CN116021143A - 一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接方法及装置，采用压力与位移协调控制摩擦搅拌的方法得到高质量焊缝。装置包括支撑、运动动力、搅拌头及辅助四大系统。支撑系统由垫块及压紧螺杆、齿套、齿圈、齿套开合机构和底座构成，可完成齿套齿圈开合、锁固、管材装夹等操作，能够保证在大载荷、大扭矩状态下进行稳定焊接；运动动力系统由回转、平移、主轴旋转、升降四大机构组成，可实现焊具旋转、回转、升降、倾角焊接及平移收弧，搅拌头升降可满足不同管径的焊接；搅拌头系统是由搅拌头及焊具座组成，可以满足不同管壁厚度、不同材质的焊接要求辅助系统是指导焊机构，由导焊板、导焊固定架、导焊横架及导焊支架组成，可实现收弧“匙孔”消除，获得完美焊缝。

Description

一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法

技术领域

本发明属于管型母线焊接加工技术领域，具体涉及一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法。

背景技术

当今社会，电力行业负担越来越大，得到性能优良且拥有特定应用场景的母线对社会的经济效益及节能环保有着不可忽视的意义。管型母线作为一种新型的低压侧电流输送设备，是利用铜管或铝合金管作为导电载体，然后外敷绝缘橡胶，其独特的空心结构设计大幅度提高了输变电系统及电力设备的使用安全性和服役可靠性，正逐步取代矩形、槽形和棒形母线等传统导体，被广泛应用于化工、军工等领域。

目前，国内电力行业母线产品的生产普遍采用钎焊、埋弧焊等熔化焊手段，其焊接接头是利用温度、重力等作用，让金属熔化至熔融状态，使得紧密贴合在一起的待焊工件形成混合溶液，等到温度降低后，熔化部分凝固，两个工件就被牢固的焊在一起，完成焊接。这种成型方式存在焊缝缺陷多、能耗大、污染严重等问题，导致企业经济效益低。

搅拌摩擦焊接技术作为焊接史上的重大突破，成功为铝、铜等有色金属开创了新的成型方式，即不需熔化金属便可实现焊缝的固相连接，最大程度地降低了热输入对焊缝性能的损伤，同时结合热-力复合作用，有效地避免了熔焊过程中会出现的气孔、夹杂等各类缺陷，焊缝质量远高于其他焊接方式。考虑到管型母线是电力产品，高导电性能和高散热性能最为重要，而母线基体导电性能是确定的，这使得焊缝成为了影响管型母线使用性能好坏的最重要因素。焊缝与母线基体的组织结构越趋于一致，母线本身电阻会越小，导电性及散热性能越好。搅拌摩擦焊接作为固相焊接技术，极大的迎合了这一要求，但目前管型母线的搅拌摩擦焊接设备控制精度低、成本高，严重制约了搅拌摩擦焊接技术在管型母线生产上的推广。例如，专利一种管线钢环形焊缝搅拌摩擦焊接机构(2015101549311)采用液压方式固定管材，增大了设备成本，压力过大也会损伤管材，且无法实现位移控制。专利焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法(2017101952068)采用垂直焊接方式，无法实现倾角焊接功能，焊缝性能低。专利一种环缝焊接的搅拌摩擦焊装置(201810631667X)虽能实现环缝焊接，但无法消除“匙孔”缺陷，也不能实现倾角焊接功能，并且管材装卡困难。

发明内容

本发明提供一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法，具体技术方案如下：

一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，包括支撑系统、运动动力系统、搅拌头系统和辅助系统；

所述支撑系统由底座、齿圈、齿套、齿套开合机构及锁固装夹机构构成；

所述底座由结构钢焊接后加工制成，用于安装齿套、回转机构等，并提供足够的空间实现在Y-Z面上的360°回转焊接；

所述齿圈齿套由齿圈a齿圈b、下齿套上齿套组成，左右对称布置，下齿套安装在底座上，下齿套上齿套侧边焊接有轴套a轴套b，并通过销轴、轴套a轴套b铰接在一起。下齿套上齿套的开合便于工件的装夹拆卸。下齿套上齿套设有支撑辊回转导槽及压辊回转面，支撑回转部件运动。所述齿套开合机构左右对称布置各一套，由电动推杆、套筒、螺栓a、翻转板等组成；电动推杆通过套筒、螺栓与翻转板铰接，翻转板通过螺栓固定在上齿套上，电动推杆伸缩运动，通过翻转板带动上齿套开合。

