CN115673525B - 一种水冷型填丝搅拌头装置 - Google Patents
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Abstract
一种水冷型填丝搅拌头装置属于搅拌摩擦焊用焊丝填充装置领域，该装置包括搅拌头机构、滚珠轴承机构、圆柱轴承机构、水冷集成座、导丝压块、多个冷却液接口管、弹簧导丝器和悬挂机构。本发明中的导丝压块可用于将位于焊缝左右的两个工件端面垂向压紧并使其二者在焊接过程中始终保持水平共面，从而为连续焊接创造条件，并显著降低搅拌针结构的复杂程度和力学结构强度要求，使搅拌针变得更加精巧轻盈，易于安装和更换，也更易于生产和加工。
Description
技术领域
本发明属于搅拌摩擦焊用焊丝填充装置领域，具体涉及一种水冷型填丝搅拌头装置。
背景技术
由于铝合金材料质量轻、易成型、耐蚀性好，目前在的高速铁路客车市场中，铝合金车体几乎占据了世界95％以上的市场比例。其中搅拌摩擦焊接作为机械化程度高、焊缝质量好、热输入量低、变形小、低能耗、无烟尘的焊接方法被广泛应用于铝合金长大型材的焊接中。
作为一种先进的焊接技术，搅拌摩擦焊接特别适合于铝合金材料的焊接应用，其成熟技术中包括一种将与待焊接工件材质形同的焊料制成焊丝或焊料带，填充到待焊工件的组对缝隙之中，并利用搅拌针旋转摩擦，产生高热熔池，最终完成焊接的工艺技术。然而，由于搅拌摩擦焊接对的旋转摩擦生热方式需要较大的垂向压力，因此其所要求的焊缝组对间隙、错边尺寸远小于弧焊，因此其不但型材组对难度大，同时也对搅拌头的散热结构和焊料填充方法的设计提出了更高的要求。
发明内容
为了解决现有搅拌摩擦的搅拌头需要为其设计更好的焊料填充方法以及更优良的散热保护结构，以使其能直接应用于常规弧焊的组对工艺条件的技术问题，本发明提供一种水冷型填丝搅拌头装置。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：该装置包括搅拌头机构、滚珠轴承机构、圆柱轴承机构、水冷集成座、导丝压块、多个冷却液接口管、弹簧导丝器和悬挂机构；搅拌头机构中的搅拌针通过键与机床连接头同轴固连；水冷集成座的底座中心开设有圆柱轴承安装孔，圆柱轴承安装孔上端口的两侧对称地设有一组滚珠轴承卡槽；导丝器安装座固连于一个滚珠轴承卡槽的外侧壁上；圆柱轴承安装孔的下端与搅拌针圆锥面定位孔贯通；底座中心的底部设有压块安装槽；
所述滚珠轴承机构固连于滚珠轴承卡槽上，圆柱轴承机构固连在圆柱轴承安装孔内，滚珠轴承机构、圆柱轴承机构和搅拌针圆锥面定位孔三者由上至下顺次沿铅锤方向彼此同轴布置；弹簧导丝器固连于导丝器安装座内；导丝压块的上端与压块安装槽固连；底座的侧壁上设有内部贯通的冷却液管道，冷却液管道的每个端口均通过一一对应的冷却液接口管与冷却液循环系统的管路连接；悬挂机构的连接片固连于另一个滚珠轴承卡槽的外侧壁上，悬挂机构的吊杆与机床顶部固定连接；滚珠轴承机构、圆柱轴承机构、水冷集成座、导丝压块、多个冷却液接口管和弹簧导丝器共同构成一个水冷型搅拌头定位及压缝送丝装置。
所述导丝器安装座上设有斜向贯通的弹簧杆安装沉孔；弹簧导丝器包括弹簧定位杆、环槽辊轮、弹簧、弹簧封堵端盖和高度调整螺栓，环槽辊轮与弹簧定位杆的下端转动连接；弹簧同轴嵌套并卡在弹簧定位杆的中段；弹簧定位杆由下向上顺次穿过弹簧杆安装沉孔、弹簧封堵端盖的中心孔以及高度调整螺栓，弹簧定位杆的上端与高度调整螺栓螺纹连接，弹簧封堵端盖通过螺栓与弹簧杆安装沉孔的上端口固连。
