CN212264867U - 一种自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，解决了中空型材组配的待焊箱型结构需要双面搅拌摩擦焊接的问题，其设有搅拌针，搅拌针的上段与上部轴肩、第一中部轴肩和上推力轴承配合，搅拌针的中段通过第一细牙螺纹与上限位螺母和下限位螺母配合，搅拌针的下段与下推力轴承、第二中部轴肩和下部轴肩配合，所述下部轴肩的底面接触法兰螺母的上端面，法兰螺母通过搅拌针下段的第二细牙螺纹与搅拌针配合。本实用新型结构简单可靠，安装拆卸方便，轴肩距可调，能适应不同中空型材的焊接，具备良好的工艺性与通用性，焊接过程中上部轴肩和下部轴肩旋转而第一中部轴肩和第二中部轴肩不旋转，显著降低了焊接热输入，提高了焊缝力学性能。

Description

一种自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头

技术领域

本实用新型涉及焊接技术领域，具体地说是一种自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种新型固相焊接技术，能够避免在焊接过程中产生气孔、热裂纹、夹渣等缺陷，也能避免合金元素烧损，因此在铝、镁等有色金属的焊接领域具有广泛的应用前景。搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头旋转并插入到待焊工件中，以一定的压力与待焊工件保持接触，导致焊接过程中有较大的下压力施加在待焊工件上。因此，在搅拌摩擦焊时，需要在待焊工件的背部安放支撑。目前，轨道列车制造行业存在大量铝合金中空型材焊接需求。在搅拌摩擦焊接中空型材组配的待焊箱型结构时，安放背部支撑难度极大，即使能够安放支撑，工装的加工也比较困难，支撑的取放也费时费力，成本高昂。同时，当支撑刚性不足，焊缝会出现沟槽、隧道、孔洞等缺陷。针对上述问题，目前在工业生产中主要采用双轴肩搅拌摩擦焊方法对铝合金中空型材对接组配的待焊箱型结构上侧与下侧的接缝进行分别焊接来完成中空型材的连接。然而两次焊接导致生产周期长，严重影响了生产效率，限制了搅拌摩擦焊技术在中空型材焊接领域的进一步应用。

为实现同时对中空型材组配的待焊箱型结构的上、下接缝进行焊接，专利(201520196724.8)提出一种组合式双轴肩搅拌摩擦焊头，由上轴肩、第一搅拌针、承载式上下轴肩、第二搅拌针和下轴肩采用螺纹依次连接组成。这种设计存在以下几个问题：

(1)使用两个搅拌针，焊头安装复杂，并难以实现较高的同轴度，进而导致焊接过程载荷波动剧烈，搅拌针容易断裂。(2)焊头通用性较差，需要更换承载式上下轴肩才能实现对内腔高度不同的中空型材的焊接。(3)焊接过程中上轴肩、承载式上下轴肩和下轴肩同时转动，需要电机功率大，焊接扭矩大，搅拌针容易断裂，使用寿命短；并且焊接热输入高，导致焊缝金属晶粒粗化、沉淀相溶解，接头力学性能降低。(4)搅拌针通过端部的螺纹拧进轴肩的螺纹孔内实现固定，这种固定方式导致搅拌针折断后，折断的部分卡在螺纹孔内无法取出，造成轴肩报废，使用成本高。

发明内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种适用于中空型材焊接的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头；且本实用新型可根据中空型材的不同方便的调节上部轴肩与第一中部轴肩、以及第二中部轴肩和下部轴肩的间距，具备良好的工艺性与通用性；焊接过程中第一中部轴肩以及第二中部轴肩不旋转，热输入与焊接扭矩较低，特别适用于高铁铝合金车体中空型材长直对接接缝的焊接。