所述锁固装夹机构由齿套锁固螺栓b、垫块及压紧螺栓组成；上下齿套合起，用螺栓b锁固，形成完整的齿套齿圈；垫块通过螺栓安装在下齿套上，间隔120°，齿套锁固后压紧螺栓压下，完成管件装夹。

所述运动动力系统由台架回转机构、平移机构、主轴旋转机构和焊具升降机构组成；

所述台架回转机构由台架、支撑辊组、压辊辊组、回转驱动齿轮、驱动轴、传动大齿轮、传动小齿轮、圆锥齿轮减速机、伺服电机a等构成。台架两端安装支撑辊组、压辊辊组，支撑辊运行在齿套导槽内，压辊运行在齿套外圆柱面，台架沿齿套圆周回转。伺服电机a与圆锥齿轮减速机直连，通过传动小齿轮和传动大齿轮带动驱动轴、回转驱动齿轮旋转，回转驱动齿轮旋转，通过齿套上齿圈反作用力，带动台架做回转运动。

所述平移机构由直线导轨、直线导轨滑块、上支架、上支架底板、连接块、升降机法兰、升降机座、升降机、联轴器、伺服电机减速机等构成。伺服电机减速机安装在台架侧面，通过联轴器与升降机链接，升降机通过升降机座安装在台架上，升降杆通过升降机法兰与安装在上支架底板上的连接块相连，上支架底板采用螺栓、圆锥销安装在上支架上，直线导轨安装在台架上，直线导轨滑块安装在上支架上。上支架及上支架底板在升降机的作用下沿直线导轨做平移运动。

所述主轴旋转机构由主轴电机、电机座、小带轮、大带轮、齿形带、滚珠花键套及滚珠花键轴、轴承、主轴组件等组成；所述主轴组件由主轴、主轴外套、圆锥孔双列滚子轴承、双向推力球轴承及深沟球轴承组成，较一般机床能承载更大的径向力和轴向力，主轴旋转运动更平稳、低噪；主轴外套设有T型螺旋，起到升降主轴的作用；滚珠花键套安装在主轴轴端，滚珠花键轴通过轴承安装在上支架上，轴端安装大带轮，主轴电机轴端安装小带轮，主轴电机通过电机座安装在上支架底板和上支架上；主轴电机通过带轮和齿形带驱动滚珠花键轴旋转，从而带动主轴旋转，转速根据焊接工艺选择。

所述焊具升降机构由伺服电机b、行星减速机、蜗轮蜗杆减速机、传感器安装座、压力传感器等组成；所述蜗轮蜗杆减速机主体由箱体、蜗杆轴、蜗轮螺母及导向压盖a导向压盖b组成；减速机箱体通过传感器安装座、压力传感器吊装在上支架上，另一端与上支架底板上的孔配合；涡轮螺母内孔制造与主轴外套相配合的T型螺旋；行星减速机安装在箱体上；伺服电机b与行星减速机直连，行星减速机输出轴与蜗杆轴直连；伺服电机b通过行星减速机、蜗杆轴驱动涡轮螺母旋转，带动主轴组件沿导向压盖a导向压盖b做升降运动。

所述搅拌头系统由搅拌头、焊具座组成；搅拌头通过焊具座安装在主轴端部。随主轴旋转、运动。

所述辅助系统是指导焊机构，由导焊板、导焊固定架、导焊横架及导焊支架组成；

所述导焊支架有两个，安装在两侧的上齿套端部，通过导焊横架连接成一体，导焊固定架安装在导焊横板上，导焊板搭接在工件指定位置，压紧在导焊固定架上。所述导焊板一侧设置为圆弧状，用于与管型母线表面贴合；

所述的一种铜管或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其优选方案为，所述垫块设有多套，能够适用于不同管径；垫块通过螺钉与下齿套连接；

左右齿套各放置六组垫块，每组垫块与压紧螺栓间隔120°，构成三点定位，管型母线通过垫块与压紧螺栓装夹在锁固的下齿套上齿套中。

所述的一种铜管或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，优选方案为，所述回转机构中采用单侧设置伺服电机a驱动，通过回转轴、驱动齿轮沿齿圈带动台架进行回转运动，避免了两侧电机运行不同步问题。