所述导丝压块其基体的前端面设有叉状双突块，在基体底部端面的中线上设有垂向贯通的搅拌针端头定位通孔和两个螺栓沉孔，基体底部的后端设有圆弧形熔池避让倒角，沿基体底部端面的中线贯通开设有焊丝进给导向槽；基体的螺栓沉孔通过一一对应的沉头螺栓与压块安装槽上的对应螺孔固连。
所述由叉状双突块形成的叉状狭缝的宽度大于焊丝的最大直径；焊丝进给导向槽的直径从前向后分段并三级变径缩窄，焊丝进给导向槽相对于基体底部端面的深度值逐渐变浅；搅拌针端头定位通孔的主体结构为倒置的圆锥孔，其圆锥孔端部与竖直通孔贯通。
所述焊丝进给导向槽分为三段，其中，第一级导向槽和第二级导向槽顺次连通；第三级导向槽与第二级导向槽沿竖直通孔的同一直径对称分布在竖直通孔的两侧；第一级导向槽的深度值等于焊丝的半径值，其宽度值等于焊丝直径的1.5倍；焊丝进给导向槽的第二级导向槽的深度值等于焊丝的半径值的0.8倍，其宽度值等于焊丝直径的1.2倍；焊丝进给导向槽的第三级导向槽的深度值等于焊丝的半径值的0.6倍，其宽度值等于焊丝直径的0.8倍。
所述弹簧杆安装沉孔轴线与圆柱轴承安装孔轴线之间的夹角为α，α角的取值范围是20至50度，其最佳值为25度。
所述竖直通孔的端口处设有与其同心布置且一体成型的熔池压紧环台，且其采用耐高温硬质合金。
所述熔池压紧环台与搅拌针的材质相同；冷却液管道可以是直管、螺旋盘管或迂回盘管。
所述滚珠轴承机构包括滚珠轴承、滚珠轴承外圈上端环盖和滚珠轴承内圈支撑筒，滚珠轴承内圈支撑筒的中上段插入滚珠轴承的轴承内圈并与其同轴固连；滚珠轴承外圈上端环盖同轴扣并嵌套在滚珠轴承内圈支撑筒的外径上，滚珠轴承内圈支撑筒通过其中下段的内径代替滚珠轴承的轴承内圈，并与机床连接头的外径同轴固连；通过键的外径与圆柱轴承机构的轴承内圈同轴固连；搅拌针中上段的圆锥体分别插入搅拌针圆锥面定位孔和倒置的圆锥孔内，搅拌针底部的针头棒顺次从竖直通孔和熔池压紧环台内向下穿出并裸露于熔池压紧环台的底部。
本发明的有益效果是：该水冷型填丝搅拌头装置，其滚珠轴承机构、圆柱轴承机构和导丝压块均顺次同轴固连在水冷集成座上，用于分别对搅拌头机构上的机床连接头、键进行同轴定位固定，并对圆锥体和针头棒进行同轴旋转导向定位。弹簧导丝器通过倾斜布置的导丝器安装座固连于一个滚珠轴承卡槽的外侧壁上；其高度调整螺栓与弹簧定位杆的上端构成丝杠机构，用于调整环槽辊轮的高度位置，环槽辊轮则用于对焊丝进行垂向初步定位和轴向进给引导。
导丝压块前端的叉状双突块形成宽度大于焊丝直径的叉状狭缝使焊丝更易于导入基体底部的焊丝进给导向槽中；焊丝进给导向槽的直径从前向后分段并三级变径缩窄，且其相对于基体底部端面的深度值也逐渐变浅，该结构设计有利于在本装置随机床沿焊缝延伸方向水平移动时将进入焊丝进给导向槽中的焊丝挤压变细至更易于铣削的截面面型，以便其焊丝端头在送入中熔池压紧环台更易于被针头棒切削粉碎和熔化；位于竖直通孔的熔池压紧环台，其下端面的圆周部分用于对熔融状态下的液相金属进行挤压和碾平，从而使其更流畅地融入熔融状态的焊缝熔池中，进而充分填充焊缝间隙，并在焊缝表面形成平面，达成焊接目的。位于熔池压紧环台径向后方的第三级导向槽用于对流入其中的液相金属进行挤压塑形和冷却，使其成为隆起的焊料棱线，便于后续的抛光或再熔化修补。底座侧壁内嵌有贯通的冷却液管道并通过冷却液接口管与冷却液循环系统的管路连接，该设计使得熔池压紧环台和第三级导向槽所吸收的熔池热量能够通过压块安装槽和冷却液管道被迅速带走，从而是焊缝熔池加速凝固为固态。设置于基体底部后端的圆弧形熔池避让倒角位于第三级导向槽的后方，其用于避免液态金属粘连，并使凝固后的焊缝进一步暴露于空气之中，加速冷却和释放焊接热量，减少焊接应力变形。
