CN204934852U - 一种铝合金管端封焊装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种铝合金管端封焊装置，该装置包括三爪卡盘和薄壁夹具，所述三爪卡盘位于第一旋转筒内，第一旋转筒一部分位于安装在工作台上的第一支撑筒内，第一旋转筒与第一支撑筒之间安装有第一轴承，在第一旋转筒位于第一支撑筒内的一端延伸有第一凸台，在第一支撑筒的顶端安装有限制第一轴承运动的第一限位板，在第一旋转筒的外壁上安装有第一齿条，在工作台上安装有第一电机，第一电机与第一齿轮轴连接，第一齿轮轴与第一齿条啮合。本实用新型利用对薄壁铝合金管加热使得薄壁铝合金管膨胀，将铝合金棒插入到薄壁铝合金管中，克服了薄壁管件刚度低、抗扭性能差的缺点，在其他材料薄壁管件的焊接中具有通用性。

Description

一种铝合金管端封焊装置

技术领域

本实用新型涉及铝合金管端封焊装置，属于金属材料加工领域。

背景技术

搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，简称FSW)是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute)于1991年实用新型的专利焊接技术。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。搅拌摩擦焊技术已经在航空、航天、船舶、列车、电力和重型兵器等方面得到成功应用，然而当前在薄壁铝合金管的焊接方面仍然存在一些问题。

当管壁趋小时，焊接难度变大。专利(201410729971.X)提出了采用钨极惰性气体保护焊，解决小口径薄壁铝合金管材的连接问题；专利(201010524846.7)提出一种小直径管嘴与铝合金薄壁结构的焊接方法，对小直径管嘴与铝合金薄壁结构结合处进行焊接，同样也是采用弧焊方法进行焊接。实际上，采用弧焊方法进行焊接(如交流钨极氩弧焊)对铝合金进行焊接时，极易导致裂纹和气孔，尤其在薄壁管件焊接时，焊接变形更为严重，废品率甚至达到70％。为了改进焊接质量，专利(201310096100.4)提出了一种热泵用小口径超薄壁高频焊接铝合金管的生产方法，但焊接电流较高，达到230～235A，同时高频焊接的电效率低(约为50％左右)，工作电压电流太高，安全性差。郑英等人(专利号：201510118191.6、201510118211.X)提出了一种铝合金超大直径薄壁耐压管的生产方法，通过搅拌摩擦焊接的方法进行纵向焊缝焊接。但没有涉及铝合金管的端面封焊技术。李辉等人(出自：AWJT2005，October20-23，Dalian，China，A42-A47)提出了一种薄壁铝合金筒体焊缝的搅拌摩擦焊接方法，但在焊接过程中，需要采用内部涨紧的装备保证焊件不变形，同时还需要从两边顶紧端盖，且所提出的方法适用于铝合金筒体端面具有开口的情况，即当端面要求彻底封闭时，所提出的方法将无法完成任务。

可见，当薄壁铝合金管(壁厚小于1mm)需要端面封闭焊接时，面临着焊接难题，体现在：1、壁厚较薄导致刚度和抗扭性能较差，难以直接夹持转动焊接；2、铝合金端面封闭的要求，导致内部涨紧装置难以放入薄壁管件内部，从而由于缺乏内部支撑导致搅拌摩擦焊接失败。因此提出一种有效的薄壁铝合金管端封焊方法和装置具有重要的现实意义。

实用新型内容

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种铝合金管端封焊装置，采用H型焊缝一次性完成焊接，保证了焊接的精准度的同时又保证焊接的质量及铝合金管的气密性。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种铝合金管端封焊装置，包括用于固定铝合金棒的三爪卡盘和固定薄壁铝合金管的薄壁夹具，所述三爪卡盘位于第一旋转筒内，第一旋转筒一部分位于安装在工作台上的第一支撑筒内，第一旋转筒与第一支撑筒之间安装有第一轴承，在第一旋转筒位于第一支撑筒内的一端延伸有第一凸台，在第一支撑筒的顶端安装有限制第一轴承运动的第一限位板，在第一旋转筒的外壁上安装有第一齿条，在工作台上安装有第一电机，第一电机与第一齿轮轴连接，第一齿轮轴与第一齿条啮合；所述薄壁夹具位于第二旋转筒内，第二旋转筒一部分位于安装在滑板上的第二支撑筒内，第二旋转筒与第二支撑筒之间安装有第二轴承，在第二旋转筒位于第二支撑筒内的一端延伸有第二凸台，在第二支撑筒的顶端安装有限制第二轴承运动的第二限位板，在第二旋转筒的外壁上安装有第二齿条，在滑板上安装有第二电机，第二电机与第二齿轮轴连接，第二齿轮轴与第二齿条啮合；所述滑板通过移动装置沿工作台运动，在铝合金棒下方靠近薄壁铝合金管设有支撑铝合金棒的滚轮架组；在铝合金棒与薄壁铝合金管配合处的上方安装有搅拌头，铝合金棒一端为直径小于铝合金棒的轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身插入到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，在薄壁铝合金管上方安装有搅拌头，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管上形成H型焊缝，从而实现薄壁铝合金管端的封焊。