为此，本实用新型提供了一种自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，设有上部轴肩、上位键、搅拌针、中部轴肩、推力轴承、限位螺母、下部轴肩、下位键和法兰螺母，搅拌针为台阶轴，分为上段、中段和下段，搅拌针的上段直径和下段直径相同，搅拌针的中段直径大于搅拌针的上段直径和下段直径，中部轴肩分为第一中部轴肩和第二中部轴肩，推力轴承分为上推力轴承和下推力轴承，限位螺母分为上限位螺母和下限位螺母，搅拌针的上段依次与上部轴肩、第一中部轴肩和上推力轴承配合，搅拌针的中段攻有第一细牙螺纹，分别与上限位螺母和下限位螺母配合，搅拌针的下段依次与下推力轴承、第二中部轴肩和下部轴肩配合，下部轴肩的底面接触法兰螺母的上端面，法兰螺母通过搅拌针下段的第二细牙螺纹与搅拌针配合，搅拌针的上段和下段分别设有上键槽和下键槽，上部轴肩的顶端设有上位键槽，下部轴肩的底端设有下位键槽，上键槽和上位键槽中设有上位键，下键槽和下位键槽中设有下位键。

优选地，第一中部轴肩的下端沿轴线设有第一沉孔,上推力轴承设有上推力轴承松环和上推力轴承紧环，上推力轴承紧环的内径小于上推力轴承松环的内径，上推力轴承松环的外径与第一沉孔过渡配合，上推力轴承紧环的内径与搅拌针上段过渡配合。

优选地，上推力轴承的紧环下端面与上限位螺母的上端面接触，用于限制上推力轴承相对搅拌针向下的位移。

优选地，第二中部轴肩的上端沿轴线设有第二沉孔，下推力轴承设有下推力轴承紧环和下推力轴承松环，下推力轴承紧环的内径小于下推力轴承松环的内径，下推力轴承松环的外径与第二沉孔过渡配合，下推力轴承紧环的内径与搅拌针下段过渡配合。

优选地，下推力轴承的紧环上端面与下限位螺母的下端面接触，用于限制下推力轴承相对搅拌针向上的位移。

优选地，上部轴肩沿轴线设有第一通孔，第一中部轴肩和第二中部轴肩沿轴线分别设有第二通孔和第三通孔，下部轴肩沿轴线设置有第四通孔，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔直径相同，搅拌针的上段与第一通孔、第二通孔间隙配合，搅拌针的下段与第三通孔和第四通孔间隙配合。

优选地，上部轴肩上一体成型设有夹持柄，上部轴肩的下端面和下部轴肩的上端面均设有螺旋形凹槽。

优选地，第一中部轴肩的上端面和第二中部轴肩的下端面均为凸面。

本实用新型与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本实用新型突破了以往搅拌头的设计思路，实现了一次装夹，无需对工件进行翻转，即能同时完成中空型材组配的待焊箱型结构上壁和下壁对接缝的搅拌摩擦焊接，可大大简化焊接工序，降低生产成本，提高生产效率。

(2)本实用新型的搅拌针的中段设有第一细牙螺纹，通过第一细牙螺纹连接上限位螺母和下限位螺母，焊接过程中，手动拧动上限位螺母或下限位螺母，可以调节上部轴肩与第一中部轴肩的间距或者第二中部轴肩和下部轴肩的间距，以适应不同种类的中空型材，具备良好的工艺性与通用性。上部轴肩、搅拌针、中部轴肩、下部轴肩配合紧密、同轴度高、稳定性好，焊头安装、拆卸快捷方便，搅拌针或轴肩损坏时可单独进行更换，使用成本低。

(3)本实用新型中的搅拌针的下端的第二细牙螺纹连接法兰螺母，法兰螺母的上端面与下部轴肩的下端面接触，从下方顶住下部轴肩，通过旋转法兰螺母使下部轴肩相对搅拌针向上运动，可以调整下部轴肩与上部轴肩的间距，以适应不同高度的中空型材的焊接。

(4)本实用新型的搅拌针的上段和下段分别设有上键槽和下键槽，上部轴肩和下部轴肩分别设有上位键槽和下位键槽，通过上键槽、上位键槽、上位键的配合和下键槽、下位键槽、下位键的配合，在焊接过程中，在上部轴肩转动的同时，带动搅拌针和下部轴肩一并旋转，而第一中部轴肩和第二中部轴肩不旋转，有效降低了焊接热输入，提高了焊缝力学性能，降低了焊接扭矩，延长了搅拌针的使用寿命。

