CN117300328A - 一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，涉及搅拌摩擦焊设备技术领域。包括静轴肩工具，安装在电主轴的下部随电主轴移动并完成搅拌摩擦焊接及丝材的焊接工作；送丝机构，安装在电主轴及静肩工具的侧面并向静轴肩工具输送丝材；辊压装置，安装在电主轴的侧面并将送丝机构中的丝材挤压成片状。本发明整体结构设计简单，适用性强，可有效解决焊接过程中母材流失过多造成力学性能降低的影响，弥补焊缝减薄所带来的材料流失，同时，由于随焊填料的作用原理，可解决因焊缝减薄及装配间隙所带来焊接性能下降，并同时解决搅拌摩擦焊接匙孔缺陷，综合提高静轴肩搅拌摩擦焊焊缝力学性能，提高生产效率。

Description

一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊设备技术领域，更具体地说，是涉及一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置。

背景技术

静止轴肩搅拌摩擦焊，是英国焊接研究所基于传统搅拌摩擦焊研发的一种新型固相连接技术，目前改技术已被广泛应用于铝、镁轻质合金的连接。静轴肩搅拌摩擦焊焊接工具由不旋转的轴肩及内部旋转的搅拌工具组成，静轴肩搅拌摩擦焊具有焊缝表面光滑、摩擦热沿板厚较均匀及适应性强等优势，该种焊接技术在焊接领域越来越备受关注。

但作为一种固相连接技术，由于静轴肩轴肩外表面与待焊试板的上表面紧密贴合，高速旋转的搅拌针和试板母材之间相互摩擦、挤压作用导致焊接过程中塑性金属材料溢出焊缝区外，形成特有的“飞边”现象，导致焊缝性能略低于母材，同时在搅拌焊接结束点，由于搅拌针的抬起会留有搅拌摩擦焊特有的“匙孔”现象，终点处需要后续工序进行补焊加工，影响接头性能和焊接表面质量。

针对焊接过程金属溢出产生的“飞边”致使焊缝减薄问题，及由于产品批次和装配误差产生的间隙问题，目前改进的手段主要集中于改进搅拌摩擦焊接工具进行同轴填料、旁轴填料或采用搅拌摩擦焊增材工具进行焊接，其中填料多为细直径焊丝或金属粉末；专利CN113927150A通过送进轮组使丝材与空心搅拌针同轴，送入丝材在送进压力下摩擦、塑化，沿空心搅拌针挤出进入轴肩平面与待焊工件间隙，但由于搅拌针转速较高，材料难以从搅拌针空心槽处流出，易使得空心槽积料严重，故难以实现连续填丝。专利CN212371409U通过在主轴旁设置送粉机构，通过送粉管传送到送粉嘴喷涂到搅拌针的前面，但金属粉末松散性大，且喷粉末时易飞溅，无法均匀填充，造成焊缝接头性能一致性差。专利CN211135904U填加丝材由自动送丝机推送，由于压辊系统中压轮的作用，填加丝材经静止轴肩的填丝导槽填加至搅拌针前端，从而实现填加丝材的自动、有效地填加，但焊接母材易流入填丝导槽，难以将丝材顺利送入，且容易造成丝盘堵丝，其次搅拌针高速旋转时，丝材易从导槽进入静轴肩与搅拌针间隙上端，无法实现填丝功能，仅适平面焊缝，无法适用于复杂空间曲线焊缝。专利CN101518850采用增材式搅拌摩擦焊接的方式，通过设计特殊焊具，实现大型金属结构的固相增材制造成形，虽然增材搅拌摩擦焊能够实现添料过程，但是针对增材设计的搅拌针无法适应常规焊接工作。同时，目前填料装置或搅拌增材焊接装置均无法解决搅拌摩擦焊接匙孔缺陷；针对匙孔缺陷，专利CN217618360U通过回抽式搅拌摩擦焊的方式虽然能从表面处理焊缝匙孔问题，但处于搅拌针回抽阶段的接头质量难以保持一致性，易出现未融合等焊接缺陷，针对高质量焊接产品的需求难以实施应用，专利CN114309916A通过塞补的方式也能有效处理匙孔缺陷，但需除搅拌摩擦焊接外的额外工序，影响焊接加工的生产效率，同时塞棒的材料性能也会影响焊接接头的一致性。

因此亟需一种结构简单、高效率搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，解决焊缝减薄及焊接钥孔缺陷。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，整体结构设计简单，适用性强，可有效解决焊接过程中母材流失过多造成力学性能降低的影响，弥补焊缝减薄所带来的材料流失，解决因焊缝减薄及装配间隙所带来焊接性能下降，并同时解决搅拌摩擦焊接匙孔缺陷，综合提高静轴肩搅拌摩擦焊焊缝力学性能，提高生产效率。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，包括：

