CN210848779U - 搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，包括：底部支撑，其支撑在机床上；电磁活动框，其活动套设在所述底部支撑外侧；工作台，其中，所述电磁体能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，带动所述电磁活动框沿相对于所述底部支撑上下滑动，托起所述工作台；搅拌头，其设置在所述工作台顶部，并能够沿待焊接件的焊缝滑动，本实用新型通过电磁体产生磁性能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，托起工作台，不会产生机械摩擦、无接触磨损和无需润滑，彻底消除了机械传动过程中的爬行问题。

Description

搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台

技术领域

本实用新型涉及搅拌摩擦焊接领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台和一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台的控制方法。

背景技术

搅拌摩擦焊接作为一种固相连接工艺，这种连接工艺大量应用于铝合金、镁合金等金属的连接。摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。摩擦焊方法在制造业中已有应用40余年，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用，但焊接的对象主要是回转形零件，虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现，以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率，但是在焊接过程中，摩擦产生的热量不好掌控、且由于飞边、材料热变形等因素导致焊接过程中，焊缝质量不均匀。

实用新型内容

本实用新型设计开发了一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，通过电磁体产生磁性能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，托起工作台，不会产生机械摩擦、无接触磨损和无需润滑，彻底消除了机械传动过程中的爬行问题。

本实用新型提供的技术方案为：

一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，包括：

底部支撑，其支撑在机床上；

电磁活动框，其可活动地套设在所述底部支撑外侧；

工作台，其设置在所述电磁活动框顶部，用于安装待焊接件；

电磁体，其连接所述电磁活动框；

其中，所述电磁体能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，带动所述电磁活动框沿相对于所述底部支撑上下滑动，托起所述工作台；

搅拌头，其可旋转设置在所述工作台顶部，并能够沿待焊接件的焊缝滑动。

优选的是，所述底部支撑包括：

支撑台，其截面为方形，且底部具有凸台；

支撑柱，其一端连接所述支撑台底部，另一端支撑在机床上。

优选的是，所述电磁活动框为“n”型。

优选的是，所述工作台表面具有凸楞，且所述工作台边缘具有定位螺孔，能够固定待焊接件。

优选的是，所述搅拌头包括：

搅拌头主体；

轴肩，其一体连接所述搅拌头主体，位于所述搅拌头主体底部；

搅拌针，其一体连接所述轴肩，位于所述轴肩底部。

优选的是，所述搅拌针设有由外向内延伸的引流槽。

优选的是，所述引流槽的宽度由外至内逐渐变大。

优选的是，所述底部支撑由铁、钴、镍中的一种或几种材料制成。

一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台控制方法，包括：

步骤一、将待焊接工件固定在工作台上，设定电磁铁的通电电流，使工作台处于悬浮状态；

所述通电电流的计算公式为：

其中，I为通电电流，x(t)为磁体与底部支撑之间的间隙，l为电磁铁内芯体长度，μ_r为电磁铁内的芯体相对磁导率，m_k为电磁活动框质量，m_j为待焊接件质量，μ₀为空气磁导率；N为电磁铁线圈匝数，A为混合电磁体磁极面积。

步骤二、设定搅拌头转速，并对待焊接工件进行焊接：

其中，ω为摩擦焊接轴肩的搅拌针转速，P为焊接件达到热塑性状态所需热量，R₁为轴肩主体筒外径，R₂搅拌微元为搅拌微元半径，F为摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力。

优选的是，所述步骤二还包括热量控制过程：

通过设置在所述工作台和所述带焊接件之间的内嵌热电偶和压力传感器检测摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面摩擦的温度和摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力，计算焊接质量评价函数：

其中，y为焊接质量评价函数，c₁为压力参与常数，c₂为温度参与常数， F₀为常规压力，T₀为平均温度，T(t)为热电偶检测到的峰值温度，F(t)为压力传感器检测到的峰值压力；

当

时，调整通电电流大小，改变摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力，进而实现对焊接温度的控制；

所述调整电流计算公式为：

其中，I_t为调整电流，F_r为摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力，

为平均评价系数，T_q为期望温度，H_c为永磁体的矫顽力。

本实用新型所述的有益效果

1、本实用新型通过电磁体产生磁性能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，托起工作台，不会产生机械摩擦、无接触磨损和无需润滑，彻底消除了机械传动过程中的爬行问题。