附图说明

图1为本实用新型的搅拌摩擦焊头的结构示意图；

图2为本实用新型的搅拌摩擦焊头的分解结构示意图；

图3为本实用新型下推力轴承的剖视图；

图4为本实用新型的搅拌摩擦焊头的实施方式示意图。

附图标记：1.上部轴肩；1-1.第一通孔；1-2.上位键槽；1-3.上部轴肩下端面；1-4.夹持柄；2.上位键；3.搅拌针；3-1上键槽；3-2.下键槽；3-3.第一细牙螺纹；3-4.第二细牙螺纹；4.第一中部轴肩；4-1.第二通孔；4-2.第一沉孔；5.上推力轴承；5-1.上推力轴承紧环；5-2.上推力轴承松环；6.上限位螺母；7.下限位螺母；8.下推力轴承；8-1.下推力轴承松环；8-2.下推力轴承紧环；9.第二中部轴肩；9-1.第三通孔；9-2.第二沉孔；10.下部轴肩；10-1.第四通孔；10-2.下位键槽；10-3.下部轴肩上端面；11.下位键；12.法兰螺母；13.下对接缝；14.上对接缝；

R1.下推力轴承紧环的内径；R2.下推力轴承松环的内径；W.待焊箱型结构内腔宽度；H.待焊箱型结构高度。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本实用新型。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本实用新型，而不应当也不会限制权利要求书中所描述的本实用新型。下面结合附图来说明本实用新型的具体实施方式。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具备特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供了一种适用于中空型材焊接的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，包括上部轴肩1、上位键2、搅拌针3、中部轴肩、推力轴承、限位螺母、下部轴肩10、下位键11和法兰螺母12。搅拌针3为一支台阶轴，搅拌针3分为上段、中段和下段，搅拌针3的上段和下段直径相同，中部轴肩分为结构相同的第一中部轴肩4和第二中部轴肩9，推力轴承分为结构相同的上推力轴承5和下推力轴承8，限位螺母分为结构相同的上限位螺母6和下限位螺母7。

如图2所示，搅拌针3的上段依次与上部轴肩1、第一中部轴肩4和上推力轴承5配合，搅拌针3的中段攻有第一细牙螺纹3-3，搅拌针3的中段直径大于搅拌针3的上段和下段的直径，这样设计才能使得搅拌针的中段能够分别与上限位螺母6和下限位螺母7配合；搅拌针3的下段依次与下推力轴承8、第二中部轴肩9和下部轴肩10配合，下部轴肩10的底面接触法兰螺母12的上端面，法兰螺母12通过搅拌针3的下段的第二细牙螺纹3-4与搅拌针3配合，从下方顶住下部轴肩10。通过旋转法兰螺母12使其相对搅拌针3向上运动，可以在一定程度内调整下部轴肩10与上部轴肩1的间距，从而适应不同高度中空型材的焊接，提高搅拌摩擦焊头的通用性。

进一步地，上部轴肩1沿轴线设有第一通孔1-1，第一中部轴肩4和第二中部轴肩9沿轴线分别设有第二通孔4-1和第三通孔9-1，下部轴肩10沿轴线设有第四通孔10-1。第一通孔1-1、第二通孔4-1、第三通孔9-1和第四通孔10-1直径相同，搅拌针3的上段与第一通孔1-1、第二通孔4-1间隙配合，搅拌针3的下段与第三通孔9-1和第四通孔10-1间隙配合。

第一中部轴肩4通过上推力轴承5和上限位螺母6连接，具体地，第一中部轴肩4的下端沿轴线设有第一沉孔4-2,上推力轴承5设有上推力轴承松环5-2和上推力轴承紧环5-1，上推力轴承紧环5-1的内径小于上推力轴承松环5-2的内径，上推力轴承松环5-2的外径与第一沉孔4-2过渡配合，上推力轴承紧环5-1的内径与搅拌针3上段过渡配合。为了限制上推力轴承5相对搅拌针3向下的位移，上推力轴承紧环5-1的底端与上限位螺母6的顶端接触。通过拧动上限位螺母6，可以改变上推力轴承5与搅拌针3的相对位置，进而改变第一中部轴肩4与搅拌针3的相对位置，实现第一中部轴肩4与上部轴肩1的间距的调节，方便焊接过程中针对待焊箱型结构的上壁厚度进行间距调整。为了焊接过程中可在一定范围内适应待焊箱型结构上壁厚度的波动，第一中部轴肩4的上端面为凸面。

