CN115673520B - 一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，包括溜板和旋转主轴，旋转主轴的底部设有搅拌针，定义焊接方向为Z轴方向，溜板上安装有用于装夹旋转主轴并能调节旋转主轴绕Z轴转动的侧倾角调节机构，搅拌针的下方设有工作台，工作台上设有用于夹装工件的夹持机构。本发明还公开了其焊接方法。本发明通过侧倾角调节机构在焊接过程的左右侧倾的调节，从而使搅拌针与工件呈现侧倾角的搅拌摩擦焊接，并能改善中厚板和厚板在厚度方向上的搅拌摩擦焊接的前进侧与后退侧力学性能，实现焊缝沿厚度方向上搅拌摩擦焊接的前进侧与后退侧的力学性能相等或者反对称结构，最终提高整体搅拌摩擦焊接接头的强度。

Description

一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接具有焊接变形小、接头质量高和绿色节能等优点，在航空航天和轨道交通等领域具有广泛的应用。搅拌摩擦焊接在固态下促使材料围绕搅拌针发生流动从而连接一起，而固态下的塑形流动必然需要足够的驱动力；搅拌针的转动方向和平移方向相同的一侧称为前进侧，反之为后退侧。除搅拌针的搅拌作用外，轴肩的锻压作用是促进或调控软化材料流动，提高材料流动的主要因素。另外，轴肩施予工件的顶锻力对焊接质量有重要影响，当焊接顶锻力过小时，焊接接头无法形成致密的组织，导致接头强度降低；当焊接顶锻力过大时，搅拌针与工件摩擦产热过高，易在接头内部形成孔洞、隧道等缺陷。但是，由于搅拌摩擦焊接固有的前进侧和后退侧在相对焊接速度、温度分布和材料流变应力的不同，导致了焊缝两侧(前进侧与后退侧)在微观组织和力学性能上的不对称性问题。进一步的讲，搅拌摩擦焊缝的薄弱区域主要集中在后退侧的热机影响区与热影响区交界处，而且对于承受动载荷的焊接接头而言，该区域会严重降低其疲劳性能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法，能在厚度方向上改善搅拌摩擦焊缝前进侧与后退侧力学性能的差异，进而提高整体搅拌摩擦焊接接头的强度。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，包括溜板和旋转主轴，所述旋转主轴的底部设有搅拌针，定义焊接方向为Z轴方向，锻压方向为垂直于Z轴的Y轴方向，与Y轴和Z轴均垂直的方向为X轴方向，所述溜板上安装有用于装夹旋转主轴并能调节旋转主轴绕Z轴转动的侧倾角调节机构，所述搅拌针的下方设有工作台，所述工作台上设有用于夹装工件的夹持机构。

进一步的，所述侧倾角调节机构包括设于溜板上的调节座和与旋转主轴连接的调节轴，所述调节座沿Z轴方向转动连接于调节轴上，所述溜板上设有与调节轴固定连接的固定组件。

进一步的，所述固定组件包括多个第一螺栓和一个设于溜板上的环形槽，各所述第一螺栓的一端卡设于环形槽中，各所述第一螺栓的另一端贯穿调节座且通过螺母锁紧并能通过移动第一螺栓在环形槽的位置以使调节座绕调节轴转动角度。

进一步的，所述环形槽为T型槽，所述第一螺栓的一端设有卡块，所述卡块卡设于环形槽中并能在环形槽中滑动。

进一步的，所述侧倾角调节机构上还设有能调节旋转主轴绕X轴方向转动的倾角调节机构。

进一步的，所述倾角调节机构包括轴承和与侧倾角调节机构连接的外壳，所述轴承套设于旋转主轴上，所述轴承上设有连接座，所述连接座上设有与外壳沿X轴方向转动连接的连接轴和用于与外壳固定连接的连接组件。

进一步的，所述连接组件包括多个第二螺栓和多个设于外壳上的弧形槽，所述连接座上设有多个螺纹孔，各所述第二螺栓穿过弧形槽与螺纹孔螺纹连接并能通过移动第二螺栓在弧形槽的位置以使连接座绕连接轴转动角度。

进一步的，所述夹持机构包括楔形板和多块按压工件的压板，所述楔形板卡设于工件与工作台之间并用于调节工件沿Z轴方向转动，所述工作台上设有与各压板连接以夹紧工件的螺栓组件。

进一步的，所述螺栓组件包括远离工件设置的螺栓一和靠近工件设置的螺栓二，所述螺栓一的一端抵接于工作台上，所述螺栓一的另一端螺纹贯穿压板并使压板远离工作台，所述螺栓二的一端卡设于工作台的槽孔中，所述螺栓二的另一端贯穿压板且通过螺母锁紧并使压板靠近工作台。

