CN212443721U - 一种自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其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技术问题，其设有搅拌针，搅拌针的上段通过上位键与夹持柄配合，夹持柄与上轴肩通过上推力轴承连接，搅拌针中段攻有第一细牙螺纹连接两个限位螺母，两个限位螺母分别通过两个中部推力轴承连接两个中部轴肩，搅拌针的下段依次与下轴肩和下推力轴承配合，下推力轴承的底端接触法兰螺母，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，焊接过程中搅拌针旋转轴肩不旋转，显著降低了焊接热输入，提高了焊缝力学性能。

Description

一种自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置

技术领域

本实用新型涉及焊接装置技术领域，具体地说是一种自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置。

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依次通过螺纹连接组成。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。

实用新型内容

本实用新型就是针对现有技术的不足，提供了一种适用于中空型材焊接的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置；且本实用新型可根据中空型材的高度调节轴肩间距，具备良好的工艺性与通用性；焊接过程中各个轴肩均不旋转，热输入与焊接扭矩较低，焊接工艺稳定可靠，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适用于中空型材焊接的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其设有搅拌针，搅拌针为台阶轴，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，搅拌针的上段通过上位键与夹持柄配合，夹持柄通过上推力轴承连接上轴肩，上推力轴承设有上推力轴承紧环和上推力轴承松环，上推力轴承松环的内径大于上推力轴承紧环的内径，夹持柄的底端设有凸台，上推力轴承紧环的内径与凸台配合，上轴肩的上端沿轴线设有第一沉孔，上推力轴承松环的外径与第一沉孔配合，搅拌针的中段攻有第一细牙螺纹，与第一限位螺母和第二限位螺母配合，第一限位螺母通过第一中部推力轴承连接第一中部轴肩，第二限位螺母通过第二中部推力轴承连接第二中部轴肩，搅拌针的下段依次与下轴肩和下推力轴承配合，下推力轴承的底端接触法兰螺母，法兰螺母通过搅拌针下段的第二细牙螺纹与搅拌针配合。

优选地，上轴肩的上方连接上罩，上罩沿轴线设有上罩通孔和上罩沉孔，上罩沉孔与夹持柄下端的凸缘相配合。

优选地，上位键设于上位键槽和上键槽内，上位键槽设于夹持柄的顶端，上键槽设于搅拌针的上段。

优选地，夹持柄和上轴肩分别沿轴线设有第一通孔和第二通孔，第一中部轴肩和第二中部轴肩沿轴线分别设有第三通孔和第四通孔，下轴肩沿轴线设有第五通孔，搅拌针的上段与第一通孔、第二通孔和第三通孔间隙配合，搅拌针的下段与第四通孔和第五通孔间隙配合。

优选地，第一中部轴肩的下端沿轴线设有第二沉孔，第一中部推力轴承设有第一中部推力轴承松环和第一中部推力轴承紧环，第一中部推力轴承松环的内径大于第一中部推力轴承紧环的内径，第一中部推力轴承松环的外径与第二沉孔过渡配合，第一中部推力轴承紧环的内径与搅拌针上段过渡配合。

优选地，第二中部轴肩的上端沿轴线设有第三沉孔,第二中部推力轴承设有第二中部推力轴承紧环和第二中部推力轴承松环，第二中部推力轴承紧环的内径小于第二中部推力轴承松环的内径，第二中部推力轴承松环的外径与第三沉孔过渡配合，第二中部推力轴承紧环的内径与搅拌针下段过渡配合。

优选地，下轴肩的下端沿轴线设有第四沉孔，下推力轴承设有下推力轴承松环和下推力轴承紧环，下推力轴承松环的内径大于下推力轴承紧环的内径，下推力轴承松环的外径与第四沉孔过渡配合，下推力轴承紧环的内径与搅拌针下段过渡配合。

优选地，上轴肩的下端面、第一中部轴肩的上端面、第二中部轴肩的下端面和下轴肩的上端面均为凸面。

本实用新型的有益效果为：

(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接缝和下壁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)本实用新型中搅拌针的中段设有第一细牙螺纹，通过第一细牙螺纹连接第一限位螺母和第二限位螺母，焊接时，手动拧动第一限位螺母或第二限位螺母，可以调节上轴肩与第一中部轴肩的间距或者第二中部轴肩和下轴肩的间距，以适应不同的中空型材，搅拌针的下段的第二细牙螺纹连接法兰螺母，法兰螺母的上端面与下推力轴承接触，从下方顶住下推力轴承，通过旋转法兰螺母使下轴肩相对搅拌针向上或者向下运动，可以调整下轴肩与上轴肩的间距，以适应不同高度的中空型材的焊接，具备良好工艺性与通用性。