所述的一种铜管或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，优选方案为，主轴的焊具座安装端，轴承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承组合，顶部采用深沟球轴承，较一般机床主轴能够承载更大的径向力和轴向力，主轴旋转运动更平稳、低噪。

所述的一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，优选方案为，所述平移机构利用主轴随上支架平移实现倾角焊接，通过改变平移距离的大小，来实现任意倾角大小的调节。

所述的一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，优选方案为，所述主轴旋转机构采用大功率齿形带传动，实现焊具高速旋转，所述回转机构采用齿轮传动实现台架回转，所述升降机构采用蜗轮蜗杆传动及T型螺旋副实现焊具升降，所述平移运动采用升降机实现焊具平移。

所述的一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，优选方案为，所述搅拌头按照管型母线管壁厚度、材质设有不同类型，根据不同的焊接要求随时更换。

一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，当焊接铜管母线时，针对铜管塑性流动能力较差，采用压力控制方法保证足够的热输入量和较大的顶锻力以得到无缺陷的焊缝；当焊接铝管母线时，针对铝管塑性流动能力较强，采用位移控制方法保证一定的压下量得到飞边较小的焊缝；焊接步骤如下：

步骤一：焊接开始前，先用酒精擦拭待焊接管型母线的表面，去除附着在表面的油污及杂质；

步骤二：将衬管放入擦拭完成的两待焊接管型母线的内表面，以防止焊接时材料软化发生塌陷；

步骤三：启动开合机构打开齿套，将垫好衬管的管型母线放入齿套内，使得焊接位置对准搅拌头，然后闭合并锁固齿套，固定工件；

步骤四：启动主轴电机、平移机构电机减速机与焊具升降机构电机，利用手轮打点定位，判断管材同心度及厚度变化，在CNC控制系统上设定主轴旋转速度、焊接回转速度、倾角大小对应的平移距离以及压下量；

步骤五：焊接铜管时，先将高速旋转的搅拌头扎入管型母线，对母线进行预热处理，待搅拌头变为红色状态开始焊接；焊接铝管时不需进行预热处理；

步骤六：铜管焊接时所需热输入量大，且对热输入量敏感度高，压力是影响热输入量的关键因素，因此采用压力控制方法可改善铜管母线焊缝性能，具体方法为在主轴顶端设置力传感器，焊接时搅拌头的实际顶锻力数值通过力传感器传送至CNC控制系统，CNC控制系统的中央处理单元通过判断压力数值的变化输出信号给驱动器，以控制升降机构运动，使得焊接压力维持在一定数值内，确保恒压力焊接。铝管焊接时所需热输入量小，且对热输入量敏感度低，因此采用位移控制可得到飞边较小的焊缝，具体方法为先用手轮在母线表面打点，以起焊位置的压下量为参考点，根据打点数值在焊缝不同位置编入不同的压下量，确保整个环缝位置的压下量基本保持一致，CNC控制系统按照程序命令驱动升降电机，并实时读取升降电机编码器信号，识别其位移变化，使其按照设定位移控制升降电机运动；

步骤七：焊接结束前安装好导焊机构，使得焊接“匙孔”留在导焊板上；

步骤八：焊接结束后，取下导焊机构，打开齿套，取出管型母线；

步骤九：焊接铜管母线时，旋转速度为800rpm～1000rpm，焊接速度为30mm/min～50mm/min，倾角大小为2°～3°，焊接压力为19kN；焊接铝管母线时，旋转速度为600～800rpm，焊接速度为60mm～100mm/min，倾角大小为2°～3°，压下量为0.2mm～0.3mm，通过采用以上焊接参数能够得到高质量焊缝。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用平移轴代替旋转轴，实现倾角焊接，降低了设备复杂程度，使得焊接过程更加稳定，有效提高了焊缝质量；

2.本发明采用独特的管材夹持机构代替传统液压夹持，减少压力对管型母线的损伤，在保证夹持效果的同时极大地降低了制造成本；

3.本发明采用方框箱型支撑系统，并配套设计垫块、齿套与V型槽，可满足大载荷、多管径的焊接要求，利用单侧电机实现台架回转，成功克服双侧电机运行不同步问题，保证了焊接稳定性；