该导丝压块的结构受到缝纫机压脚结构的启发，可用于将位于焊缝左右的两个工件端面垂向压紧并使其二者在焊接过程中始终保持水平共面，从而为连续焊接创造条件，并显著降低搅拌针结构的复杂程度和力学结构强度要求，使搅拌针变得更加精巧轻盈，易于安装和更换，也更易于生产和加工。
此外，本发明的第一级导向槽的深度值等于焊丝的半径值，其宽度值等于焊丝直径的1.5倍；焊丝进给导向槽的第二级导向槽的深度值等于焊丝的半径值的0.8倍，其宽度值等于焊丝直径的1.2倍；焊丝进给导向槽的第三级导向槽的深度值等于焊丝的半径值的0.6倍，其宽度值等于焊丝直径的0.8倍。弹簧杆安装沉孔轴线与圆柱轴承安装孔轴线之间的夹角为α，α角的取值范围是20至50度，其最佳值为25度。上述关键参量数据均为大量试验经验总结而成，具有工程价值。
附图说明
图1是本发明一种水冷型填丝搅拌头装置的立体结构示意图；
图2是的图1的爆炸装配示意图；
图3是本发明搅拌头机构的剖面结构示意图；
图4是本发明水冷型搅拌头定位及压缝送丝装置的剖面结构示意图；
图5是本发明水冷型搅拌头定位及压缝送丝装置的立体结构示意图；
图6是本发明滚珠轴承机构的立体图、轴向剖面图和爆炸装配示意图；
图7是本发明圆柱轴承机构的立体图和轴向剖面图；
图8是本发明弹簧导丝器的立体结构示意图；
图9是本发明水冷集成座的立体图、仰视图和轴向剖面图；
图10是本发明导丝压块的前视图、仰视图、立体图和轴向剖面图；
图11是本发明导丝压块轴向剖面图和其在仰视视角下的立体图
图12是本发明水冷集成座分别与导丝压块和冷却液接口管装配关系的应用示意图；
图13是本发明水冷型填丝搅拌头装置的俯视图；
图14是图13中的A-A剖面下的立体结构示意图；
图15是图13中的B-B剖面下的立体结构示意图；
图16是发明水冷型填丝搅拌头装置在立体视角下的轴向剖面应用示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1至15所示，本发明的水冷型填丝搅拌头装置包括搅拌头机构1、滚珠轴承机构2、圆柱轴承机构3、水冷集成座4、导丝压块5、多个冷却液接口管6、弹簧导丝器7和悬挂机构8；搅拌头机构1中的搅拌针1-3通过键1-2与机床连接头1-1同轴固连；水冷集成座4的底座4-1中心开设有圆柱轴承安装孔4-3，圆柱轴承安装孔4-3上端口的两侧对称地设有一组滚珠轴承卡槽4-2；导丝器安装座4-4固连于一个滚珠轴承卡槽4-2的外侧壁上；圆柱轴承安装孔4-3的下端与搅拌针圆锥面定位孔4-5贯通；底座4-1中心的底部设有压块安装槽4-6。
所述滚珠轴承机构2固连于滚珠轴承卡槽4-2上，圆柱轴承机构3固连在圆柱轴承安装孔4-3内，滚珠轴承机构2、圆柱轴承机构3和搅拌针圆锥面定位孔4-5三者由上至下顺次沿铅锤方向彼此同轴布置；弹簧导丝器7固连于导丝器安装座4-4内；导丝压块5的上端与压块安装槽4-6固连；底座4-1的侧壁上设有内部贯通的冷却液管道4-1-1，冷却液管道4-1-1的每个端口均通过一一对应的冷却液接口管6与冷却液循环系统的管路连接；悬挂机构8的连接片固连于与送丝器弹簧导丝器7相对的另一个滚珠轴承卡槽4-2的外侧壁上，悬挂机构8的吊杆与机床顶部固定连接。