(3)本实用新型中，夹持柄设有上位键槽，搅拌针设有上键槽，上键槽和上位键槽内设有上位键，通过三者的配合，可以限制搅拌针相对夹持柄旋转且限制了搅拌针相对夹持柄向下的位移。本实用新型中还设有上罩，上罩沿轴线设有上罩沉孔，上罩沉孔与夹持柄下端的凸缘配合，通过凸缘和上罩沉孔的配合，可以限制上罩和上轴肩向下的位移。当夹持柄旋转时，会带动搅拌针一同旋转，但上轴肩、中部轴肩和下轴肩均不旋转，有效降低了焊接热输入，抑制了焊缝金属晶粒粗化和沉淀相溶解，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。

(4)本实用新型中上轴肩、搅拌针、中部轴肩、下轴肩配合紧密、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。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的爆炸图；

图3为图2中A处放大图；

图4为第二中部推力轴承的剖视图；

图5为本实用新型的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置的焊接方法示意图。

附图标记：

1.搅拌针；1-1.上键槽；1-2.第一细牙螺纹；1-3.第二细牙螺纹； 2.夹持柄；2-1.第一通孔；2-2.上位键槽；2-3.凸缘；2-4.凸台；3.上位键；4.上罩；4-1.上罩安装孔；4-2.上罩沉孔；4-3.上罩通孔；5.螺栓；6.上推力轴承；6-1.上推力轴承紧环；6-2.上推力轴承松环；7.上轴肩；7-1.第二通孔；7-2.第一沉孔；7-3.上轴肩螺纹孔；8.第一中部轴肩；8-1.第三通孔；8-2.第二沉孔；9.第一中部推力轴承；9-1.第一中部推力轴承松环；9-2.第一中部推力轴承紧环；10.第一限位螺母；11. 第二限位螺母；12.第二中部推力轴承；12-1.第二中部推力轴承紧环； 12-2.第二中部推力轴承松环；13.第二中部轴肩；13-1.第三沉孔；13-2.第四通孔；14.下轴肩；14-1.第五通孔；14-2.第四沉孔；15.下推力轴承；15-1.下推力轴承松环；15-2.下推力轴承紧环；16.法兰螺母；17. 下壁接缝；18.上壁接缝；

R1.第二中部推力轴承紧环的内径；R2.第二中部推力轴承松环的内径。

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。

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静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其设有搅拌针1，搅拌针1为一支台阶轴，分为上段、中段和下段，其中，搅拌针1的上段直径和下段直径相同，搅拌针1的中段直径大于搅拌针1的上段直径和下段直径。搅拌针1的上段通过上位键3与夹持柄2配合，具体地，如图1所示，搅拌针1的上段设有上键槽1-1，夹持柄2的顶端设有上位键槽2-2，上位键槽2-2 延伸到夹持柄2顶面，在上键槽1-1和上位键槽2-2中安装有上位键3，使上位键2的上端面接触搅拌针1的上键槽1-1的顶面，上位键3的下端面接触夹持柄2的上位键槽1-2的底面。通过上键槽1-1、上位键3和上位键槽2-2配合，可以限制搅拌针1相对夹持柄2的旋转和搅拌针1 相对夹持柄2向下的位移。使用时夹持柄2与搅拌摩擦焊机主轴连接，当夹持柄2旋转时，会带动搅拌针1一同旋转，对中空型材组配的待焊箱型结构的上壁接缝18和下壁接缝17进行焊接。

夹持柄2通过上推力轴承6连接上轴肩7。搅拌针1的中段攻有第一细牙螺纹1-2，与第一限位螺母10和第二限位螺母11配合，第一限位螺母10通过第一中部推力轴承9连接第一中部轴肩8，第二限位螺母11通过第二中部推力轴承12连接第二中部轴肩13。搅拌针1的下段依次与下轴肩14和下推力轴承15配合，下推力轴承15的底端接触法兰螺母16，法兰螺母16通过搅拌针1下段的第二细牙螺纹1-3与搅拌针1配合，法兰螺母16从下方顶住下推力轴承15，通过旋转法兰螺母16使其相对搅拌针1向上或向下运动，可以缩短或者增大下轴肩14与上轴肩7的间距，从而适应不同高度中空型材的焊接，提高搅拌摩擦焊装置的通用性。

进一步地，如图2所示，夹持柄2和上轴肩7分别沿轴线设有第一通孔2-1和第二通孔7-1，第一中部轴肩8和第二中部轴肩13沿轴线分别设有第三通孔8-1和第四通孔13-2，下轴肩14沿轴线设置有第五通孔 14-1。搅拌针1的上段与第一通孔2-1、第二通孔7-1和第三通孔8-1间隙配合，搅拌针1的下段与第四通孔13-2和第五通孔14-1间隙配合。具体地，搅拌针1的上端由下至上依次穿过第一中部轴肩8的第三通孔 8-1和上轴肩7的第二通孔7-1后从夹持柄2的第一通孔2-1中穿出，搅拌针1的下端由上至下穿过第二中部轴肩13的第四通孔13-2后，从下轴肩14的第五通孔14-1中穿出。