作为优选，所述移动装置包含伺服电机和直线滑台，伺服电机与滑动轴连接，滑动轴与直线滑台螺纹连接，直线滑台的两侧设有直线导轨，直线导轨上安装有轨道滑块，滑板与直线滑台和轨道滑块固定连接，伺服电机带动直线滑台移动，从而带动滑板移动

作为优选，所述轴身与薄壁铝合金管的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管的温度，t₀为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l薄壁铝合金管的内径。

作为优选，所述轴身的长度不小于搅拌头直径的3.5倍，搅拌头上安装有搅拌针，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管壁厚。

作为优选，所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管与铝合金棒的对接焊。

本实用新型中，通过三爪卡盘和薄壁夹具夹持工件，保证初始焊接时，一方面，铝合金管与铝合金棒之间能够紧密贴合；另一方面，通过过盈配合阻止两者之间轴向相对移动；正常焊接时，已完成的焊缝会逐步加强铝合金管与铝合金棒之间的连接强度。该过盈配合的选择与机械中常用的方法相比，不需要较大的过盈量，搅拌针插入搭接焊缝内部，搅拌针本身就起着“钉扎”作用，不需要太强的力量来阻止两者的轴向相对移动，此外焊接过程中过盈配合处处于高温(500℃左右)，过大的过盈量会造成铝合金管上很强的拉应力，不利于焊缝成形。而选择常规铝合金材料的过盈量时，由于在100℃的温度下，铝合金较之钢而言，是比较软的，因此，需要有较大的过盈量。

有益效果：本实用新型的铝合金管端封焊装置，利用对薄壁铝合金管加热使得薄壁铝合金管膨胀，将铝合金棒插入到薄壁铝合金管中，克服了薄壁管件刚度低、抗扭性能差的缺点，在其他材料薄壁管件的焊接中具有通用性；采用H型焊缝一次性完成焊接，保证了焊接的精准度的同时又保证焊接的质量及铝合金管的气密性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为H型焊缝主视图；

图3为H型焊缝A-A截面示意图；

图4为焊接接头剖面结构示意图；

图5为前进侧与后退侧位置示意图；

图6为被焊工件与搅拌针的旋转方向配合示意图；

图7为图1中移动装置的结构示意图。

具体实施方式

如1至图7所示，本实用新型的一种铝合金管端封焊装置，包括用于固定铝合金棒5的三爪卡盘22和固定薄壁铝合金管1的薄壁夹具13，所述三爪卡盘22位于第一旋转筒8内，第一旋转筒8一部分位于安装在工作台18上的第一支撑筒17内，第一旋转筒8与第一支撑筒17之间安装有第一轴承23，在第一旋转筒8位于第一支撑筒17内的一端延伸有第一凸台，在第一支撑筒17的顶端安装有限制第一轴承23运动的第一限位板25，在第一旋转筒8的外壁上安装有第一齿条，在工作台18上安装有第一电机9，第一电机9与第一齿轮轴24连接，第一齿轮轴24与第一齿条啮合；所述薄壁夹具13位于第二旋转筒内，第二旋转筒一部分位于安装在滑板14上的第二支撑筒6内，第二旋转筒与第二支撑筒6之间安装有第二轴承11，在第二旋转筒位于第二支撑筒6内的一端延伸有第二凸台，在第二支撑筒6的顶端安装有限制第二轴承11运动的第二限位板28，在第二旋转筒的外壁上安装有第二齿条，在滑板14上安装有第二电机26，第二电机26与第二齿轮轴27连接，第二齿轮轴27与第二齿条啮合；所述滑板14通过移动装置沿工作台18运动，在铝合金棒5下方靠近薄壁铝合金管1设有支撑铝合金棒5的滚轮架组7；铝合金棒5一端为直径小于铝合金棒5的轴身10，轴身10与铝合金棒5形成轴肩，轴身插入到薄壁铝合金管1中，轴身与薄壁铝合金管1为过盈配合，在薄壁铝合金管1上方安装有搅拌头3，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管1上形成H型焊缝4，从而实现薄壁铝合金管1端的封焊。所述H型焊缝4的第一道环焊缝4-1完成了铝合金管1与轴肩的搭接焊，H型焊缝4的第二道环焊缝4-3完成铝合金管1与铝合金棒的对接焊，H型焊缝中第一道环焊缝4-1到第二道环焊缝4-3为过渡焊缝4-2。