滚珠轴承机构2、圆柱轴承机构3、水冷集成座4、导丝压块5、多个冷却液接口管6和弹簧导丝器7共同构成一个水冷型搅拌头定位及压缝送丝装置。
导丝器安装座4-4上设有斜向贯通的弹簧杆安装沉孔4-4-1；弹簧导丝器7包括弹簧定位杆7-1、环槽辊轮7-2、弹簧7-3、弹簧封堵端盖7-4和高度调整螺栓7-5，环槽辊轮7-2与弹簧定位杆7-1的下端转动连接；弹簧7-3同轴嵌套并卡在弹簧定位杆7-1的中段；弹簧定位杆7-1由下向上顺次穿过弹簧杆安装沉孔4-4-1、弹簧封堵端盖7-4的中心孔以及高度调整螺栓7-5，弹簧定位杆7-1的上端与高度调整螺栓7-5螺纹连接，弹簧封堵端盖7-4通过螺栓与弹簧杆安装沉孔4-4-1的上端口固连。环槽辊轮7-2用于对焊丝9进行垂向初步定位和轴向进给引导，高度调整螺栓7-5与弹簧定位杆7-1的上端构成丝杠机构，从而通过旋转螺纹丝母的方式调整弹簧定位杆7-1对弹簧7-3的压缩形变量，进而共同调整环槽辊轮7-2的高度位置。
导丝压块5其基体5-1的前端面设有叉状双突块5-2，在基体5-1底部端面的中线上设有垂向贯通的搅拌针端头定位通孔5-5和两个螺栓沉孔5-3，基体5-1底部的后端设有圆弧形熔池避让倒角5-6，沿基体5-1底部端面的中线贯通开设有焊丝进给导向槽5-4；基体5-1的螺栓沉孔5-3通过一一对应的沉头螺栓与压块安装槽4-6上的对应螺孔固连。
由叉状双突块5-2形成的叉状狭缝5-2-1的宽度大于焊丝的最大直径；焊丝进给导向槽5-4的直径从前向后分段并三级变径缩窄，焊丝进给导向槽5-4相对于基体5-1底部端面的深度值逐渐变浅；搅拌针端头定位通孔5-5的主体结构为倒置的圆锥孔5-5-1，其圆锥孔端部与竖直通孔5-5-2贯通。
焊丝进给导向槽5-4分为三段，其中，第一级导向槽5-4-1和第二级导向槽5-4-2顺次连通；第三级导向槽5-4-3与第二级导向槽5-4-2沿竖直通孔5-5-2的同一直径对称分布在竖直通孔5-5-2的两侧；第一级导向槽5-4-1的深度值等于焊丝的半径值，其宽度值等于焊丝直径的1.5倍；焊丝进给导向槽5-4的第二级导向槽5-4-2的深度值等于焊丝的半径值的0.8倍，其宽度值等于焊丝直径的1.2倍；焊丝进给导向槽5-4的第三级导向槽5-4-3的深度值等于焊丝的半径值的0.6倍，其宽度值等于焊丝直径的0.8倍。
所述弹簧杆安装沉孔4-4-1轴线与圆柱轴承安装孔4-3轴线之间的夹角为α，α角的取值范围是20至50度，其最佳值为25度。
所述竖直通孔5-5-2的端口处设有与其同心布置且一体成型的熔池压紧环台5-7，且其采用耐高温硬质合金。
所述熔池压紧环台5-7与搅拌针1-3的材质相同；冷却液管道4-1-1可以是直管、螺旋盘管或迂回盘管。
所述滚珠轴承机构2包括滚珠轴承2-1、滚珠轴承外圈上端环盖2-2和滚珠轴承内圈支撑筒2-3，滚珠轴承内圈支撑筒2-3的中上段插入滚珠轴承2-1的轴承内圈并与其同轴固连；滚珠轴承外圈上端环盖2-2同轴扣并嵌套在滚珠轴承内圈支撑筒2-3的外径上，滚珠轴承内圈支撑筒2-3通过其中下段的内径代替滚珠轴承的轴承内圈，并与机床连接头1-1的外径同轴固连；通过键1-2的外径与圆柱轴承机构3的轴承内圈同轴固连；搅拌针1-3中上段的圆锥体1-3-1分别插入搅拌针圆锥面定位孔4-5和倒置的圆锥孔5-5-1内，搅拌针1-3底部的针头棒1-3-2顺次从竖直通孔5-5-2和熔池压紧环台5-7内向下穿出并裸露于熔池压紧环台5-7的底部。