4.本发明采用一体化焊具回转设计，利用台架容纳装置，增强焊具回转刚度，使得焊机结构简单、灵活实用；其中台架由固定部分和活动部分组成，活动部分可随焊具作平移运动；

5.本发明提供了一种全新的管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，相比于传统熔焊方式，有效提高了管型母线焊接效率，并且提升了焊接接头性能；

6.本发明配套导焊机构，可消除环缝搅拌摩擦焊接产生的收弧“匙孔”缺陷。

附图说明

图1为本发明的一种管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置示意图；

图2为图1的左视图；

图3为图1的俯视图；

图4为导焊机构主视图；

图5为导焊机构侧视图。

图中：1-底座，2-齿圈a,3-下齿套，4-上齿套，5-压紧螺栓，6-支撑辊组，7-齿圈b，8-台架，9-箱体，10-蜗杆轴，11-上支架，12-涡轮螺母，13-传感器安装座，14-压力传感器，15-大带轮，16-滚珠花键轴，17-轴承，18-滚珠花键套，19-深沟球轴承，20-主轴，21-主轴外套，22-双向推力球轴承，23-圆锥孔双列滚子轴承，24-直线导轨滑块，25-直线导轨，26-上支架底板，27-压辊辊组，28-伺服电机a，29-回转驱动齿轮，30-伺服电机减速机，31-联轴器，32-升降机，33-升降机法兰，34-连接块，35-导向压盖a，36-导向压盖b，37-齿形带，38-小带轮，39-电机座，40-主轴电机，41-焊具座，42-搅拌头，43-导焊机构，44-垫块，45-驱动轴，46-翻转板，47-套筒，48-螺栓a，49-传动小齿轮，50-传动大齿轮，51-圆锥齿轮减速机，52-伺服电机b，53-行星减速机，54-销轴，55-轴套a，56-轴套b，57-电动推杆组件，58-螺栓b，59-升降机座，60-导焊支架，61-导焊横架，62-导焊固定架，63-导焊板。

具体实施方式

如图1-5所示，一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，包括支撑系统、运动动力系统、搅拌头系统和辅助系统；

所述支撑系统由底座、齿圈、齿套、齿套开合机构及锁固装夹机构构成；

所述底座1由结构钢焊接后加工制成，用于安装齿套、回转机构等，并提供足够的空间实现在Y-Z面上的360°回转焊接；

所述齿圈齿套由齿圈a2齿圈b7、下齿套3、上齿套4组成，左右对称布置，下齿套3安装在底座上，下齿套3上齿套4侧边焊接有轴套a55轴套b56，并通过销轴54、轴套a55轴套b56铰接在一起。下齿套3上齿套4的开合便于工件的装夹拆卸。下齿套3上齿套4设有支撑辊回转导槽及压辊回转面，支撑回转部件运动。所述齿套开合机构左右对称布置各一套，由电动推杆57、套筒47、螺栓a48、翻转板46等组成；电动推杆通过套筒47、螺栓48与翻转板铰接，翻转板46通过螺栓固定在上齿套4上，电动推杆57伸缩运动，通过翻转板46带动上齿套4开合。

所述锁固装夹机构由齿套锁固螺栓b58、垫块44及压紧螺栓5组成；上下齿套合起，用螺栓b58锁固，形成完整的齿套齿圈；垫块44通过螺栓安装在下齿套3上，间隔120°，齿套锁固后压紧螺栓5压下，完成管件装夹。

所述运动动力系统由台架回转机构、平移机构、主轴旋转机构和焊具升降机构组成；

所述台架回转机构由台架8、支撑辊组6、压辊辊组27、回转驱动齿轮29、驱动轴45、传动大齿轮50、传动小齿轮49、圆锥齿轮减速机51、伺服电机a28等构成。台架8两端安装支撑辊组6、压辊辊组27，支撑辊6运行在齿套导槽内，压辊27运行在齿套外圆柱面，台架8沿齿套圆周回转。伺服电机a28与圆锥齿轮减速机51直连，通过传动小齿轮49和传动大齿轮50带动驱动轴45、回转驱动齿轮29旋转，回转驱动齿轮29旋转，通过齿套上齿圈反作用力，带动台架8做回转运动。