在本实用新型中，所述移动装置包含伺服电机19和直线滑台20，伺服电机19与滑动轴连接，滑动轴与直线滑台20螺纹连接，直线滑台20的两侧设有直线导轨21，直线导轨21上安装有轨道滑块，滑板14与直线滑台20和轨道滑块固定连接，伺服电机19带动直线滑台20移动，从而带动滑板14移动。

在本实用新型中，所述轴身10与薄壁铝合金管1的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管1的温度，t₀为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l薄壁铝合金管1的内径。所述轴身10的长度不小于搅拌头3直径的3.5倍，搅拌头3上安装有搅拌针2，搅拌针2长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管1壁厚。

其中，搅拌头3上的搅拌针2是刚性固定连接的，搅拌头3的旋转动作、X轴、Y轴、Z轴调整功能均可采用市面上的搅拌摩擦焊机实现，其中，X轴为铝合金棒5的轴线，远离薄壁铝合金管1为正向，Z轴为搅拌针2的轴线，远离铝合金棒5为正向，X轴、Y轴、Z轴符合笛卡尔坐标系。所述X轴为搅拌头3纵向运动，实现焊缝的快速定位，采用“伺服电机+滚珠丝杠+直线滚珠导轨”传动。所述Y轴为搅拌头3横向运动，实现搅拌头3、横向位置的调整和装卸搅拌头3，采用“手动梯形丝杠+直线滚珠导轨”传动。所述Z轴为主轴头垂直运动，实现搅拌头3的插入，采用“伺服电机19+蜗杆减速器+滚珠丝杠"传动。所述焊接夹具旋转轴，实现铝合金棒5和铝合金管11的转动，采用“伺服电机19+摆线针轮减速器"驱动。所述搅拌头3的旋转轴，可由电机直接驱动。滚轮架组7，可以在Y向调节滚轮之间的距离，以适应不同直径的管件。

关于前进侧和后退侧的定义：焊接时，工件和搅拌头3均是旋转的，由于旋转物体上任何一点的运动方向均为所处圆周的切向。如图5所示，因此当圆管工件表面上焊接区域处金属的圆周切向，与搅拌头3圆周上的切向相同时(对应于切向15)，以工件上的焊缝中心线12为界，该侧为后退侧；当圆管工件表面上焊接区域处金属的圆周切向，与搅拌头3圆周上的切向相反时(对应于切向16)，以工件上的焊缝中心线12为界，该侧为前进侧。确定搅拌头3与卡盘6的旋转方向：应使焊缝前进侧相对于后退侧轴向位置顺序，与铝合金棒5相对于铝合金管1的轴向位置顺序是一样的，如图6所示。假设从左视图的角度观察卡盘6的旋转方向，同时从俯视图的角度观察搅拌头3的旋转方向，若卡盘6逆时针方向旋转，则搅拌针2须顺时针方向旋转；反之，若从左视图的角度观察卡盘6顺时针方向旋转，则从俯视图的角度观察搅拌针2须逆时针方向旋转。

一种上述的薄壁铝合金管1端封焊装置的焊接方法，包括以下步骤：

(1)根据实际需要，利用δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀确定过盈量δ和轴身的直径，选取合适的轴身长度，加工符合要求的铝合金棒5，根据薄壁铝合金管1壁厚选择合适的搅拌针2的长度；

(2)将薄壁铝合金管1加热至100℃，然后迅速装配薄壁铝合金管1和铝合金棒5并快速冷却后风干；

(3)将装配好的工件中铝合金棒5一端安装在三爪卡盘22上，另一端薄壁铝合金管1通过薄壁夹具13固定，调整搅拌头3使其垂直向下对准薄壁铝合金管1及铝合金棒5的中轴线，并且搅拌针2距离轴身边缘的距离要大于等于D，其中D为搅拌头3的直径，搅拌头3位于轴身端部的正上方；