第二中部轴肩9通过下推力轴承8和下限位螺母7连接，具体地，第二中部轴肩9的上端沿轴线设有第二沉孔9-2，如图3所示，下推力轴承8设有下推力轴承紧环8-2和下推力轴承松环8-1，下推力轴承紧环8-2的内径R1小于下推力轴承松环8-1的内径R2，下推力轴承松环8-1的外径与第二沉孔9-2过渡配合，下推力轴承紧环8-2的内径与搅拌针3下段过渡配合。为了限制下推力轴承8相对搅拌针3向上的位移，下推力轴承紧环8-2顶端与下限位螺母7的底端接触。通过拧动下限位螺母7，可以改变下推力轴承8与搅拌针3的相对位置，进而改变第二中部轴肩9与搅拌针3的相对位置，实现第二中部轴肩9与下部轴肩10的距离的调节，方便焊接过程中针对待焊箱型结构的下壁厚度进行间距调整。为了焊接过程中可在一定范围内适应待焊箱型结构下壁厚度的波动，第二中部轴肩4的下端面为凸面。

如图1所示，搅拌针3的上段设有上键槽3-1，对应的，上部轴肩1的上端设有上位键槽1-2，其中，上位键槽1-2延伸到上部轴肩1的顶面。搅拌针3的上端由下至上依次穿过上推力轴承5和第一中部轴肩4的第二通孔4-1后从上部轴肩1的第一通孔1-1的顶端穿出，使上键槽3-1暴露在上部轴肩1的上方；在上键槽3-1中安装上位键2，向上抽动上部轴肩1，使上位键2的上端面接触搅拌针3的上键槽3-1的顶面，上位键2的下端面接触上部轴肩1的上位键槽1-2的底面。上键槽3-1、上位键2和上位键槽1-2配合，可以限制搅拌针3相对上部轴肩1的旋转，同时也限制搅拌针3相对上部轴肩1向上的位移。

进一步地，与待焊箱型结构接触的上部轴肩下端面1-3设有螺旋形凹槽，用于焊接过程中使热塑性金属由轴肩边缘向搅拌针周围汇聚。

同样的，搅拌针3的下段设有下键槽3-2，对应的，下部轴肩10的下端设有下位键槽10-2，其中，下位键槽10-2延伸到下部轴肩的10底面。搅拌针3的下端由上至下依次穿过下推力轴承8和第二中部轴肩9的第三通孔9-1后，从下部轴肩10的第四通孔10-1的下端穿出，使下键槽3-2暴露在下部轴肩10的下方，在下键槽3-2中安装下位键11；向下抽动下部轴肩10，使下位键11进入下位键槽10-2内，直到下部轴肩10不能相对搅拌针3向下运动。下键槽3-2、下位键11和下位键槽10-2配合，可以限制下部轴肩10相对搅拌针3的旋转，同时也限制下部轴肩10相对搅拌针3向下的位移。

进一步地，与待焊箱型结构接触的下部轴肩上端面10-3设有螺旋形凹槽，用于焊接过程中使热塑性金属由轴肩边缘向搅拌针3周围汇聚。

上部轴肩1上段还一体成型有夹持柄1-4，用于与搅拌摩擦焊机主轴连接，通过上键槽3-1、上位键2和上位键槽1-2配合，下键槽3-2、下位键11和下位键槽10-2配合，在上部轴肩1转动的同时，带动搅拌针3和下部轴肩10一并旋转，而第一中部轴肩和第二中部轴肩均不旋转，这样有效降低了焊接热输入，提高了焊缝力学性能，降低了焊接扭矩，搅拌针3不容易断裂，延长了搅拌针3的使用寿命。

该实施例还公开了一种适用于中空型材焊接的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头的焊接方法，如图4所示，具体包括以下步骤：

