CN113210837B - 一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，该装置包括双速双轴肩机构和补料系统，双速双轴肩机构包括搅拌针、上轴肩、串轴承和下轴肩，该机构为上下双轴肩以解决装夹复杂和工装成本高的问题，同时分别控制上、下轴肩及搅拌针的工作转速以提高焊接质量，并利用两转速的分别控制实现空间曲面结构的焊接，补料系统主要包含补料、旋转密封接头、补料输送管和加热输送装置，在双轴肩搅拌摩擦焊过程中，通过补料系统将焊接需要的补料送达到焊接区域，采用一边焊接一边补充补料，避免焊接过程中空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷的出现，以此来提高搅拌摩擦焊的焊接质量和焊接强度。

Description

一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及焊接加工的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，通过旋转的轴肩和搅拌针与被焊金属之间的摩擦热及搅拌针的挤压、搅拌作用，使被焊金属发生塑性流动，从而形成牢固连接。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁等高性能的金属材料焊接中，避免了传统焊接技术在焊此类材材料时产生的气孔、裂纹等缺陷，增强了焊缝质量，减小接变形，节省了焊材料。搅拌摩擦焊具有焊缝成形美观、综合力学性能良好、焊接变形小、绿色环保和无需添加焊材等优点，适用于焊接铝、镁、钛、铜等合金，因此在造船、航空航天及轨道交通等领域得到广泛的推广和应用。

目前为了保证焊接过程的搅拌头轴肩能够有足的下压力和压入量，搅拌摩擦焊接设备应当满足具有较大的负载能力。为了满足搅拌摩擦焊接精度，需要在焊接前进行定位装夹，在被焊接件背部采用刚性支撑，对于复杂大型结构和特殊位置的工件一般无法满足。焊接时当刚性支撑强度不够时，焊接过程容易出现沟槽及较大飞边等缺陷，其中双轴肩搅拌摩擦焊的出现解决了单轴肩搅拌摩擦焊工件未焊透以及背部支撑的问题，尽管利用双轴肩搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，焊缝内部还是经常会出现如空洞、趾跟、隧道等缺陷，尤其是在焊接的后段，很容易出现填充不足引起的隧道缺陷。由于搅拌摩擦焊接方法的特点，很难再进行补焊，补焊将直接影响焊接结构的承载能力和效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，为了解决搅拌摩擦焊过程中容易出现空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷，同时提高搅拌摩擦焊接厚度和被焊接结构的复杂性，增加适用范围。该装置可以应对不同形状结构的工件焊接，使用简单，控制方便，减少工装的投入，降低设备工作载荷，使加工过程中不容易出现空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷，提高较厚工件的焊接质量和效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：

一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，包括双速双轴肩机构和补料系统两部分，所述双速双轴肩机构包括搅拌针、封头、、轴套、上轴肩、串轴承、喷嘴、下轴肩、锁紧螺母、堵头，搅拌针安装在上轴肩和下轴肩之间，搅拌针的通过串轴承安装在上轴肩的内部，利用密封圈b密封搅拌针和上轴肩，防止焊接过程中材料进入串轴承工作区，在搅拌针和上轴肩的上部分之间依次安装轴套，封头通过螺纹连接安装在上轴肩的上端，利用封头来固定轴套，利用密封圈a来密封搅拌针和封头，搅拌针的下端通过螺纹连接方式连接下轴肩，然后通过锁紧螺母将下轴肩固定，堵头利用螺纹连接方式安装在搅拌针内孔下端，喷嘴均匀分布在搅拌针的搅拌区域的一周；补料系统由内传动轴、外传动轴、旋转密封接头、补料输送管和加热输送装置组成，内传动轴通过螺纹与搅拌针连接，旋转密封接头与内传动轴连接，上轴肩与外传动轴连接并利用锁紧螺钉固定，通过补料输送管连接旋转密封接头和加热输送装置，焊接过程中的补料通过加热输送装置、补料输送管、旋转密封接头和搅拌针内孔送达到喷嘴，补料通过喷嘴流入焊接区域，通过补料避免双肩搅拌摩擦焊接过程中出现空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷。

上述方案中的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，在搅拌针的搅拌区均匀在周向分布3个喷嘴，喷嘴是通过螺纹连接安装在搅拌针上，喷嘴材料满足耐磨、耐高温特点，在搅拌针的内孔下端安装堵头以防止补料被漏出。