具体应用本发明的水冷型填丝搅拌头装置时，如图16所示，按照搅拌摩擦焊公知的方法将与待焊接部件材质相同的金属材料制作成焊丝9并将其沿待焊接的焊缝布置，环槽辊轮7-2和焊丝进给导向槽5-4共同压住焊丝9的前段，并使焊丝9的端部沿焊丝进给导向槽5-4达到竖直通孔5-5-2并与针头棒1-3-2的外径紧密贴合。此后，即可启动搅拌摩擦焊机床，开始焊接作业。
焊接过程中，针头棒1-3-2在机床连接头1-1的带动下不断旋转，并受到铅锤向下的巨大压力，针头棒1-3-2与工件对接焊缝的两侧同时接触并在转动和摩擦的过程中产生高温，在熔池压紧环台5-7下方将焊件溶化形成熔池，同时，针头棒1-3-2不断旋转切削焊丝9的端部，将其熔化并填入焊缝熔池，形成补充填料。随着机床带动搅拌摩擦焊用焊丝填充装置沿焊缝水平移动，熔池中的熔融状态下的金属液体在熔池压紧环台5-7碾压推挤作用下填入焊缝，并在第三级导向槽5-4-3的挤压作用下塑形和冷却作用下成为隆起的焊料棱线，强化焊缝强度，并为后续的抛光打磨作业奠定基础。
Claims (7)
1.一种水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：该装置包括搅拌头机构(1)、滚珠轴承机构(2)、圆柱轴承机构(3)、水冷集成座(4)、送丝压块(5)、多个冷却液接口管(6)、弹簧导丝器(7)和悬挂机构(8)；搅拌头机构(1)中的搅拌针(1-3)通过键(1-2)与机床连接头(1-1)同轴固连；水冷集成座(4)的底座(4-1)中心开设有圆柱轴承安装孔(4-3)，圆柱轴承安装孔(4-3)上端口的两侧对称地设有一组滚珠轴承卡槽(4-2)；导丝器安装座(4-4)固连于一个滚珠轴承卡槽(4-2)的外侧壁上；圆柱轴承安装孔(4-3)的下端与搅拌针圆锥面定位孔(4-5)贯通；底座(4-1)中心的底部设有压块安装槽(4-6)；
所述滚珠轴承机构(2)固连于滚珠轴承卡槽(4-2)上，圆柱轴承机构(3)固连在圆柱轴承安装孔(4-3)内，滚珠轴承机构(2)、圆柱轴承机构(3)和搅拌针圆锥面定位孔(4-5)三者由上至下顺次沿铅锤方向彼此同轴布置；弹簧导丝器(7)固连于导丝器安装座(4-4)内；送丝压块(5)的上端与压块安装槽(4-6)固连；底座(4-1)的侧壁上设有内部贯通的冷却液管道(4-1-1)，冷却液管道(4-1-1)的每个端口均通过一一对应的冷却液接口管(6)与冷却液循环系统的管路连接；悬挂机构(8)的连接片固连于另一个滚珠轴承卡槽(4-2)的外侧壁上，悬挂机构(8)的吊杆与机床顶部固定连接；
所述导丝器安装座(4-4)上设有斜向贯通的弹簧杆安装沉孔(4-4-1)；弹簧导丝器(7)包括弹簧定位杆(7-1)、环槽辊轮(7-2)、弹簧(7-3)、弹簧封堵端盖(7-4)和高度调整螺栓(7-5)，环槽辊轮(7-2)与弹簧定位杆(7-1)的下端转动连接；弹簧(7-3)同轴嵌套并卡在弹簧定位杆(7-1)的中段；弹簧定位杆(7-1)由下向上顺次穿过弹簧杆安装沉孔(4-4-1)、弹簧封堵端盖(7-4)的中心孔以及高度调整螺栓(7-5)，弹簧定位杆(7-1)的上端与高度调整螺栓(7-5)螺纹连接，弹簧封堵端盖(7-4)通过螺栓与弹簧杆安装沉孔(4-4-1)的上端口固连；
所述送丝压块(5)其基体(5-1)的前端面设有叉状双突块(5-2)，在基体(5-1)底部端面的中线上设有垂向贯通的搅拌针端头定位通孔(5-5)和两个螺栓沉孔(5-3)，基体(5-1)底部的后端设有圆弧形熔池避让倒角(5-6)，沿基体(5-1)底部端面的中线贯通开设有焊丝进给导向槽(5-4)；基体(5-1)的螺栓沉孔(5-3)通过一一对应的沉头螺栓与压块安装槽(4-6)上的对应螺孔固连。