静轴肩工具，安装在电主轴的下部随电主轴移动并完成搅拌摩擦焊接及丝材的焊接工作；

送丝机构，安装在电主轴及静肩工具的侧面并向静轴肩工具输送丝材；

辊压装置，安装在电主轴的侧面并将送丝机构中的丝材挤压成片状。

优选地，所述静轴肩工具包括静轴肩、搅拌针、连接装置，静轴肩与连接装置连接，连接装置通过螺栓固定连接在电主轴底部端盖上，搅拌针固定连接在电主轴刀柄上，搅拌针设置在静轴肩的内部且针尖伸出静轴肩。

优选地，所述送丝机构包括丝材、丝盘、丝盘固定架、送丝管、送丝管支架，丝盘转动连接在丝盘固定架上，丝盘固定架连接在电主轴上部的连接法兰上，送丝管支架连接在电主轴底部端盖上，送丝管连接在送丝管支架上，送丝管的出口靠近静轴肩，丝材缠绕在丝盘上，丝材的自由端经辊压装置挤压成片后进入送丝管中，最终从送丝管的末端伸出参与焊接工作。

优选地，所述送丝管固定架设有外螺纹，外螺纹与电主轴底部端盖旋接，在送丝管固定架上设有圆孔，送丝管的一端通过螺母连接在辊压装置的丝材输出端，另一端穿过送丝管固定架上的圆孔延伸至静轴肩处。

优选地，所述辊压装置包括若干组辊压轮、电机、电机固定架，每组辊压轮有两个，电机固定架连接在电主轴上，电机固定连接在电机固定架上并与伺服驱动器电连接，伺服驱动器与机器人控制器电连接，辊压轮可拆卸安装在电机固定架上，电机驱动辊压轮转动，丝材经过各组辊压轮的挤压，由柱状变为片状。

优选地，所述辊压轮共有两组，每组设有一个调节旋钮调节两个辊压轮之间的距离。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

(1)、本发明中通过在电主轴外设置送丝机构，可顺利的连续填丝，避免了搅拌针高速旋转时同轴送丝难以实现的问题，可有效解决焊接过程中母材流失过多造成力学性能降低的影响，弥补焊缝减薄所带来的材料流失。

(2)、本发明通过增加辊压装置，将丝材转化为片状形式，使材料更易进入轴肩间隙，实现了更高效填料，解决了因焊缝减薄及装配间隙所带来焊接性能下降的问题，并同时避免了搅拌摩擦焊接匙孔缺陷，综合提高了静轴肩搅拌摩擦焊焊缝力学性能，提高了生产效率。

(3)、本发明可应用于空间复杂曲面焊缝，有效提升薄板焊接性能。

(4)、本发明结构简单且紧凑，适用范围广，成本低，可用于实际工业应用。

附图说明

图1是本发明与电主轴的装配示意图；

图2为本发明焊接过程中送丝示意图；

图3为电机及辊压装置的结构示意图；

图4为电机固定架的结构示意图；

图5为丝盘固定架的结构示意图；

图6为送丝管支架的结构示意图；

图中：1、电主轴；2、静轴肩；3、搅拌针；4、电机固定架；5、电机；6、丝盘；7、丝盘固定架；8、丝材；9、第一调节旋钮；10、第一辊压轮组轴承；11、第二辊压轮组轴承；12、第二调节旋钮；13、送丝管；14、送丝管支架；15、机器人控制器；16、伺服驱动器；17、待焊工件；18、连接装置；19、第一辊压轮组碾压轮；20、第二辊压轮组碾压轮。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本发明提供一种将丝材转化为片状以实现焊接过程增材填料提高静轴肩搅拌摩擦焊焊缝性能的装置，能够有效解决焊接过程中母材流失过多造成力学性能降低的影响，该方法类似于搅拌摩擦焊搭接形式，但又区别于搭接，弥补了焊缝减薄所带来的材料流失，同时，由于随焊填料的作用原理，可同步解决搅拌摩擦焊匙孔缺陷，显著提高了整道焊缝力学性能，提高生产效率。

如图1-2所示，本发明包括静轴肩工具、送丝机构、辊压装置。其中，静轴肩工具安装在电主轴的下部随电主轴移动并完成搅拌摩擦焊接及丝材的焊接工作。静轴肩工具包括搅拌针3、连接装置18、静轴肩2。搅拌针3通过螺栓固定于电主轴1的刀柄上，连接装置18通过螺栓固定在电主轴1的底部端盖上，静轴肩2与连接装置18通过螺纹完成连接。

送丝机构安装在电主轴及静肩工具的侧面并向静轴肩工具输送丝材，包括丝材8、丝盘6、丝盘固定架7、送丝管13、送丝管支架14。丝盘固定架7通过螺栓与螺母固定于电主轴1的连接法兰上，丝盘6装配到丝盘固定架7上，并通过锁紧螺母将其卡紧，丝盘固定架7的结构如图5所示。送丝管支架14通过螺纹固定于电主轴1的底部端盖上，送丝管13的一端通过螺母固定于辊压装置输出丝材端，并从送丝管支架14上穿出至静轴肩2旁。

