CN117620403A - 一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，包括机器人、设于机器人上的机器人搅拌摩擦焊主轴、主轴控制装置、工控机、机器人控制装置、焊接工作台、推拉送丝机，机器人搅拌摩擦焊主轴包括搅拌焊主轴、转接套、刀柄、锁紧固定套和搅拌头，搅拌头分为填丝焊接搅拌头和填丝增材搅拌头两种。本发明是基于重载机器人带动搅拌摩擦焊主轴焊接运动，搅拌头的螺旋铣刀将推拉送丝机的送丝进行粉碎颗粒化，并通过搅拌针的导料螺纹送至焊接区和增材区，从而实现机器人填丝搅拌摩擦焊接和机器人填丝固相增材制造，解决了航空航天小批量、多品种轻质合金焊接件的连接的固相搅拌摩擦焊接、大尺寸轻质合金结构件高效增材制造的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，尤其涉及一种用于制造工业数字化、智能化的机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置。
背景技术
搅拌摩擦焊主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。对于角焊缝而言，旋转的轴肩会与焊缝两侧的材料发生干涉，无法进行焊接。静轴肩搅拌摩擦焊的轴肩与搅拌针是分体结构，焊接过程中，轴肩不发生旋转，旋转的搅拌针与被焊材料进行摩擦。因此，可以通过设计特殊结构的静轴肩与搅拌针，实现角焊缝的搅拌摩擦焊。
现有技术的静轴肩搅拌摩擦焊主要应用于平面焊缝，如其主要目的是减小焊接热输入，消除焊接弧纹、提高表面光洁度。这种轴肩直径较大，无法满足角焊缝的焊接需求。T型接头的搅拌摩擦焊可以通过搭接的形式实现，但其仍为常规的搅拌摩擦焊方法，焊缝尺寸较大、热输入较高，难以实现全焊透，焊接质量和接头强度较低，且对工件的装配形式和厚度上都要求苛刻。
对于T型接头内侧角焊缝搅拌摩擦焊，公开号为CN109202271A的专利申请公开了一种静轴肩填丝搅拌摩擦焊装置及角焊缝增材制造方法、CN107160030A公开了一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法、CN114619054A公开了一种摩擦增材设备及其方法与产品，这三个专利是将焊丝直接搅拌至焊接件中，未实现机器人搅拌焊，对应增材制造也只局限于角接焊缝，并未详细设计相关搅拌头，也未提出固相增材方式，发明人通过试验发现，直接使用焊丝增材搅拌摩擦焊容易出现缺陷，用于角焊缝容易出现堵丝现象，不适合推广使用。
搅拌摩擦增材制造技术作为一种新生的增材制造技术，衍生于搅拌摩擦焊，目前，搅拌摩擦增材制造，根据制造工艺过程特点分为3种典型模式，即：板材叠加、摩擦堆焊沉积及中空棒料摩擦沉积。CN114799480A公开了一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置，该专利是将丝状增材原料通过多个进丝通道同步不间断进给到进丝装置内部储料腔与搅拌摩擦装置上的碎料刀片之间的空间中，随后经过搅拌摩擦装置上的碎料刀片粉碎成颗粒状的增材原料沿着螺杆部向下运动积累，随着搅拌摩擦装置的不断旋转，颗粒状增材原料不断热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置下方的多个凸台结构搅拌混合处理，实现固相增材制造。该专利并未给出增材搅拌摩擦焊结构，关于送丝结构等都未体现，该专利的储料腔很小且直接连接于搅拌针前段，根本不能实现增材效果，并未集成使用机器人焊接单元，该专利未体现同步的原则，直接使用推拉送丝机构进行送丝，送丝更稳定更方便，发明人通过试验发现只有凸台，不能实现增材制造，需要在搅拌针的端面设有螺旋槽汇聚料。
运用机器人进行焊接和增材制造的方式现已很普遍，但基于重装机器人的搅拌摩擦焊增材制造很少，CN115467569A公开了一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法，该专利只给出了装置大体框架，并未结合航天件实际生产进行详细设计，针对送丝机的选型、送丝的方式、送丝机构的固定、焊丝切削和送料都未进行详细工程设计，未根据实际试验选用推拉送丝机，对于航天铝合金焊接及增材，机器人的负载至少大于1吨，该增材制造装置未提出增材搅拌摩擦焊接功能，相比实际工程运用未提供相应的合理结构发明设计。