2.如权利要求1所述的水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：所述叉状双突块(5-2)形成的叉状狭缝(5-2-1)的宽度大于焊丝的最大直径；焊丝进给导向槽(5-4)的直径从前向后分段并三级变径缩窄，焊丝进给导向槽(5-4)相对于基体(5-1)底部端面的深度值逐渐变浅；搅拌针端头定位通孔(5-5)的主体结构为倒置的圆锥孔(5-5-1)，其圆锥孔端部与竖直通孔(5-5-2)贯通。
3.如权利要求2所述的水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：所述焊丝进给导向槽(5-4)分为三段，其中，第一级导向槽(5-4-1)和第二级导向槽(5-4-2)顺次连通；第三级导向槽(5-4-3)与第二级导向槽(5-4-2)沿竖直通孔(5-5-2)的同一直径对称分布在竖直通孔(5-5-2)的两侧；第一级导向槽(5-4-1)的深度值等于焊丝的半径值，其宽度值等于焊丝直径的1.5倍；焊丝进给导向槽(5-4)的第二级导向槽(5-4-2)的深度值等于焊丝的半径值的0.8倍，其宽度值等于焊丝直径的1.2倍；焊丝进给导向槽(5-4)的第三级导向槽(5-4-3)的深度值等于焊丝的半径值的0.6倍，其宽度值等于焊丝直径的0.8倍。
4.如权利要求2所述的水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：所述弹簧杆安装沉孔(4-4-1)轴线与圆柱轴承安装孔(4-3)轴线之间的夹角为α，α角的取值范围是20至50度，其最佳值为25度。
5.如权利要求2所述的水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：所述竖直通孔(5-5-2)的端口处设有与其同心布置且一体成型的熔池压紧环台(5-7)，且其采用耐高温硬质合金。
6.如权利要求5所述的水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：所述熔池压紧环台(5-7)与搅拌针(1-3)的材质相同；冷却液管道(4-1-1)为直管、螺旋盘管或迂回盘管。
7.如权利要求5所述的水冷型填丝搅拌头装置，其特征在于：所述滚珠轴承机构(2)包括滚珠轴承(2-1)、滚珠轴承外圈上端环盖(2-2)和滚珠轴承内圈支撑筒(2-3)，滚珠轴承内圈支撑筒(2-3)的中上段插入滚珠轴承(2-1)的轴承内圈并与其同轴固连；滚珠轴承外圈上端环盖(2-2)同轴扣并嵌套在滚珠轴承内圈支撑筒(2-3)的外径上，滚珠轴承内圈支撑筒(2-3)通过其中下段的内径代替滚珠轴承的轴承内圈，并与机床连接头(1-1)的外径同轴固连；通过键(1-2)的外径与圆柱轴承机构(3)的轴承内圈同轴固连；搅拌针(1-3)中上段的圆锥体(1-3-1)分别插入搅拌针圆锥面定位孔(4-5)和倒置的圆锥孔(5-5-1)内，搅拌针(1-3)底部的针头棒(1-3-2)顺次从竖直通孔(5-5-2)和熔池压紧环台(5-7)内向下穿出并裸露于熔池压紧环台(5-7)的底部。
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