转动的安装有主轴（410），所述主轴（410）的前端部与锥套（415）连接，后端与主轴驱动轮（405）连接，锥套（415）内滑动的安装有与之相配合的弹性夹头（416），弹性夹头（416）远离主轴（410）的一端安装有夹具（417），弹性夹头（416）靠主轴（410）的一端与安装在主轴（410）内的拉管（411）连接，拉管（411）与回转油缸（401）的伸缩杆连接，回转油缸（401）与主轴驱动轮（405）连接固定，拉管（411）内安装有顶杆（412）；使用状态下，回转油缸（401）的伸缩杆回缩使弹性夹头（416）收缩，从而使夹具（417）夹紧套管（50）和待焊工件（60），待焊工件（60）位于套管（50）内并与顶杆（412）抵靠。

2.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述主轴腔体（409）的内部靠近两端分别设有后主轴轴承（408a）和前主轴轴承（408b），主轴（410）安装在两个主轴轴承的内圈，后主轴轴承（408a）在远离前主轴轴承（408b）一侧设有顶环（406），顶环（406）套装在主轴（410）上，顶环（406）一侧抵靠后主轴轴承（408a）的内圈，另一侧与安装在主轴（410）后端部的主轴驱动轮（405）抵靠，所述主轴（410）的后端部设有外螺纹，环形螺母（404）安装在外螺纹上抵靠主轴驱动轮（405），从而使主轴（410）在主轴腔体（409）内定位转动；主轴腔体（409）的两端分别安装有前端盖（413）和后端盖（407），前端盖（413）和后端盖（407）分别套装在主轴（410）上，将前后主轴轴承密封，顶环（406）位于后端盖（407）与主轴（410）之间，顶环（406）与后端盖（407）间隙配合。

3.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述主轴（410）的前端部安装有过渡环（414），过渡环（414）一侧连接在主轴（410）的前端部，另一侧与锥套（415）连接固定。

4.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述回转油缸（401）通过转接法兰（402）与主轴驱动轮（405）连接，转接法兰（402）一侧与回转油缸（401）连接固定，另一侧与主轴驱动轮（405）连接固定。

5.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构，其特征在于：所述拉管（411）一端与弹性夹头（416）螺纹连接，所述弹性夹头（416）靠主轴（410）的一端设有内螺纹，拉管（411）端部设有外螺纹；所述拉管（411）另一端通过连接轴（403）与回转油缸（401）的伸缩杆连接，所述顶杆（412）远离夹具（417）的一端抵靠在连接轴（403）的端部。

6.根据权利要求1所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的主轴机构（40），其特征在于：所述夹具（417）由多个扇形部件组成，所述夹具包括轴体（4171），轴体（4171）的中部外壁设有凸缘（4172），凸缘（4172）设有安装孔与弹性夹头（416）螺栓连接，轴体（4171）位于弹性夹头（416）内的一端中心设有用于待焊工件（60）穿过的定位通道（4173），轴体（4171）另一端的中心设有用于夹持套管（50）的夹持通道（4174），定位通道（4173）与夹持通道（4174）连通，位于夹持通道（4174）一侧的轴体（4171）上设有紧固螺纹孔（4175），紧固螺栓（418）安装在紧固螺纹孔（4175）中。

7.一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，其特征在于：包括机座（10）、滑台机构（20）、顶推机构（30）、主轴箱（70），以及权利要求1~6任意一项所述的主轴机构（40）；所述机座包括底座（11），底座（11）的两端上侧分别安装有左支撑体（12）和右支撑体（13），左支撑体（12）和右支撑体（13）向上延伸，顶部通过横梁（14）连接，所述主轴箱（70）固定安装在底座（11）上，一侧与左支撑体（12）连接固定，主轴机构（40）安装在主轴箱（70）上，弹性夹头（416）一端朝向右支撑体（13），用于驱动主轴（410）转动的第一电机（71）安装主轴箱（70）内，第一电机（71）的输出轴安装有带轮，通过皮带与主轴驱动轮（405）配合传动，所述顶推机构（30）安装在右支撑体（13）内，所述左支撑体（12）和右支撑体（13）之间的底座（11）上设有滑道（15），滑台机构（20）与滑道（15）配合连接，通过顶推机构（30）的推拉，滑台机构（20）能够沿滑道（15）导向滑动；所述滑台机构（20）靠主轴机构（40）一侧设有夹台（21），夹台（21）能够左右和上下滑动。