综上所述，针对航空航天轻质铝合金件的制造，现有技术无法解决小批量多品种搅拌摩擦焊和固相增材制造的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，实现航空航天高性能清洁制造，解决小批量柔性搅拌摩擦焊接的问题。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，包括机器人、设于机器人上的机器人搅拌摩擦焊主轴、主轴控制装置、工控机、机器人控制装置、焊接工作台、推拉送丝机，所述主轴控制装置用于控制机器人搅拌摩擦焊主轴，所述机器人控制装置用于控制机器人，工控机用于机器人搅拌焊焊接程序编制、焊接参数设定、焊接过程数据监控、焊接数据存储及提取、任务接收和交付，焊接工艺放错指导、异常提醒和提供解决方式介绍等，所述机器人搅拌摩擦焊主轴包括搅拌焊主轴、转接套、刀柄、锁紧固定套和搅拌头，
所述搅拌头包括搅拌针和静轴肩，搅拌针安装在刀柄上，静轴肩固定在转接套上，转接套通过螺钉固定在搅拌焊主轴的外壳体，刀柄安装在搅拌焊主轴的中心旋转轴上，搅拌焊主轴通过刀柄带动搅拌针旋转焊接，静轴肩和搅拌针之间形成一个粉碎环腔；
所述搅拌头选自填丝焊接搅拌头或填丝增材搅拌头，填丝增材搅拌头的搅拌针针头包括端面螺旋槽和高温合金齿；
所述静轴肩的侧面设置有送丝孔，焊丝通过送丝孔进入粉碎环腔，在粉碎环腔中焊丝被搅拌针的螺旋铣刀粉碎，细小颗粒焊丝通过搅拌针的导料螺纹送至搅拌针的搅拌针头焊接工作区。
作为优选方式，所述搅拌焊主轴的外壳体上固定有送丝头，送丝头与送丝管线连接，焊丝通过送丝头和送丝管线送入粉碎环腔，送丝头通过抱箍支架固定在搅拌焊主轴的外壳体上，根据静轴肩的送丝孔的特征调整送丝头与抱箍支架的夹角，并用螺栓固紧。
作为优选方式，所述搅拌头包括依次设置的搅拌针头、导料螺纹、螺旋铣刀、台肩和刀杆，所述刀杆连接刀柄，台肩用于搅拌头轴向限位，导料螺纹用于将细小颗粒状态的焊丝通过螺纹导向至焊接区，搅拌针头是用于焊接搅拌。
作为优选方式，所述推拉送丝机安装于机器人的第二轴臂上。
作为优选方式，所述转接套和静轴肩之间设有调间垫片，调间垫片的厚度为0.1mm，调节搅拌针突出静轴肩的长度。
作为优选方式，所述静轴肩为角焊缝静轴肩，角焊缝静轴肩设有角焊缝静轴肩送丝孔，角焊缝静轴肩的前进侧倒圆角为Ra，后侧倒角为Rb，Ra根据焊接角缝的大小确定，90°的角接缝Ra为0.5mm，Rb为焊接件图纸需求而定：当焊接件要求倒角为C2时，Rb为C2。
作为优选方式，所述端面螺旋槽均布设有三个，高温合金齿均布设有4～6个，高温合金齿通过钎焊方式焊接在搅拌针胎体上。
作为优选方式，所述机器人选用重载型机器人，机器人的额定载荷大于等于1吨。
作为优选方式，厚度6mm，倒角圆角R2的2219铝合金角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度120mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为5m/min；厚度6mm，倒直角C2的角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度120 mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为6mm/s。
作为优选方式，2219铝合金固相增材制造时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度为100mm/min，搅拌针的转速为1300rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为12m/min。
本发明具有以下优点：