夹持柄2通过上推力轴承6连接上轴肩7，具体地，上推力轴承6设有上推力轴承紧环6-1和上推力轴承松环6-2，上推力轴承紧环6-1的内径小于上推力轴承松环6-2的内径，夹持柄2的底端设有凸台2-4，上推力轴承紧环6-1的内径与凸台2-4配合，上轴肩7的上端沿轴线设有第一沉孔7-2，上推力轴承松环6-2的外径与第一沉孔7-2配合，可见上推力轴承松环6-2的内径大于搅拌针1的上段直径，这样，在焊接过程中，搅拌针1旋转不会带动上轴肩7的转动。

上轴肩7的上方设有上罩4，上罩4的边缘均匀分布有四个上罩安装孔4-1，相对应地，上轴肩7的边缘均匀分布有四个与上罩安装孔4-1配合的上轴肩螺纹孔7-3，四个螺栓5通过上罩安装孔4-1和上轴肩螺纹孔 7-3将上罩4与上轴肩7连接。如图3所示，上罩4沿轴线设置有上罩通孔4-3和上罩沉孔4-2，夹持柄2的上端由下至上从上罩通孔4-3中穿出，夹持柄2的底部设有与上罩沉孔4-2配合的凸缘2-3，使得凸缘2-3在轴向被限制在上罩沉孔4-2内。通过凸缘2-3和上罩沉孔4-2的配合，可以限制上罩4和上轴肩7向下的位移。其中，上罩通孔4-3的内径大于夹持柄2的外径，这样，焊接过程中，夹持柄2旋转不会带动上罩4旋转，从而上轴肩7保持静止状态；上罩沉孔4-2的内径大于凸缘2-3的外径，凸缘2-3与上罩沉孔4-2不接触，以避免焊接过程中产生摩擦。

搅拌针1的上段与第一中部轴肩8通过第一中部推力轴承9连接，具体地，第一中部轴肩8的下端沿轴线设有第二沉孔8-2，第一中部推力轴承9设有第一中部推力轴承松环9-1和第一中部推力轴承紧环9-2，第一中部推力轴承松环9-1的外径与第二沉孔8-2过渡配合，第一中部推力轴承紧环9-2的内径与搅拌针1上段过渡配合，其中，第一中部推力轴承紧环9-2内径小于第一中部推力轴承松环9-1内径，这样，焊接过程中，第一中部推力轴承松环9-1不接触搅拌针1，使得搅拌针1旋转不会带动第一中部轴肩8转动。为了限制第一中部推力轴承9相对搅拌针1 向下的位移，第一中部推力轴承紧环9-2的下端面与第一限位螺母10的上端面接触。通过拧动第一限位螺母10，可以改变第一中部推力轴承9 与搅拌针1的相对位置，进而改变第一中部轴肩8与搅拌针1的相对位置，实现第一中部轴肩8与上轴肩7间距的调节，方便焊接过程中操作人员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，上轴肩7的下端面和第一中部轴肩8的上端面均为凸面。

搅拌针1的下段与第二中部轴肩13通过第二中部推力轴承12连接，具体地，第二中部轴肩13的上端沿轴线设有第三沉孔13-1,如图4所示，第二中部推力轴承12设有第二中部推力轴承紧环12-1和第二中部推力轴承松环12-2，第二中部推力轴承松环12-2的外径与第三沉孔13-1过渡配合，第二中部推力轴承紧环12-1的内径与搅拌针1的下段过渡配合，第二中部推力轴承紧环12-1的内径R1小于第二中部推力轴承松环12-2 的内径R2，这样，焊接过程中，第二中部推力轴承松环12-2不接触搅拌针1，使得搅拌针1旋转不会带动第二中部轴肩13转动。为了限制第二中部推力轴承12相对搅拌针1向上的位移，第二中部推力轴承紧环12-1 顶端与第二限位螺母11的底端接触。通过拧动第二限位螺母11，可以改变第二中部推力轴承12与搅拌针1的相对位置，进而改变第二中部轴肩 13与搅拌针1的相对位置，实现第二中部轴肩13与下轴肩14的间距的调节，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。