所述平移机构由直线导轨25、直线导轨滑块24、上支架11、上支架底板26、连接块34、升降机法兰33、升降机座59、升降机32、联轴器31、伺服电机减速机30等构成。伺服电机减速机30安装在台架8侧面，通过联轴器31与升降机32链接，升降机32通过升降机座59安装在台架8上，升降杆通过升降机法兰33与安装在上支架底板26上的连接块34相连，上支架底板26采用螺栓、圆锥销安装在上支架11上，直线导轨25安装在台架8上，直线导轨滑块24安装在上支架上11。上支架11及上支架底板26在升降机32的作用下沿直线导轨做平移运动。

所述主轴旋转机构由主轴电机40、电机座39、小带轮38、大带轮15、齿形带37、滚珠花键套18及滚珠花键轴16、轴承17、主轴组件等组成；所述主轴组件由主轴20、主轴外套21、圆锥孔双列滚子轴承23、双向推力球轴承22及深沟球轴承19组成，较一般机床能承载更大的径向力和轴向力，主轴旋转运动更平稳、低噪；主轴外套21设有T型螺旋，起到升降主轴的作用；滚珠花键套18安装在主轴20轴端，滚珠花键轴16通过轴承17安装在上支架11上，轴端安装大带轮15，主轴电机40轴端安装小带轮38，主轴电机40通过电机座39安装在上支架底板26和上支架11上；主轴电机40通过带轮和齿形带37驱动滚珠花键轴16旋转，从而带动主轴20旋转，转速根据焊接工艺选择。

所述焊具升降机构由伺服电机b52、行星减速机53、蜗轮蜗杆减速机、传感器安装座13、压力传感器14等组成；所述蜗轮蜗杆减速机主体由箱体9、蜗杆轴10、蜗轮螺母12及导向压盖a35导向压盖b36组成；减速机箱体通过传感器安装座13、压力传感器14吊装在上支架11上，另一端与上支架底板26上的孔配合；涡轮螺母12内孔制造与主轴外套21相配合的T型螺旋；行星减速机53安装在箱体9上；伺服电机b52与行星减速机53直连，行星减速机53输出轴与蜗杆轴10直连；伺服电机b52通过行星减速机53、蜗杆轴(10)驱动涡轮螺母12旋转，带动主轴组件沿导向压盖a35导向压盖b36做升降运动。

所述搅拌头系统由搅拌头42、焊具座41组成；搅拌头42通过焊具座41安装在主轴20端部。随主轴20旋转、运动。

所述辅助系统是指导焊机构43，由导焊板63、导焊固定架62、导焊横架61及导焊支架60组成；

所述导焊支架60有两个，安装在两侧的上齿套端部，通过导焊横架61连接成一体，导焊固定架62安装在导焊横板上，导焊板63搭接在工件指定位置，压紧在导焊固定架62上。所述导焊板63一侧设置为圆弧状，用于与管型母线表面贴合；

所述垫块44设有多套，能够适用于不同管径；垫块44通过螺钉与下齿套3连接；

左右齿套各放置六组垫块44，每组垫块44与压紧螺栓5间隔120°，构成三点定位，管型母线通过垫块44与压紧螺栓5装夹在锁固的下齿套3上齿套4中。

所述回转机构中采用单侧设置伺服电机a28驱动，通过回转轴45、驱动齿轮沿齿圈带动台架11进行回转运动，避免了两侧电机运行不同步问题。

主轴的焊具座41安装端，轴承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承23、双向推力角接触球轴承22组合，顶部采用深沟球轴承19，较一般机床主轴能够承载更大的径向力和轴向力，主轴旋转运动更平稳、低噪。

所述平移机构利用主轴20随上支架11平移实现倾角焊接，通过改变平移距离的大小，来实现任意倾角大小的调节。

所述主轴旋转机构采用大功率齿形带传动，实现焊具高速旋转，所述回转机构采用齿轮传动实现台架回转，所述升降机构采用蜗轮蜗杆传动及T型螺旋副实现焊具升降，所述平移运动采用升降机实现焊具平移。

一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，所述搅拌头42按照管型母线管壁厚度、材质设有不同类型，根据不同的焊接要求随时更换。

一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，当焊接铜管母线时，针对铜管塑性流动能力较差，采用压力控制方法保证足够的热输入量和较大的顶锻力以得到无缺陷的焊缝；当焊接铝管母线时，针对铝管塑性流动能力较强，采用位移控制方法保证一定的压下量得到飞边较小的焊缝；焊接步骤如下：