进一步的，所述槽孔为沿Z轴方向贯穿工作台的圆孔槽，所述螺栓二为球头螺栓。

一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、根据搅拌针的旋转方向和工件的焊缝前进侧与后退侧的力学性能差异，确定搅拌针的侧倾角度；

步骤二、调节侧倾角调节机构，使搅拌针绕Z轴转动合适的角度；

步骤三、调整夹持机构，移动工作台上的工件，使工件的焊缝对准搅拌针，并使工件的焊缝沿Z轴方向设置；

步骤四、启动驱动装置和旋转主轴，使搅拌针对工件进行搅拌摩擦焊接。

进一步的，所述搅拌针的轴线相对于工件焊缝上表面的夹角范围为0～5°。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过侧倾角调节机构在焊接过程的左右侧倾的调节，从而使搅拌针与工件呈现侧倾角的搅拌摩擦焊接，能有效地避免中厚板及厚板搅拌摩擦焊缝薄弱区域主要集中在后退侧的热机影响区与热影响区交界处附近，并能在厚度方向上改善搅拌摩擦焊缝前进侧与后退侧力学性能的差异，即在中厚板和厚板搅拌摩擦焊接顶部和底部的前进侧与后退侧力学性能实现二者性能相等或者反对称结构，进而提高整体搅拌摩擦焊接接头的强度。

附图说明

图1为一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的结构爆炸示意图。

图2为一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的立体结构示意图。

图3为一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的俯视截面示意图。

图4为一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的前视截面示意图。

图5为工作台的结构爆炸示意图。

图6为不同侧倾角下整体焊接接头的力学性能。

图例说明：

1、溜板；2、旋转主轴；21、搅拌针；3、侧倾角调节机构；31、调节座；32、调节轴；33、固定组件；331、第一螺栓；3311、卡块；332、环形槽；4、工作台；41、工件；5、夹持机构；51、楔形板；52、压板；53、螺栓组件；531、螺栓二；532、螺栓一；533、槽孔；6、倾角调节机构；61、轴承；62、外壳；63、连接座；64、连接轴；65、连接组件；651、第二螺栓；652、弧形槽；653、螺纹孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

具体实施例：如图1-图6所示，本实施例的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，包括溜板1和旋转主轴2，旋转主轴2的底部设有搅拌针21，定义焊接方向为Z轴方向，锻压方向为垂直于Z轴的Y轴方向，与Y轴和Z轴均垂直的方向为X轴方向，溜板1上安装有用于装夹旋转主轴2并能调节旋转主轴2绕Z轴转动的侧倾角调节机构3，搅拌针21的下方设有工作台4，工作台4上设有用于夹装工件41的夹持机构5。溜板1连接在大型龙门吊的横梁上，可以在水平方向和上下以及左右方向上进行移动，通过侧倾角调节机构3在焊接过程左右侧倾的调节，从而使搅拌针21与工件41呈现侧倾角的搅拌摩擦焊接，能有效地避免中厚板及厚板搅拌摩擦焊缝薄弱区域主要集中在后退侧的热机影响区与热影响区交界处附近，并能改善中厚板和厚板在厚度方向上的搅拌摩擦焊接的前进侧与后退侧力学性能，实现焊缝沿厚度方向上搅拌摩擦焊接的前进侧与后退侧的力学性能相等或者反对称结构，最终提高整体搅拌摩擦焊接接头的强度。

本实施例中，侧倾角调节机构3包括设于溜板1上的调节座31和与旋转主轴2连接的调节轴32，调节座31沿Z轴方向转动连接于调节轴32上，溜板1上设有与调节轴32固定连接的固定组件33。通过调节轴32能方便改变调节座31与溜板1的转动角度，从而调节搅拌针21侧倾角，再通过固定组件33进行固定连接，以保持搅拌针21的侧倾角状态。

本实施例中，固定组件33包括多个第一螺栓331和一个设于溜板1上的环形槽332，各第一螺栓331的一端卡设于环形槽332中，各第一螺栓331的另一端贯穿调节座31且通过螺母锁紧并能通过移动第一螺栓331在环形槽332的位置以使调节座31绕调节轴32转动角度。通过第一螺栓331与环形槽332的配合，方便转动调节座31并将其与溜板1固定连接，进而能方便调节搅拌针21在前后方向的侧倾角，操作便捷。

本实施例中，环形槽332为T型槽，第一螺栓331的一端设有卡块3311，卡块3311卡设于环形槽332中并能在环形槽332中滑动。通过T型螺栓能方便放置第一螺栓331并卡设于环形槽332中，并能移动在环形槽332中的位置，大大地提高了溜板1的适用性。