搅拌针1的下段与下轴肩14通过下推力轴承15连接，进一步地，下轴肩14的下端沿轴线设有第四沉孔14-2，下推力轴承15设有下推力轴承松环15-1和下推力轴承紧环15-2，下推力轴承松环15-1的外径与第四沉孔14-2过渡配合，下推力轴承紧环15-2的内径与搅拌针1下段过渡配合，其中，下推力轴承松环15-1的内径大于下推力轴承紧环15-2 的内径，这样，焊接过程中，下推力轴承松环15-1不接触搅拌针1，使得搅拌针1旋转不会带动下轴肩14转动。进一步地，第二中部轴肩13 的下端面和下轴肩14的上端面均为凸面，这样设计，可以使焊接装置在焊接过程中在一定范围内适应待焊箱型结构的下壁厚度的波动。

该实施例还公开了一种适用于中空型材焊接的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，如图5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)调整搅拌摩擦焊装置：根据待焊箱型结构高度调整法兰螺母16，使得上轴肩7的下端面和下轴肩14的上端面的间距等于待焊箱型结构高度，调节第一限位螺母10、第二限位螺母11在搅拌针1中段上的相对位置，使得第一中部轴肩8与上轴肩7的间隙等于待焊箱型结构上壁厚度，第二中部轴肩13与下轴肩14的间隙等于待焊箱型结构下壁厚度。

(3)搅拌摩擦焊焊接：调整搅拌摩擦焊装置与待焊箱型结构的相对位置，保证上壁接缝18和下壁接缝17均与搅拌针1对中，并使得第一中部轴肩8的上端面顶住待焊箱型结构内腔的上表面，第二中部轴肩13 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，将搅拌摩擦焊装置平移以切入接缝进行焊接。

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)

1.一种自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征是，其设有搅拌针，所述搅拌针为台阶轴，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，所述搅拌针的上段通过上位键与夹持柄配合，所述夹持柄通过上推力轴承连接上轴肩，所述上推力轴承设有上推力轴承紧环和上推力轴承松环，所述上推力轴承松环的内径大于所述上推力轴承紧环的内径，所述夹持柄的底端设有凸台，所述上推力轴承紧环的内径与所述凸台配合，所述上轴肩的上端沿轴线设有第一沉孔，所述上推力轴承松环的外径与所述第一沉孔配合，所述搅拌针的中段攻有第一细牙螺纹，与第一限位螺母和第二限位螺母配合，所述第一限位螺母通过第一中部推力轴承连接第一中部轴肩，所述第二限位螺母通过第二中部推力轴承连接第二中部轴肩，所述搅拌针的下段依次与下轴肩和下推力轴承配合，所述下推力轴承的底端接触法兰螺母，法兰螺母通过搅拌针下段的第二细牙螺纹与搅拌针配合。

2.根据权利要求1所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上轴肩的上方连接上罩，所述上罩沿轴线设有上罩通孔和上罩沉孔，所述上罩沉孔与所述夹持柄下端的凸缘相配合。

3.根据权利要求2所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上位键设于上位键槽和上键槽内，所述上位键槽设于所述夹持柄的顶端，所述上键槽设于所述搅拌针的上段。

4.根据权利要求1所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述夹持柄和所述上轴肩分别沿轴线设有第一通孔和第二通孔，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三通孔和第四通孔，所述下轴肩沿轴线设有第五通孔，所述搅拌针的上段与所述第一通孔、所述第二通孔和所述第三通孔间隙配合，所述搅拌针的下段与所述第四通孔和所述第五通孔间隙配合。

5.根据权利要求4所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一中部轴肩的下端沿轴线设有第二沉孔，所述第一中部推力轴承设有第一中部推力轴承松环和第一中部推力轴承紧环，所述第一中部推力轴承松环的内径大于所述第一中部推力轴承紧环的内径，所述第一中部推力轴承松环的外径与所述第二沉孔过渡配合，所述第一中部推力轴承紧环的内径与所述搅拌针上段过渡配合。

6.根据权利要求4所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第二中部轴肩的上端沿轴线设有第三沉孔,所述第二中部推力轴承设有第二中部推力轴承紧环和第二中部推力轴承松环，所述第二中部推力轴承紧环的内径小于所述第二中部推力轴承松环的内径，所述第二中部推力轴承松环的外径与所述第三沉孔过渡配合，所述第二中部推力轴承紧环的内径与所述搅拌针下段过渡配合。

7.根据权利要求4所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述下轴肩的下端沿轴线设有第四沉孔，所述下推力轴承设有下推力轴承松环和下推力轴承紧环，所述下推力轴承松环的内径大于所述下推力轴承紧环的内径，所述下推力轴承松环的外径与所述第四沉孔过渡配合，所述下推力轴承紧环的内径与所述搅拌针下段过渡配合。

8.根据权利要求1所述的自持式静止轴肩搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述上轴肩的下端面、所述第一中部轴肩的上端面、所述第二中部轴肩的下端面和所述下轴肩的上端面均为凸面。

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