上述方案中的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，在搅拌摩擦焊过程中使用的补料按材料的分为与被焊接件的材料一样和不一样的焊接介质，使用焊接介质能有效提高焊接强度，按补料的状态分为细小颗粒形态和流体形态两种，补料的供给速度根据被焊接件的安装间隙和双轴肩搅拌焊接的参数确定，当提高焊接搅拌摩擦的厚度，补料的使用不仅避免焊接空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷的产生，还能提高焊接性能。

上述方案中的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，通过数控设备动力装置分别驱动内传动轴和外传动轴，根据数控设备分别设置内传动轴和外传动轴的转速，分别控制上轴肩和下轴肩的转速，其中下轴肩和搅拌针由于螺纹连接转速是一样的，根据实际需求进行转速控制有助于提高焊接质量和被焊接件结构的复杂性。

上述方案中的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，在搅拌针和上轴肩之间安装有隔热套筒，隔热套筒是用于减少补料在流动过程中的热量，防止补料因冷却凝结堵塞搅拌针内孔。

上述方案中的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，为了解决装夹复杂和工装成本高，该装置采用双轴肩搅拌摩擦焊的方式，双轴肩同时也能提高焊接厚度，增加焊接能力。

本发明的有益效果是：

（1）该双速双轴肩补料式搅拌摩擦焊装置通过在焊接过程中补充焊料，能有效防止焊接过程中出现空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷；（2）该发明上下轴肩夹持工具，代替常规搅拌摩擦焊支撑垫板，解决装夹复杂、工装夹具成本过高等问题；(3)该双速双轴肩补料式搅拌摩擦焊装置能方便可靠地分别控制上、下轴肩的转速，通过上、下轴肩的转速差，提高上下两面的焊接质量；(4)该发明能分别控制上下轴肩的转速，可以满足静轴肩搅拌摩擦焊技术的特点，焊接结构范围更广；(5)该发明机械结构简单，性能可靠，焊接厚度更高，极大地满足生产需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明工作示意图。

图3是本发明的Ⅰ处结构放大示意图。

图4是本发明的工作状态三维示意图。

图5是本发明侧面结构示意图。

图6是本发明的搅拌针结构示意图。

图中1.搅拌针，2.封头，3.密封圈a，4.轴套，5.隔热套筒，6.上轴肩，7.串轴承，8.密封圈b，9.喷嘴，10.补料，11.被焊接件，12.下轴肩，13.锁紧螺母，14.堵头，15.内传动轴，16.外传动轴，17.旋转密封接头，18.补料输送管，19.加热输送装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

实施例：参见附图1-6，一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，包括双速双轴肩机构和补料系统两部分，所述双速双轴肩机构包括搅拌针1、封头2、密封圈a3、轴套4、隔热套筒5、上轴肩6、串轴承7、密封圈b8喷嘴9、下轴肩12、锁紧螺母13、堵头14，搅拌针1安装在上轴肩6和下轴肩12之间，搅拌针1的通过串轴承7安装在上轴肩6的内部，利用密封圈b8来密封搅拌针1和上轴肩6，防止焊接过程中材料进入串轴承7工作区，在搅拌针1和上轴肩6的上部分之间依次安装轴套4和隔热套筒5，封头2通过螺纹连接安装在上轴肩6的上端，利用封头2来固定轴套4和隔热套筒5，利用密封圈a3来密封搅拌针1和封头2，搅拌针1的下端通过螺纹连接方式连接下轴肩12，然后通过锁紧螺母13将下轴肩12固定，堵头14利用螺纹连接方式安装在搅拌针1内孔下端，喷嘴9均匀分布在搅拌针1的搅拌区域的一周；补料系统由内传动轴15、外传动轴16、旋转密封接头17、补料输送管18和加热输送装置19组成，内传动轴15通过螺纹与搅拌针1连接，旋转密封接头17与内传动轴15连接，上轴肩6与外传动轴16连接并利用锁紧螺钉固定，通过补料输送管18连接旋转密封接头17和加热输送装置19，焊接过程中的补料10通过加热输送装置19、补料输送管18、旋转密封接头17和搅拌针1内孔送达到喷嘴9，补料10通过喷嘴9流入焊接区域，通过补料10避免双肩搅拌摩擦焊接过程中出现空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷所述为了解决装夹复杂和工装成本高，该装置采用双轴肩搅拌摩擦焊的方式，双轴肩同时也能提高焊接厚度，增加焊接能力。