(1)中空型材组配：利用装卡工具将被焊中空型材固定在工作台上，使被焊中空型材对接且处于同一水平面上，组配成待焊箱型结构。

(2)调整搅拌摩擦焊头：根据待焊箱型结构内腔宽度W选择第一中部轴肩4和第二中部轴肩9，保证第一中部轴肩4和第二中部轴肩9的直径均小于待焊箱型结构内腔宽度W。根据待焊箱型结构高度H调整法兰螺母12，使得上部轴肩下端面1-3和下部轴肩上端面10-3的间距等于待焊箱型结构高度H，调节上限位螺母6、下限位螺母7在搅拌针3中段上的相对位置，使得第一中部轴肩4与上部轴肩1的间隙等于待焊箱型结构上壁厚度，第二中部轴肩9与下部轴肩10的间隙等于待焊箱型结构下壁厚度。

(3)搅拌摩擦焊焊接：调整搅拌摩擦焊头与待焊箱型结构的相对位置，保证上对接缝14和下对接缝13均与搅拌针3对中，并使得第一中部轴肩4的上端面顶住待焊箱型结构内腔的上表面，第二中部轴肩9的下端面顶住待焊箱型结构内腔的下表面，选取合适的参数，将搅拌摩擦焊头平移以切入对接缝进行焊接。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征是，设有上部轴肩、上位键、搅拌针、中部轴肩、推力轴承、限位螺母、下部轴肩、下位键和法兰螺母，所述搅拌针为台阶轴，分为上段、中段和下段，所述搅拌针的上段直径和下段直径相同，所述搅拌针的中段直径大于所述搅拌针的上段直径和下段直径，所述中部轴肩分为第一中部轴肩和第二中部轴肩，所述推力轴承分为上推力轴承和下推力轴承，所述限位螺母分为上限位螺母和下限位螺母，所述搅拌针的上段依次与所述上部轴肩、所述第一中部轴肩和所述上推力轴承配合，所述搅拌针的中段攻有第一细牙螺纹，分别与所述上限位螺母和所述下限位螺母配合，所述搅拌针的下段依次与所述下推力轴承、所述第二中部轴肩和所述下部轴肩配合，所述下部轴肩的底面接触所述法兰螺母的上端面，所述法兰螺母通过所述搅拌针下段的第二细牙螺纹与搅拌针配合，所述搅拌针的上段和下段分别设有上键槽和下键槽，所述上部轴肩的顶端设有上位键槽，所述下部轴肩的底端设有下位键槽，所述上键槽和所述上位键槽中设有上位键，所述下键槽和所述下位键槽中设有下位键。

2.根据权利要求1所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述第一中部轴肩的下端沿轴线设有第一沉孔,所述上推力轴承设有上推力轴承松环和上推力轴承紧环，所述上推力轴承紧环的内径小于所述上推力轴承松环的内径，所述上推力轴承松环的外径与所述第一沉孔过渡配合，所述上推力轴承紧环的内径与所述搅拌针上段过渡配合。

3.根据权利要求2所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述上推力轴承的紧环下端面与上限位螺母的上端面接触，用于限制上推力轴承相对搅拌针向下的位移。

4.根据权利要求1所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述第二中部轴肩的上端沿轴线设有第二沉孔，所述下推力轴承设有下推力轴承紧环和下推力轴承松环，所述下推力轴承紧环的内径小于所述下推力轴承松环的内径，所述下推力轴承松环的外径与所述第二沉孔过渡配合，所述下推力轴承紧环的内径与所述搅拌针下段过渡配合。

5.根据权利要求4所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述下推力轴承的紧环上端面与下限位螺母的下端面接触，用于限制下推力轴承相对搅拌针向上的位移。

6.根据权利要求1所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述上部轴肩沿轴线设有第一通孔，所述第一中部轴肩和所述第二中部轴肩沿轴线分别设有第二通孔和第三通孔，所述下部轴肩沿轴线设置有第四通孔，所述第一通孔、所述第二通孔、所述第三通孔和所述第四通孔直径相同，所述搅拌针的上段与所述第一通孔、所述第二通孔间隙配合，所述搅拌针的下段与所述第三通孔和所述第四通孔间隙配合。

7.根据权利要求6所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述上部轴肩上一体成型设有夹持柄，所述上部轴肩的下端面和所述下部轴肩的上端面均设有螺旋形凹槽。

8.根据权利要求6所述的自持式中部轴肩静止搅拌摩擦焊头，其特征在于，所述第一中部轴肩的上端面和所述第二中部轴肩的下端面均为凸面。

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