（1）本发明解决了机器人搅拌摩擦焊的升级使用，填丝搅拌焊解决焊缝较大的搅拌摩擦焊问题，实现大焊缝间隙搅拌摩擦焊接；（2）本发明通过机器人控制和主轴集成控制，实现不均匀焊缝焊接和异性空间结构搅拌摩擦焊；（3）本发明实现机器人搅拌摩擦焊的同时也能实现搅拌摩擦固相增材制造；（4）本发明为机器人柔性制造单元，焊接的结构范围更广，增材的结构更多，焊接及增材制造所需的焊接工装少而简单；（5）本发明的填丝焊接搅拌头和填丝增材搅拌头结构简单合理，安装精度高，维修方便；（6）本发明的采用的送丝更为直接，经过实物试验验收，焊接和增材效果明细，调节工艺参数更为方便；（7）本发明为后续航空航天轻质合金焊接件的连接和大尺寸轻质合金增材制造提供了快速、低成本的制造方式。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的三维示意图。
图3是本发明的机器人搅拌摩擦焊主轴示意图。
图4是机器人搅拌摩擦焊主轴的局部放大图。
图5是本发明的填丝搅拌针示意图。
图6是本发明角焊缝机器人填丝搅拌摩擦焊主轴示意图。
图7是本发明角焊缝机器人填丝搅拌摩擦焊主轴剖视图。
图8是本发明角焊缝机器人填丝搅拌摩擦焊焊接示意图。
图9是本发明静轴肩和角焊缝静轴肩示意图。
图10是本发明机器人填丝搅拌固相增材主轴剖视图。
图11是本发明填丝搅拌固相增材搅拌针示意图。
图12是本发明机器人填丝搅拌摩擦固相增材示意图。
图中：1.机器人，2.搅拌摩擦焊主轴控制装置，3.工控机，4.机器人搅拌摩擦焊主轴，5.机器人控制装置，6.焊接工作台，7.推拉送丝机，8.搅拌焊主轴，9.转接套，10.刀柄，11.填丝搅拌针，11-1.搅拌针头，11-2.导料螺纹，11-3.螺旋铣刀，11-4.台肩，11-5.刀杆，12.调间垫片，13.锁紧固定套，14.静轴肩，14-a.静轴肩送丝孔，15.抱箍支架，16.锁紧螺钉，17.焊丝，18.送丝头，19.送丝管线，20.粉碎环腔，21.角焊缝静轴肩，21-a.角焊缝静轴肩送丝孔，22.圆角角焊缝焊，23.T形角接板，24.增材搅拌针，24-1.搅拌增材针头，24-2.导料螺纹，24-3.螺旋铣刀，24-4.台肩，24-5.刀杆，24-6.端面螺旋槽，25.增材板，25-1.增材层，25-2增材基层，26.高温合金齿。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例：
一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置包括机器人1、搅拌摩擦焊主轴控制装置2、工控机3、机器人搅拌摩擦焊主轴4、机器人控制装置5、焊接工作台6、推拉送丝机7，所述的机器人1为满足搅拌摩擦焊接和固相增材功能，机器人1选用重载型机器人，机器人1的额定载荷大于等于1吨；所述的机器人搅拌摩擦焊主轴4包括搅拌焊主轴8、转接套9、刀柄10、锁紧固定套13和搅拌头，搅拌头分为填丝焊接搅拌头和填丝增材搅拌头两种，所述的填丝焊接搅拌头由填丝搅拌针11和静轴肩14组成，填丝搅拌针11通过锁紧螺钉16安装在刀柄10上，静轴肩14通过锁紧固定套13压紧固定在转接套9上，转接套9和锁紧固定套13采用螺纹连接，转接套9通过螺钉连接固定在搅拌焊主轴8的外壳体，刀柄10安装在搅拌焊主轴8中心旋转轴上，搅拌焊主轴8通过刀柄10带动填丝搅拌针11旋转焊接，静轴肩14安装在主轴外壳体，焊接过程中静轴肩14不旋转，静轴肩14和填丝搅拌针11之间形成了一个环空粉碎环腔20，静轴肩14的侧面设置了一个送丝孔14-a，焊丝17通过送丝孔14-a进入粉碎环腔20，在粉碎环腔20中焊丝17被填丝搅拌针11的螺旋铣刀11-3进行粉碎，填丝搅拌针11将送入的焊丝17铣切为细小颗粒状态，通过机器人静轴肩搅拌摩擦焊方式，细小颗粒焊丝17通过填丝搅拌针11的导料螺纹11-2送至填丝搅拌针11的搅拌针头11-1焊接工作区，从而实现机器人填丝搅拌摩擦焊技术，该技术能实现对接焊缝较大的搅拌摩擦焊。
所述的填丝增材搅拌头包括增材搅拌针24和静轴肩14，填丝增材搅拌头的安装方式和送丝原理和填丝焊接搅拌头一样，不同在于增材搅拌针24的搅拌增材针头24-1，增材搅拌针24的搅拌增材针头24-1包括端面螺旋槽24-6和高温合金齿26，该增材搅拌针24的搅拌增材针头24-1是实现机器人填丝搅拌摩擦焊固相增材技术的核心，每增材移动一道所增加的高度由高温合金齿26的高度和送丝的量共同决定。
焊丝17是通过送丝头18和送丝管线19送入粉碎环腔20，送丝头18通过抱箍支架15固定在搅拌焊主轴8的外壳体上，送丝头18与抱箍支架15之间采用螺栓连接，根据静轴肩14的送丝孔14-a的特征调整送丝头18与抱箍支架15的夹角，并用螺栓固紧，对应每个不同静轴肩14，送丝孔14-a的角度是不一样的，其角度根据焊接和增材两种方式的制造对象来确定。