在搅拌针1的搅拌区均匀在周向分布3个喷嘴9，喷嘴9是通过螺纹连接安装在搅拌针1上，喷嘴9材料满足耐磨、耐高温特点，在搅拌针1的内孔下端安装堵头14以防止补料10被漏出。

在搅拌摩擦焊过程中使用的补料10按材料的分为与被焊接件11的材料一样和不一样的焊接介质，使用焊接介质能有效提高焊接强度，按补料10的状态分为细小颗粒形态和流体形态两种，补料10的供给速度根据被焊接件11的安装间隙和双轴肩搅拌焊接的参数确定，当提高焊接搅拌摩擦的厚度，补料10的使用不仅避免焊接空洞、隧道、趾跟、裂纹等缺陷的产生，还能提高焊接性能。

通过数控设备动力装置分别驱动内传动轴15和外传动轴16，根据数控设备分别设置外传动轴16和内传动轴15的转速，分别控制上轴肩6的转速ω1和下轴肩12的转速ω1，其中下轴肩12和搅拌针1由于螺纹连接转速是一样的都为ω1，根据实际需求进行转速控制有助于提高焊接质量和被焊接件11结构的复杂性。

搅拌针1和上轴肩6之间安装有隔热套筒5，隔热套筒5是用于减少补料10在流动过程中的热量，防止补料10因冷却凝结堵塞搅拌针1内孔。

Claims (5)

1.一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，其特征在于：包括双速双轴肩机构和补料系统，所述双速双轴肩机构包括搅拌针（1）、封头（2）、轴套（4）、上轴肩（6）、串轴承（7）、喷嘴（9）、下轴肩（12）、锁紧螺母（13）和堵头（14），所述搅拌针（1）通过串轴承（7）安装在上轴肩（6）的内部，搅拌针（1）和上轴肩（6）之间设有轴套（4），所述封头（2）安装在上轴肩（6）的上端，通过封头（2）来固定轴套（4），搅拌针（1）的下端连接下轴肩（12），通过锁紧螺母（13）将下轴肩（12）固定，所述堵头（14）安装在搅拌针（1）内孔下端，所述喷嘴（9）设在搅拌针（1）的搅拌区中间位置，搅拌针（1）和上轴肩（6）之间安装有隔热套筒（5）；

所述补料系统包括内传动轴（15）、外传动轴（16）、旋转密封接头（17）、补料输送管（18）和加热输送装置（19），所述内传动轴(15)与搅拌针（1）连接，旋转密封接头（17）与内传动轴(15)连接，外传动轴（16）与上轴肩（6）固定连接，所述补料输送管（18）连接旋转密封接头（17）和加热输送装置（19），补料（10）为与被焊接件（11）的材料一样或不一样的焊接介质，补料（10）的状态分为细小颗粒形态和流体形态两种，补料（10）的供给速度根据被焊接件（11）的安装间隙和双轴肩搅拌焊接的参数确定，在焊接过程中所述的补料（10）依次通过加热输送装置（19）、补料输送管（18）、旋转密封接头（17）和搅拌针（1）内孔送达到喷嘴（9），补料（10）再通过喷嘴（9）流入焊接区域；

所述内传动轴（15）和外传动轴（16）通过数控设备动力装置驱动，根据数控设备分别设置内传动轴（15）和外传动轴（16）的转速，分别控制下轴肩（12）和上轴肩（6）的转速。

2.根据权利要求1所述的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，其特征是：所述搅拌针（1）的搅拌区均匀在周向分布3个喷嘴（9），喷嘴（9）通过螺纹连接安装在搅拌针（1）上。

3.根据权利要求1所述的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，其特征是：所述的喷嘴（9）材料和搅拌针（1）材料一致，为耐磨、耐高温、长寿命材料。

4.根据权利要求1所述的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，其特征是：所述搅拌针（1）和封头（2）之间通过密封圈a（3）密封。

5.根据权利要求1所述的一种双速双轴肩内部补料式搅拌摩擦焊装置，其特征是：所述搅拌针（1）和上轴肩（6）之间通过密封圈b（8）来密封。

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