步骤一：焊接开始前，先用酒精擦拭待焊接管型母线的表面，去除附着在表面的油污及杂质；

步骤二：将衬管放入擦拭完成的两待焊接管型母线的内表面，以防止焊接时材料软化发生塌陷；

步骤三：启动开合机构打开齿套，将垫好衬管的管型母线放入齿套内，使得焊接位置对准搅拌头42，然后闭合并锁固齿套，固定工件；

步骤四：启动主轴电机40、平移机构电机减速机30与焊具升降机构电机52，利用手轮打点定位，判断管材同心度及厚度变化，在CNC控制系统上设定主轴旋转速度、焊接回转速度、倾角大小对应的平移距离以及压下量；

步骤五：焊接铜管时，先将高速旋转的搅拌头42扎入管型母线，对母线进行预热处理，待搅拌头42变为红色状态开始焊接；焊接铝管时不需进行预热处理；

步骤六：铜管焊接时所需热输入量大，且对热输入量敏感度高，压力是影响热输入量的关键因素，因此采用压力控制方法可改善铜管母线焊缝性能，具体方法为在主轴顶端设置力传感器，焊接时搅拌头23的实际顶锻力数值通过力传感器传送至CNC控制系统，CNC控制系统的中央处理单元通过判断压力数值的变化输出信号给驱动器，以控制升降机构运动，使得焊接压力维持在一定数值内，确保恒压力焊接。铝管焊接时所需热输入量小，且对热输入量敏感度低，因此采用位移控制可得到飞边较小的焊缝，具体方法为先用手轮在母线表面打点，以起焊位置的压下量为参考点，根据打点数值在焊缝不同位置编入不同的压下量，确保整个环缝位置的压下量基本保持一致，CNC控制系统按照程序命令驱动升降电机，并实时读取升降电机编码器信号，识别其位移变化，使其按照设定位移控制升降电机运动；

步骤七：焊接结束前安装好导焊机构，使得焊接“匙孔”留在导焊板63上；

步骤八：焊接结束后，取下导焊机构，打开齿套，取出管型母线；

步骤九：焊接铜管母线时，旋转速度为800rpm～1000rpm，焊接速度为30mm/min～50mm/min，倾角大小为2°～3°，焊接压力为19kN；焊接铝管母线时，旋转速度为600～800rpm，焊接速度为60mm～100mm/min，倾角大小为2°～3°，压下量为0.2mm～0.3mm，通过采用以上焊接参数能够得到高质量焊缝。

Claims (8)

1.一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括支撑系统、运动动力系统、搅拌头系统和辅助系统；

所述支撑系统由底座、齿圈、齿套、齿套开合机构及锁固装夹机构构成；

所述底座(1)由结构钢焊接后加工制成，用于安装齿套、回转机构等，并提供足够的空间实现在Y-Z面上的360°回转焊接；

所述齿圈齿套由齿圈a(2)齿圈b(7)、下齿套(3)、上齿套(4)组成，左右对称布置，下齿套(3)安装在底座上，下齿套(3)上齿套(4)侧边焊接有轴套a(55)轴套b(56)，并通过销轴(54)、轴套a(55)、b(56)铰接在一起；下齿套(3)上齿套(4)的开合便于工件的装夹拆卸；下齿套(3)上齿套(4)设有支撑辊回转导槽及压辊回转面，支撑回转部件运动；所述齿套开合机构左右对称布置各一套，由电动推杆(57)、套筒(47)、螺栓a(48)、翻转板(46)等组成；电动推杆通过套筒(47)、螺栓a(48)与翻转板铰接，翻转板(46)通过螺栓固定在上齿套(4)上，电动推杆(57)伸缩运动，通过翻转板(46)带动上齿套(4)开合；

所述锁固装夹机构由齿套锁固螺栓b(58)、垫块(44)及压紧螺栓(5)组成；上下齿套合起，用螺栓b(58)锁固，形成完整的齿套齿圈；垫块(44)通过螺栓安装在下齿套(3)上，间隔120°，齿套锁固后压紧螺栓(5)压下，完成管件装夹；