2、本实用新型通过制动电磁铁改变极性能够使永磁导轨对制动电磁铁产生推力，使带焊接件在磁力作用下相对于搅拌头运动，运动速度恒定，结构简单，降低了故障率，提高了焊缝质量。

3、本实用新型的工作台表面具有凸楞，能够增强散热效果。

4、本实用新型给出了搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台控制方法，改变电磁铁上的电流对焊接过程中的轴向力和温度值进行控制，从而获得高质量的焊缝。

附图说明

图1为本实用新型所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台的结构示意图。

图2为本实用新型所述的底部支撑的结构示意图。

图3为本实用新型所述的电磁活动框的结构示意图。

图4实用新型所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台的另一实施例结构示意图。

图5为本实用新型所述的工作台的结构示意图。

图6为本实用新型所述的搅拌头的结构示意图。

图7实用新型所述的摩擦焊接轴肩的另一实施例结构示意图。

图8为本实用新型所述的电磁永磁混合悬浮系统等效磁路。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本新型提供的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，包括：底部支撑110、电磁活动框120、工作台130、电磁体140和搅拌头 150。底部支撑110支撑在机床上；电磁活动框120活动套设在底部支撑110 外侧；工作台130设置在电磁活动框120顶部，用于安装待焊接件；电磁体 140其连接电磁活动框120。其中，电磁体140产生磁性能够吸引底部支撑 110，产生悬浮力，带动电磁活动框120沿底部支撑110的边缘滑动，托起工作台130；搅拌头150能够沿待焊接件的焊缝方向滑动，使用时将待焊接件 200固定在工作台130上，通过调整电磁体140的磁力大小调节工作台130 的悬浮高度，使搅拌头150与焊缝贴合，并沿焊缝滑动，通过摩擦产生的热量溶解焊接件，使焊接面呈现热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接。

如图2所示，底部支撑110包括：支撑台111和支撑柱112，支撑台111 截面为方形，且底部具有凸台111a；支撑柱112其一端连接支撑台111底部，另一端支撑在机床上。

如图3所示，电磁活动框120为“n”型，两个电磁体140分别连接电磁活动框的开口端，形成容纳底部支撑110的框架结构，电磁铁140与底部支撑 110的凸台111a相对设置。

如图4所示，在另一实施例中，本实用新型提供的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，包括：底部支撑310、电磁活动框320、工作台 330、电磁体340和搅拌头150。

底部支撑310连接工作台310。电磁活动框320套设在底部支撑310上，电磁活动框320支撑在机床上，电磁活动框两端具有两个电磁铁340，电磁体340产生磁性能够吸引底部支撑310，产生悬浮力，将工作台310支撑在电磁活动框320内，托起工作台130。

如图5所示，工作台130表面具有凸楞，能够增强散热效果，且工作台 130边缘具有定位螺孔，能够将待焊接件200固定在工作台130上。

作为一种优选，底部支撑110由铁、钴、镍中的一种或几种材料制成。

如图6所示，搅拌头150包括：搅拌头主体151、轴肩152和搅拌针153；轴肩152一体连接搅拌头主体151，位于所述搅拌头主体底部；搅拌针151 一体连接轴肩152，位于轴肩152底部。优选的是，搅拌针153表面设有由外向内延伸段的引流槽，引流槽的宽度由外自内逐渐扩大。

如图7所示，在另一实施例中，一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，包括：搅拌头150设置在工作台130顶部；制动永磁导轨410其设置在底部支撑110两侧；制动电磁铁420设置在电磁活动框120内，制动电磁铁420改变极性能够使制动永磁导轨410对所述制动电磁铁产生推力。使用时，电磁体140产生磁性能够吸引底部支撑110，产生悬浮力，带动电磁活动框120沿底部支撑110的边缘滑动，托起工作台130；搅拌头150工作台130并能够沿待焊接件的焊缝方向滑动，使用时将待焊接件200固定在工作台130上，通过调整电磁体140的磁力大小调节工作台130的悬浮高度，使搅拌头150与焊缝贴合，制动电磁铁420改变极性能够使制动永磁导轨410 对所述制动电磁铁产生推力，通过摩擦产生的热量溶解焊接件，使焊接面呈现热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接。