填丝焊接搅拌头11由搅拌针头11-1、导料螺纹11-2、螺旋铣刀11-3、台肩11-4和刀杆11-5组成，刀杆11-5用于连接机器人1的刀柄10，台肩11-4是用于填丝焊接搅拌头11轴向限位，螺旋铣刀11-3是用于将送入的焊丝17粉碎为细小颗粒状态，导料螺纹11-2是用于将细小颗粒状态的焊丝通过螺纹导向至焊接区，搅拌针头11-1是用于焊接搅拌，从而实现填丝搅拌摩擦焊。
推拉送丝机7安装于机器人1的第二轴臂上，通过螺钉连接方式固定，送丝管线19通过线缆管安装延伸至搅拌针处。
搅拌摩擦焊主轴控制装置2用于集成控制机器人搅拌摩擦焊主轴4，包括主轴的旋转、主轴的冷却、主轴的压力控制、主轴位移控制、焊缝跟踪和送丝机控制等功能的集成。
转接套9和静轴肩14之间设有调间垫片12，每个调间垫片12的厚度为0.1mm，主要用于调节搅拌针突出静轴肩的长度，减少搅拌头加工和装配的公差。
当该机器人装置用于焊接角焊缝时，T形角接板23采用填丝搅拌焊，静轴肩14为实现贴合角焊缝的两面，静轴肩14的结构为角焊缝静轴肩21，角焊缝静轴肩21设有角焊缝静轴肩送丝孔21-a，角焊缝静轴肩21的前进侧倒圆角Ra，后侧倒角为Rb，Ra是根据焊接角缝的大小确定，90°的角接缝Ra为0.5mm，Rb为焊接件图纸需求而定，当焊接件要求倒角为C2时，Rb为C2，当焊接件图纸要求倒圆角R1时，Rb为R1，该搅拌摩擦焊接方式确保了角接缝的倒角均匀一致性，相对熔焊提高了焊透性，也极大提高了角焊接件的强度。
当该装置用于固相增材制造时，采用的搅拌针为增材搅拌针24，增材搅拌针24由搅拌增材针头24-1、导料螺纹24-2、螺旋铣刀24-3、台肩24-4和刀杆24-5组成，刀杆24-5是用于连接机器人1的刀柄10，台肩24-4是用于增材搅拌针24轴向限位，螺旋铣刀24-3是用于将送入的焊丝17粉碎为细小颗粒状态，导料螺纹24-2是用于将细小颗粒状态的焊丝17通过螺纹导向至焊接增材区，搅拌增材针头24-1由特征端面螺旋槽24-6和高温合金齿26组成，端面螺旋槽24-6实现将细小颗粒状态的焊丝17和搅拌过程中的塑性状态下的料进行中心汇聚，高温合金齿26实现增材高温塑性搅拌，通过搅拌和挤压的方式将送入的颗粒状态的焊丝17固相增材的方式实现增材板25的制造，增材层25-1固相连接的方式打印在基层25-2上，充分以上动作进而实现机器人固相增材制造。
增材搅拌针24的搅拌增材针头24-1特征端面螺旋槽24-6均匀分布三个，螺旋方式和增材焊接时搅拌针旋转方向相反；增材搅拌针24的搅拌增材针头24-1安装的高温合金齿26均匀分布三个，高温合金齿是通过钎焊方式焊接在增材搅拌针24胎体上。
在进行厚度6mm，倒角圆角R2的2219铝合金角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度120mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为5m/min，在进行厚度6mm，倒直角C2的角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度120mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为6mm/s，能获得合格焊接件。
2219铝合金固相增材制造时，使用该装置机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度为100mm/min，搅拌针的转速为1300rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为12m/min，能获得合格增材件。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：包括机器人、设于机器人上的机器人搅拌摩擦焊主轴、主轴控制装置、工控机、机器人控制装置、焊接工作台、推拉送丝机，所述主轴控制装置用于控制机器人搅拌摩擦焊主轴，所述机器人控制装置用于控制机器人，所述工控机用于编制搅拌摩擦焊焊接程序、设定焊接参数；所述机器人搅拌摩擦焊主轴包括搅拌焊主轴、转接套、刀柄、锁紧固定套和搅拌头，