辊压装置安装在电主轴的侧面并将送丝机构中的丝材挤压成片状。如图3所示，辊压装置包括电机固定架4、电机5、第一调节旋钮9、第一辊压轮组轴承10、第二辊压轮组轴承11、第二调节旋钮12、第一辊压轮组碾压轮19、第二辊压轮组碾压轮20。电机固定架4(如图4所示)通过螺栓与螺母固定于电主轴1上，电机5通过螺栓与螺母固定于伺服送丝电机固定支架4上，电机5与伺服驱动器16连接,伺服驱动器16与机器人控制器15连接。第一辊压轮组轴承10与第一辊压轮组碾压轮19组成一组辊压轮组，第二辊压轮组轴承11与第二辊压轮组碾压轮20组成另一组辊压轮组。

在焊接之前，首先打开第一调节旋钮9，第一辊压轮组轴承10与第一辊压轮组碾压轮19分开，打开第二调节旋钮12，第二辊压轮组轴承11与第二辊压轮组碾压轮20分开。手动将丝材8依次穿过两个辊压轮组，并从送丝管13中穿出，然后将第一调节旋钮9、第二调节旋钮12处关闭。

然后通过机器人控制器15使伺服驱动器16工作，伺服驱动器16驱动电机5运行，柱状丝材将过两组辊压轮组的碾压转化为片状丝材，直至送丝管13中输出片状丝材，且可到搅拌针3的针尖处。接着关闭伺服驱动器16，将前端未碾压的丝材8去除，使片状丝材开始处贴合搅拌针3的针尖底部。焊接前期工作准备完成。

焊接时，通过电主轴驱动器驱动电主轴1转动，进而带动刀柄使搅拌针3转动，搅拌针3插入待焊工件17内部，打开伺服驱动器16，静轴肩2在待焊工件17表面开始移动，同时电机5将丝材8同步送至辊压装置处，第一辊压轮组轴承10与第一辊压轮组碾压轮19通过电机5同步异向旋转，将丝材8碾压变为片状形式，再通过第二辊压轮组轴承11与第二辊压轮组碾压轮20的挤压，使片状丝材变的更薄，并通过送丝管13传送至静轴肩2的前端间隙，至此完成静轴肩搅拌摩擦焊填料工作。

第一调节旋钮9与第二调节旋钮12内部均设有弹簧，通过手动旋转可调节轴承与碾压轮之间的间隙以调整片状丝材的薄厚。伺服驱动器16工作于同步周期速度模式，根据当前焊接前进速度值，由机器人控制器15计算匹配的送丝辊压速度，周期向伺服驱动器16发送速度值，避免填料速度过小或过大引起的焊接缺陷。在焊接结束末端，调整搅拌针3的拔出速度，使填料能够充分填满末端匙孔，在搅拌针3的挤压下，使填料与母材充分结合，以解决末端匙孔问题，提高焊接接头的一致性。本发明通过将丝材转化成片状形式，更易于进入轴肩间隙，有效解决了静轴肩搅拌摩擦焊焊缝减薄以及匙孔问题，特别针对薄板焊接，有效提高了静轴肩搅拌摩擦焊焊缝的力学性能。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，其特征在于，包括：

静轴肩工具，安装在电主轴的下部随电主轴移动并完成搅拌摩擦焊接及丝材的焊接工作；

送丝机构，安装在电主轴及静肩工具的侧面并向静轴肩工具输送丝材；

辊压装置，安装在电主轴的侧面并将送丝机构中的丝材挤压成片状。

2.根据权利要求1所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，其特征在于，所述静轴肩工具包括静轴肩、搅拌针、连接装置，静轴肩与连接装置连接，连接装置通过螺栓固定连接在电主轴底部端盖上，搅拌针固定连接在电主轴刀柄上，搅拌针设置在静轴肩的内部且针尖伸出静轴肩。

3.根据权利要求2所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，其特征在于，所述送丝机构包括丝材、丝盘、丝盘固定架、送丝管、送丝管支架，丝盘转动连接在丝盘固定架上，丝盘固定架连接在电主轴上部的连接法兰上，送丝管支架连接在电主轴底部端盖上，送丝管连接在送丝管支架上，送丝管的出口靠近静轴肩，丝材缠绕在丝盘上，丝材的自由端经辊压装置挤压成片后进入送丝管中，最终从送丝管的末端伸出参与焊接工作。

4.根据权利要求3所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，其特征在于，所述送丝管固定架设有外螺纹，外螺纹与电主轴底部端盖旋接，在送丝管固定架上设有圆孔，送丝管的一端通过螺母连接在辊压装置的丝材输出端，另一端穿过送丝管固定架上的圆孔延伸至静轴肩处。

5.根据权利要求3所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，其特征在于，所述辊压装置包括若干组辊压轮、电机、电机固定架，每组辊压轮有两个，电机固定架连接在电主轴上，电机固定连接在电机固定架上并与伺服驱动器电连接，伺服驱动器与机器人控制器电连接，辊压轮可拆卸安装在电机固定架上，电机驱动辊压轮转动，丝材经过各组辊压轮的挤压，由柱状变为片状。

6.根据权利要求5所述的一种机器人静轴肩搅拌摩擦焊接随焊增材填料装置，其特征在于，所述辊压轮共有两组，每组设有一个调节旋钮调节两个辊压轮之间的距离。