(4)先启动搅拌头3，并使其缓缓的压入被焊区域进行预热，预热结束后同时启动第一电机9和第二电机26，使工件旋转一周后第一电机9和第二电机26停止工作，搅拌针2继续保持高速转动并且沿铝合金棒5轴线向铝合金棒5一侧水平焊接一段距离，直到铝合金管1与铝合金棒5对接处停止移动，准备开始对接环焊缝的焊接；

(5)再次启动第一电机9和第二电机26且旋转方向与之前一致，当第一旋转筒8和第二旋转筒旋转一周后对接环焊缝的焊接完成，此时停止第一电机9和第二电机26，搅拌头3继续保持高速转动并且向铝合金棒5一侧水平移动一小段距离后，缓缓提升搅拌头3，直到搅拌针2完全脱离焊缝后再停止搅拌头3的旋转，该侧管端焊接结束；

(6)按照步骤(1)和(2)，加工相同的轴身，装配好薄壁铝合金管1和铝合金棒5；

(7)再一次将装配好的薄壁铝合金管1和铝合金棒5重复步骤(3)至(5)，即可完成薄壁铝合金管1两端的封焊。

在本实用新型中，所述步骤(4)或步骤(5)中搅拌头3和铝合金棒5沿着X轴正向观察第一旋转筒8的旋转方向，同时沿Z轴负向观察搅拌头3的旋转方向，若第一旋转筒8逆时针方向旋转，则搅拌针2须顺时针方向旋转或若第一旋转筒8顺时针方向旋转，则搅拌针2须逆时针方向旋转，其中，X轴为铝合金棒5的轴线，远离薄壁铝合金管1为正向，Z轴为搅拌针2的轴线，远离铝合金棒5为正向。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (5)

1.一种铝合金管端封焊装置，其特征在于：包括用于固定铝合金棒的三爪卡盘和固定薄壁铝合金管的薄壁夹具，所述三爪卡盘位于第一旋转筒内，第一旋转筒一部分位于安装在工作台上的第一支撑筒内，第一旋转筒与第一支撑筒之间安装有第一轴承，在第一旋转筒位于第一支撑筒内的一端延伸有第一凸台，在第一支撑筒的顶端安装有限制第一轴承运动的第一限位板，在第一旋转筒的外壁上安装有第一齿条，在工作台上安装有第一电机，第一电机与第一齿轮轴连接，第一齿轮轴与第一齿条啮合；所述薄壁夹具位于第二旋转筒内，第二旋转筒一部分位于安装在滑板上的第二支撑筒内，第二旋转筒与第二支撑筒之间安装有第二轴承，在第二旋转筒位于第二支撑筒内的一端延伸有第二凸台，在第二支撑筒的顶端安装有限制第二轴承运动的第二限位板，在第二旋转筒的外壁上安装有第二齿条，在滑板上安装有第二电机，第二电机与第二齿轮轴连接，第二齿轮轴与第二齿条啮合；所述滑板通过移动装置沿工作台运动，在铝合金棒下方靠近薄壁铝合金管设有支撑铝合金棒的滚轮架组；在铝合金棒与薄壁铝合金管配合处的上方安装有搅拌头，铝合金棒一端为直径小于铝合金棒的轴身，轴身与铝合金棒形成轴肩，轴身插入到薄壁铝合金管中，轴身与薄壁铝合金管为过盈配合，在薄壁铝合金管上方安装有搅拌头，通过搅拌摩擦焊，在薄壁铝合金管上形成H型焊缝，从而实现薄壁铝合金管端的封焊。

2.根据权利要求1所述的铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述移动装置包含伺服电机和直线滑台，伺服电机与滑动轴连接，滑动轴与直线滑台螺纹连接，直线滑台的两侧设有直线导轨，直线导轨上安装有轨道滑块，滑板与直线滑台和轨道滑块固定连接，伺服电机带动直线滑台移动，从而带动滑板移动。

3.根据权利要求2所述的铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述轴身与薄壁铝合金管的过盈量为δ，δ＝(t-t₀)×α×l-δ₀，其中，δ₀＝(1～2)*δ，t为装配时薄壁铝合金管的温度，t₀为加热前的环境温度，α为加热时工件的径向膨胀系数，l薄壁铝合金管的内径。

4.根据权利要求3所述的铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述轴身的长度不小于搅拌头直径的3.5倍，搅拌头上安装有搅拌针，搅拌针长度不小于1.5倍的薄壁铝合金管壁厚。

5.根据权利要求4所述的铝合金管端封焊装置，其特征在于：所述H型焊缝包括第一道环焊缝和第二道环焊缝，第一道环焊缝完成了铝合金管与轴肩的搭接焊，第二道环焊缝完成铝合金管与铝合金棒的对接焊。