所述搅拌头包括搅拌针和静轴肩，搅拌针安装在刀柄上，静轴肩固定在转接套上，转接套通过螺钉固定在搅拌焊主轴的外壳体，刀柄安装在搅拌焊主轴的中心旋转轴上，搅拌焊主轴通过刀柄带动搅拌针旋转焊接，静轴肩和搅拌针之间形成一个粉碎环腔；
所述搅拌头选自填丝焊接搅拌头或填丝增材搅拌头，填丝增材搅拌头的搅拌针针头包括端面螺旋槽和高温合金齿；
所述静轴肩的侧面设置有送丝孔，焊丝通过送丝孔进入粉碎环腔，在粉碎环腔中焊丝被搅拌针的螺旋铣刀粉碎，细小颗粒焊丝通过搅拌针的导料螺纹送至搅拌针的搅拌针头焊接工作区。
2.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述搅拌焊主轴的外壳体上固定有送丝头，送丝头与送丝管线连接，焊丝通过送丝头和送丝管线送入粉碎环腔，送丝头通过抱箍支架固定在搅拌焊主轴的外壳体上，根据静轴肩的送丝孔的特征调整送丝头与抱箍支架的夹角，并用螺栓固紧。
3.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述搅拌头包括依次设置的搅拌针头、导料螺纹、螺旋铣刀、台肩和刀杆，所述刀杆连接刀柄，台肩用于搅拌头轴向限位，导料螺纹用于将细小颗粒状态的焊丝通过螺纹导向至焊接区，搅拌针头是用于焊接搅拌。
4.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述推拉送丝机安装于机器人的第二轴臂上。
5.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述转接套和静轴肩之间设有调间垫片，调间垫片的厚度为0.1mm，调节搅拌针突出静轴肩的长度。
6.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述静轴肩为角焊缝静轴肩，角焊缝静轴肩设有角焊缝静轴肩送丝孔，角焊缝静轴肩的前进侧倒圆角为Ra，后侧倒角为Rb，Ra根据焊接角缝的大小确定，90°的角接缝Ra为0.5mm，Rb为焊接件图纸需求而定：当焊接件要求倒角为C2时，Rb为C2。
7.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述端面螺旋槽均布设有三个，高温合金齿均布设有4～6个，高温合金齿通过钎焊方式焊接在搅拌针胎体上。
8.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：所述机器人选用重载型机器人，机器人的额定载荷大于等于1吨。
9.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：厚度6mm，倒角圆角R2的2219铝合金角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度120mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为5m/min；厚度6mm，倒直角C2的角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度120 mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为6mm/s。
10.根据权利要求1所述的一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，其特征在于：2219铝合金固相增材制造时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9KN，焊接速度为100mm/min，搅拌针的转速为1300rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为12m/min。
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| CN202311708808.0A CN117620403A (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置 |
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