本实施例中，侧倾角调节机构3上还设有能调节旋转主轴2绕X轴方向转动的倾角调节机构6。通过倾角调节机构6可进一步地在焊接过程的前后侧倾的调节，从而使搅拌针21以更加精准的角度对与工件41进行搅拌摩擦焊接。

本实施例中，倾角调节机构6包括轴承61和与侧倾角调节机构3连接的外壳62，轴承61套设于旋转主轴2上，轴承61上设有连接座63，连接座63上设有与外壳62沿X轴方向转动连接的连接轴64和用于与外壳62固定连接的连接组件65。外壳62呈包裹状对旋转主轴2进行左右夹持，能提高旋转主轴2的连接牢固性和运行稳定性，提高了设备的安全性能；外壳62上设置能加强外壳62牢固性的加强肋，能进一步提高旋转主轴2的连接牢固性和运行稳定性，大大地提高了设备的安全性能；再通过连接轴64，可方便转动旋转主轴2，也方便通过连接组件65进行固定连接。

本实施例中，连接组件65包括多个第二螺栓651和多个设于外壳62上的弧形槽652，连接座63上设有多个螺纹孔653，各第二螺栓651穿过弧形槽652与螺纹孔653螺纹连接并能通过移动第二螺栓651在弧形槽652的位置以使连接座63绕连接轴64转动角度。通过第二螺栓651和弧形槽652的配合，方便转动连接座63和旋转主轴2，能方便调节搅拌针21在前后方向的侧倾角，操作便捷。

本实施例中，夹持机构5包括楔形板51和多块按压工件41的压板52，楔形板51卡设于工件41与工作台4之间并用于调节工件41沿Z轴方向转动，工作台4上设有与各压板52连接以夹紧工件41的螺栓组件53。通过不同的倾角的楔形板51可方便调节搅拌针21在前后方向上相对于工件41上表面的倾角，楔形板51制作方便，倾角固定，便于选取和设置。通过夹持机构5单独能调节工件41相对于搅拌针21倾斜，也能与侧倾角调节机构6对旋转主轴搅拌针的侧倾斜设置，二者配合使用以调节工件41相对于搅拌针21倾斜。

本实施例中，螺栓组件53包括远离工件41设置的螺栓一532和靠近工件41设置的螺栓二531，螺栓一532的一端抵接于工作台4上，螺栓一532的另一端螺纹贯穿压板52并使压板52远离工作台4，螺栓二531的一端卡设于工作台4的槽孔533中，螺栓二531的另一端贯穿压板52且通过螺母锁紧并使压板52靠近工作台4。通过螺栓一532和螺栓二531能方便固定压板52进而固定各工件41，操作便捷，易于安装和拆卸。

本实施例中，槽孔533为沿Z轴方向贯穿工作台4的圆孔槽，螺栓二531为球头螺栓。通过将球头螺栓从圆孔槽两端放入，球头螺栓的螺杆通过V型开口朝上与压板52连接，球头螺栓能方便地移动在圆孔槽中的位置，大大地提高了工作台4的适用性。

本实施例的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，包括以下步骤：

步骤一、根据搅拌针21的旋转方向和工件41的焊缝前进侧与后退侧的力学性能差异，确定搅拌针21的侧倾角度；

步骤二、调节侧倾角调节机构3，使搅拌针21绕Z轴转动合适的角度；

步骤三、调整夹持机构5，移动工作台4上的工件41，使工件41的焊缝对准搅拌针21，并使工件41的焊缝沿Z轴方向设置；

步骤四、启动驱动装置和旋转主轴2，使搅拌针21对工件41进行搅拌摩擦焊接。通过调整侧倾角调节机构3和夹持机构5，能方便根据工件41的焊缝前进侧与后退侧的力学性能差异，能精准地调节搅拌针21在Z轴方向上的侧倾角，从而能进行有效且优质的焊接。

本实施例中，搅拌针21的轴线相对于工件41焊缝上表面的夹角范围为0～5°。使侧倾角的范围控制在合适的-5°～+5°之间，在这个范围内，能使搅拌头21提高工件41的整体搅拌摩擦焊接接头的强度。

工件41为16.5mm厚2219-T87铝合金板，在没有左右倾角的情况下进行搅拌摩擦焊接，其焊缝前进侧的力学性能平均高于后退侧的力学性能达10MPa左右，旋转主轴2为顺时针方向转动，因此选择搅拌针21在后退侧方向进行倾斜，以增大后退侧的区域上搅拌针21的肩的顶锻力，促使形成致密的组织，其中，搅拌针21在前进侧方向倾斜1°的焊接接头记为AS-1°，而在后退侧方向倾斜1°的焊接接头记为RS-1°，并依次类比，最终选择的焊接样品焊接参数如表1所示。