8.根据权利要求7所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，其特征在于：所述滑台机构（20）包括滑座（201），滑座（201）底部与滑道（15）滑动配合连接，滑座（201）侧面通过横向的第一直线导轨副（202）与夹台（21）连接，滑座（201）与第一直线导轨副（202）垂直的侧面固定安装有第一伺服电机（204），第一伺服电机（204）通过第一滚珠丝杆副（203）驱动夹台（21）沿左右运动；所述夹台（21）包括滑台底座（211），滑台底座（211）远离滑座（201）一侧设有纵向的第二直线导轨副（212）与夹板（214）连接，滑台底座（211）的顶部安装有第二伺服电机（213），第二伺服电机（213）通过滚珠丝杆副驱动夹板（214）上下运动；所述夹板（214）设有定位板（215）和/或夹持机构（216），用于对放置在夹板（214）上的待焊钢板（80）进行固定。

9.根据权利要求7所述的一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置，其特征在于：所述顶推机构（30）包括外管体（31），外管体（31）内靠近两端分别设有转管轴承（311），转管轴承（311）的内圈安装有转管（32），外管体（31）的两端分别安装有密封环（312），密封环（312）套装在转管（32）外，转管（32）靠滑台机构（20）一端固定安装有管状螺母（33），另一端安装有皮带轮（34），所述转管（32）位于皮带轮（34）与靠近皮带轮（34）一侧的转管轴承（311）之间设有定位环（38），皮带轮（34）一侧抵靠定位环（38）使转管（32）在外管体（31）内定位转动，位于皮带轮（34）另一侧的转管（32）上安装有圆螺母（35），圆螺母（35）抵靠皮带轮（34），使皮带轮（34）定位在转管（32）上；顶推丝杆（36）转动的安装在管状螺母（33）内，顶推丝杆（36）一端设有柔性连接器（37）与滑台机构（20）连接；用于驱动转管（32）转动的第二电机（39）安装在顶推机构（30）下方的底座（11）上，第二电机（39）的输出轴设有带轮通过皮带与皮带轮（34）配合传动，使顶推丝杆（36）伸缩，从而推动滑台机构（20）移动；所述柔性连接器（37）包括固定头（371）、第一连接环（372）、第二连接环（373）和过渡连接体（374），所述固定头（371）固定安装在顶推丝杆（36）端部，固定头（371）的直径大于顶推丝杆（36）的直径，第一连接环（372）套在固定头（371）外部并与第二连接环（373）连接固定，第二连接环（373）与滑台机构（20）连接固定，固定头（371）在第一连接环（372）具有间隙，过渡连接体（374）安装在第一连接环（372）内，一侧与固定头（371）限位配合，另一侧与第二连接环（373）限位配合，从而限制顶推丝杆（36）转动。

10.采用权利要求7-9任意一项所述一种适合于小直径工件摩擦焊接的焊接装置的焊接方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1. 将待焊工件（60）和套管（50）安装到夹具（417）上，待焊工件（60）一端与顶杆（412）抵靠，另一端位于套管（50）内，并与套管（50）端部存在间隔；回转油缸（401）的伸缩杆回缩使弹性夹头（416）后移，驱动夹具（417）夹紧套管（50）和待焊工件（60），拧紧紧固螺栓（418），将套管（50）和待焊工件（60）压紧；

S2. 将待焊钢板（80）放置在夹板（214）上，并通过定位板（215）和/或夹持机构（216）将待焊钢板（80）固定，当待焊钢板（80）对应待焊工件（60）的焊接位置不符合要求时，启动第一伺服电机（204）和/或第二伺服电机（213），从而调整待焊钢板（80）的焊接位置；

S3. 启动第一电机（71），主轴（410）转动，待焊工件（60）和套管（50）以相同角速度旋转；

S4. 第二电机（39）启动，带动转管（32）转动，转管（32）转动带动管状螺母（33）转动，从而使顶推丝杆（36）伸出，推动滑台机构（20）向待焊工件（60）一侧移动，从而使待焊钢板（80）逐渐前移，套管（50）与待焊钢板（80）接触，此时在摩擦作用下进行对待焊钢板（80）进行预热；顶推丝杆（36）前端安装有压力传感器，精确控制摩擦焊接顶锻压力的大小；

S5. 一级摩擦阶段：随着摩擦的进行，套管（50）前端材料不断的消耗，直至套管（50）内部的待焊工件（60）与待焊钢板（80）接触；

S6. 二级摩擦阶段：顶锻力增加，待焊工件（60）和套管（50）前端的材料不断被消耗，且在摩擦热和旋转力作用下发生剧烈的塑性变形，同时焊合面积不断增加；

S7. 顶锻阶段：主轴（410）停止旋转，顶推机构（30）施加更大的顶锻力，完成待焊工件（60）与待焊钢板（80）的焊接，同时多余的塑性金属被排出形成飞边；

S8. 回转油缸（401）的伸缩杆伸出使弹性夹头（416）前移，夹具（417）松开套管（50），松开紧固螺栓（418），滑台机构（20）回原位，将套管（50）和待焊工件（60）取出，再从夹板（214）上取下钢板。

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