所述运动动力系统由台架回转机构、平移机构、主轴旋转机构和焊具升降机构组成；

所述台架回转机构由台架(8)、支撑辊组(6)、压辊辊组(27)、回转驱动齿轮(29)、驱动轴(45)、传动大齿轮(50)、传动小齿轮(49)、圆锥齿轮减速机(51)、伺服电机a(28)构成；台架(8)两端安装支撑辊组(6)、压辊辊组(27)，支撑辊(6)运行在齿套导槽内，压辊(27)运行在齿套外圆柱面，台架(8)沿齿套圆周回转；伺服电机a(28)与圆锥齿轮减速机(51)直连，通过传动小齿轮(49)、传动大齿轮(50)带动驱动轴(45)、回转驱动齿轮(29)旋转，通过齿套上齿圈反作用力，带动台架(8)做回转运动；

所述平移机构由直线导轨(25)、滑块(24)、上支架(11)、上支架底板(26)、连接块(34)、升降机法兰(33)、升降机座(59)、升降机(32)、联轴器(31)、伺服电机减速机(30)构成；伺服电机减速机(30)安装在台架(8)侧面，通过联轴器(31)与升降机(32)链接，升降机(32)通过升降机座(59)安装在台架(8)上，升降杆通过升降机法兰(33)与安装在上支架底板(26)上的连接块(34)相连，上支架底板(26)采用螺栓、圆锥销安装在上支架(11)上，直线导轨(25)安装在台架(8)上，直线导轨滑块(24)安装在上支架上(11)；上支架(11)及上支架底板(26)在升降机(32)的作用下沿直线导轨做平移运动；

所述主轴旋转机构由主轴电机(40)、电机座(39)、小带轮(38)、大带轮(15)、齿形带(37)、滚珠花键套(18)及滚珠花键轴(16)、轴承(17)、主轴组件组成；所述主轴组件由主轴(20)、主轴外套(21)、圆锥孔双列滚子轴承(23)、双向推力球轴承(22)及深沟球轴承(19)组成，较一般机床能承载更大的径向力和轴向力，主轴旋转运动更平稳、低噪；主轴外套(21)设有T型螺旋，起到升降主轴的作用；滚珠花键套(18)安装在主轴(20)轴端，滚珠花键轴(16)通过轴承(17)安装在上支架(11)上，轴端安装大带轮(15)，主轴电机(40)轴端安装小带轮(38)，主轴电机(40)通过电机座(39)安装在上支架底板(26)和上支架(11)上；主轴电机(40)通过带轮和齿形带(37)驱动滚珠花键轴(16)旋转，从而带动主轴(20)旋转，转速根据焊接工艺选择；

所述焊具升降机构由伺服电机b(52)、行星减速机(53)、蜗轮蜗杆减速机、传感器安装座(13)、压力传感器(14)等组成；所述蜗轮蜗杆减速机主体由箱体(9)、蜗杆轴(10)、蜗轮螺母(12)及导向压盖a(35)导向压盖b(36)组成；减速机箱体通过传感器安装座(13)、压力传感器(14)吊装在上支架(11)上，另一端与上支架底板(26)上的孔配合；涡轮螺母(12)内孔制造与主轴外套(21)相配合的T型螺旋；行星减速机(53)安装在箱体(9)上；伺服电机b(52)与行星减速机(53)直连，行星减速机(53)输出轴与蜗杆轴(10)直连；伺服电机b(52)通过行星减速机(53)、蜗杆轴(10)驱动涡轮螺母(12)旋转，带动主轴组件沿导向压盖a(35)导向压盖(36)做升降运动；

所述搅拌头系统由搅拌头(42)、焊具座(41)组成；搅拌头(42)通过焊具座(41)安装在主轴(20)端部；随主轴(20)旋转、运动；

所述辅助系统是指导焊机构(43)，由导焊板(63)、导焊固定架(62)、导焊横架(61)及导焊支架(60)组成；

所述导焊支架(60)有两个，安装在两侧的上齿套端部，通过导焊横架(61)连接成一体，导焊固定架(62)安装在导焊横板上，导焊板(63)搭接在工件指定位置，压紧在导焊固定架(62)上；所述导焊板(63)一侧设置为圆弧状，用于与管型母线表面贴合。

2.根据权利要求1所述的一种铜管或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述垫块(44)设有多套，能够适用于不同管径；垫块(44)通过螺钉与下齿套(3)连接；