表1焊接样品焊接参数

将工件41固定在工作台4上，将选定的焊接工艺参数，其中焊接转速是310rpm，焊速为120mm/min，下压量控制在0.4mm，在控制系统中进行设定以上参数，启动焊接系统，进行搅拌摩擦焊接。

对焊接完成的焊缝进行力学性能检测，其结果如图6所示，整体焊缝的力学性能可以提高8MPa左右。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括溜板（1）和旋转主轴（2），所述旋转主轴（2）的底部设有搅拌针（21），定义焊接方向为Z轴方向，锻压方向为垂直于Z轴的Y轴方向，与Y轴和Z轴均垂直的方向为X轴方向，所述溜板（1）上安装有用于装夹旋转主轴（2）并能调节旋转主轴（2）绕Z轴转动的侧倾角调节机构（3），所述搅拌针（21）的下方设有工作台（4），所述工作台（4）上设有用于夹装工件（41）的夹持机构（5），所述侧倾角调节机构（3）上还设有能调节旋转主轴（2）绕X轴方向转动的倾角调节机构（6），所述倾角调节机构（6）包括轴承（61）和与侧倾角调节机构（3）连接的外壳（62），所述轴承（61）套设于旋转主轴（2）上，所述轴承（61）上设有连接座（63），所述连接座（63）上设有与外壳（62）沿X轴方向转动连接的连接轴（64）和用于与外壳（62）固定连接的连接组件（65），所述侧倾角调节机构（3）包括设于溜板（1）上的调节座（31）和与旋转主轴（2）连接的调节轴（32），所述调节座（31）沿Z轴方向转动连接于调节轴（32）上，所述溜板（1）上设有与调节轴（32）固定连接的固定组件（33），所述固定组件（33）包括多个第一螺栓（331）和一个设于溜板（1）上的环形槽（332），各所述第一螺栓（331）的一端卡设于环形槽（332）中，各所述第一螺栓（331）的另一端贯穿调节座（31）且通过螺母锁紧并能通过移动第一螺栓（331）在环形槽（332）的位置以使调节座（31）绕调节轴（32）转动合适的角度，所述连接组件（65）包括多个第二螺栓（651）和多个设于外壳（62）上的弧形槽（652），所述连接座（63）上设有多个螺纹孔（653），各所述第二螺栓（651）穿过弧形槽（652）与螺纹孔（653）螺纹连接并能通过移动第二螺栓（651）在弧形槽（652）的位置以使连接座（63）绕连接轴（64）转动合适的角度。

2.根据权利要求1所述的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述环形槽（332）为T型槽，所述第一螺栓（331）的一端设有卡块（3311），所述卡块（3311）卡设于环形槽（332）中并能在环形槽（332）中滑动。

3.根据权利要求1所述的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述夹持机构（5）包括楔形板（51）和多块按压工件（41）的压板（52），所述楔形板（51）卡设于工件（41）与工作台（4）之间并用于调节工件（41）沿Z轴方向转动，所述工作台（4）上设有与各压板（52）连接以夹紧工件（41）的螺栓组件（53）。

4.根据权利要求3所述的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述螺栓组件（53）包括远离工件（41）设置的螺栓一（532）和靠近工件（41）设置的螺栓二（531），所述螺栓一（532）的一端抵接于工作台（4）上，所述螺栓一（532）的另一端螺纹贯穿压板（52）并使压板（52）远离工作台（4），所述螺栓二（531）的一端卡设于工作台（4）的槽孔（533）中，所述螺栓二（531）的另一端贯穿压板（52）且通过螺母锁紧并使压板（52）靠近工作台（4）。

5.根据权利要求4所述的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述槽孔（533）为沿Z轴方向贯穿工作台（4）的圆孔槽，所述螺栓二（531）为球头螺栓。

6.一种如权利要求1-5中任一项所述的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、根据搅拌针（21）的旋转方向和工件（41）的焊缝前进侧与后退侧的力学性能差异，确定搅拌针（21）的侧倾角度；

步骤二、调节侧倾角调节机构（3），使搅拌针（21）绕Z轴转动合适的角度；

步骤三、调整夹持机构（5），移动工作台（4）上的工件（41），使工件（41）的焊缝对准搅拌针（21），并使工件（41）的焊缝沿Z轴方向设置；

步骤四、启动驱动装置和旋转主轴（2），使搅拌针（21）对工件（41）进行搅拌摩擦焊接。

7.根据权利要求6所述的能调节侧倾角的搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，所述搅拌针（21）的轴线相对于工件（41）焊缝上表面的夹角范围为0～5°。