实施以搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台的工作过程为例，作进一步说明：

首先，将待焊接件200固定在工作台130上，电磁铁140通电，托起工作台130，使电磁铁140和底部支撑110具有大于10mm的间隙，使工作台相对于悬浮静止状态，调整电磁体140的磁力大小调节工作台130的悬浮高度，使搅拌头150与焊缝贴合，通过滑动搅拌头150或者制动电磁铁420改变极性能够使制动永磁导轨410对所述制动电磁铁产生推力，通过摩擦产生的热量溶解焊接件，使焊接面呈现热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接。

一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台控制方法，包括：

如图8所示，步骤一、将待焊接工件固定在工作台上，设定电磁铁的通电电流，使工作台处于悬浮状态，其中，电磁铁体由芯体和线圈构成，芯体为永磁体，根据电磁永磁混合悬浮系统等效磁路图，计算电磁铁和底部支撑之间的作用力：

首先计算磁路磁通量：

磁密度：

在t时刻的吸力：

推导得到通电电流的计算公式为：

其中，I为通电电流，x(t)为磁体与底部支撑之间的间隙，l为电磁铁内芯体长度，μ_r为电磁铁内的芯体相对磁导率，m_k为电磁活动框质量，m_j为待焊接件质量，μ₀为空气磁导率；N为电磁铁线圈匝数，A为混合电磁体磁极面积，H_c为永磁体的矫顽力。

步骤二、设定搅拌头转速，并对待焊接工件进行焊接：

首先计算微元体上产生的力矩：

微元体上产生的热量：

搅拌摩擦焊接产生的热量：

推导得到拌摩擦焊接轴肩转速：

其中，ω为摩擦焊接轴肩的搅拌针转速，P为焊接件达到热塑性状态所需热量，R₁为轴肩主体筒外径，R₂搅拌微元为搅拌微元半径，F为摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力。

热量控制过程：

通过设置在所述工作台和所述带焊接件之间的内嵌热电偶211和多个压力传感器212检测摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面摩擦的温度T(t)和摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力F(t)，计算焊接质量评价函数：

其中，y为焊接质量评价函数，c₁为压力常数，其数值为0.76，c₂为温度常数，为数值为F₀为平均压力，T₀为平均温度；

当

时，调整通电电流大小，改变摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力，进而实现对焊接温度的控制；

所述调整电流计算公式为：

其中，I_t为调整电流，F_r为摩擦焊接轴肩作用在待焊接工件表面的压力，

为平均评价系数，其数值为0.58，T_q为期望温度，H_c为永磁体的矫顽力。

本实用新型给出了搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台控制方法，改变电磁铁上的电流对焊接过程中的轴向力和温度值进行控制，从而获得高质量的焊缝。本实用新型通过电磁体产生磁性能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，托起工作台，不会产生机械摩擦、无接触磨损和无需润滑，彻底消除了机械传动过程中的爬行问题。本实用新型通过制动电磁铁改变极性能够使永磁导轨对制动电磁铁产生推力，使带焊接件在磁力作用下相对于搅拌头运动，运动速度恒定，结构简单，降低了故障率，提高了焊缝质量。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，包括：

底部支撑，其支撑在机床上；

电磁活动框，其可活动地套设在所述底部支撑外侧；

工作台，其设置在所述电磁活动框顶部，用于安装待焊接件；

电磁体，其连接所述电磁活动框；

其中，所述电磁体能够吸引所述底部支撑，产生悬浮力，带动所述电磁活动框沿相对于所述底部支撑上下滑动，托起所述工作台；

搅拌头，其可旋转设置在所述工作台顶部，并能够沿待焊接件的焊缝滑动。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述底部支撑包括：

支撑台，其截面为方形，且底部具有凸台；

支撑柱，其一端连接所述支撑台底部，另一端支撑在机床上。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述电磁活动框为“n”型。

4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述工作台表面具有凸楞，且所述工作台边缘具有定位螺孔，能够固定待焊接件。

5.根据权利要求4所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述搅拌头包括：

搅拌头主体；

轴肩，其一体连接所述搅拌头主体，位于所述搅拌头主体底部；

搅拌针，其一体连接所述轴肩，位于所述轴肩底部。

6.根据权利要求5所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述搅拌针设有由外向内延伸的引流槽。

7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述引流槽的宽度由外至内逐渐变大。

8.根据权利要求1或5所述的搅拌摩擦焊接用力温双控式磁悬浮工作台，其特征在于，所述底部支撑由铁、钴、镍中的一种或几种材料制成。

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