左右齿套各放置六组垫块(44)，每组垫块(44)与压紧螺栓(5)间隔120°，构成三点定位，管型母线通过垫块(44)与压紧螺栓(5)装夹在锁固的下齿套(3)上齿套(4)中。

3.根据权利要求1所述的一种铜管或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述回转机构中采用单侧设置电机(28)驱动，通过回转轴(45)、驱动齿轮沿齿圈带动台架(11)进行回转运动，避免了两侧电机运行不同步问题。

4.根据权利要求1所述的一种铜管或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：主轴的焊具座(41)安装端，轴承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承(23)、双向推力角接触球轴承(22)组合，顶部采用深沟球轴承(19)，较一般机床主轴能够承载更大的径向力和轴向力，主轴旋转运动更平稳、低噪。

5.根据权利要求1所述的一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述平移机构利用主轴(20)随上支架(11)平移实现倾角焊接，通过改变平移距离的大小，来实现任意倾角大小的调节。

6.根据权利要求1所述的一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述主轴旋转机构采用大功率齿形带传动，实现焊具高速旋转，所述回转机构采用齿轮传动实现台架回转，所述升降机构采用蜗轮蜗杆传动及T型螺旋副实现焊具升降，所述平移运动采用升降机实现焊具平移。

7.根据权利要求1所述的一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述搅拌头(42)按照管型母线管壁厚度、材质设有不同类型，根据不同的焊接要求随时更换。

8.根据权利要求1所述的应用于一种铜或铝管型母线环缝搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于：当焊接铜管母线时，针对铜管塑性流动能力较差，采用压力控制方法保证足够的热输入量和较大的顶锻力以得到无缺陷的焊缝；当焊接铝管母线时，针对铝管塑性流动能力较强，采用位移控制方法保证一定的压下量得到飞边较小的焊缝；焊接步骤如下：

步骤一：焊接开始前，先用酒精擦拭待焊接管型母线的表面，去除附着在表面的油污及杂质；

步骤二：将衬管放入擦拭完成的两待焊接管型母线的内表面，以防止焊接时材料软化发生塌陷；

步骤三：启动开合机构打开齿套，将垫好衬管的管型母线放入齿套内，使得焊接位置对准搅拌头(42)，然后闭合并锁固齿套，固定工件；

步骤四：启动主轴电机(40)、平移机构电机减速机(30)与焊具升降机构电机(52)，利用手轮打点定位，判断管材同心度及厚度变化，在CNC控制系统上设定主轴旋转速度、焊接回转速度、倾角大小对应的平移距离以及压下量；

步骤五：焊接铜管时，先将高速旋转的搅拌头(42)扎入管型母线，对母线进行预热处理，待搅拌头(42)变为红色状态开始焊接；焊接铝管时不需进行预热处理；

步骤六：铜管焊接时所需热输入量大，且对热输入量敏感度高，压力是影响热输入量的关键因素，因此采用压力控制模式可改善铜管母线焊缝性能，具体方法为在主轴顶端设置力传感器，焊接时搅拌头(23)的实际顶锻力数值通过力传感器传送至CNC控制系统，CNC控制系统的中央处理单元通过判断压力数值的变化输出信号给驱动器，以控制升降机构运动，使得焊接压力维持在一定数值内，确保恒压力焊接。铝管焊接时所需热输入量小，且对热输入量敏感度低，因此采用位移控制模式可得到飞边较小的焊缝，具体方法为先用手轮在母线表面打点，以起焊位置的压下量为参考点，根据打点数值在焊缝不同位置编入不同的压下量，确保整个环缝位置的压下量基本保持一致，CNC控制系统按照程序命令驱动升降电机，并实时读取升降电机编码器信号，识别其位移变化，使其按照设定位移控制升降电机运动；

步骤七：焊接结束前安装好导焊机构，使得焊接“匙孔”留在导焊板(63)上；

步骤八：焊接结束后，取下导焊机构，打开齿套，取出管型母线；

步骤九：焊接铜管母线时，旋转速度为800rpm～1000rpm，焊接速度为30mm/min～50mm/min，倾角大小为2°～3°，焊接压力为19kN；焊接铝管母线时，旋转速度为600～800rpm，焊接速度为60mm～100mm/min，倾角大小为2°～3°，压下量为0.2mm～0.3mm，通过采用以上焊接参数能够得到高质量焊缝。

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