基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，該焊具包括動力室外殼，所述動力室外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上設(shè)有主電機，所述主電機與主軸連接，主軸與攪拌摩擦頭連接，主軸外套有同步回轉(zhuǎn)套，同步回轉(zhuǎn)套外套有軸承，軸承位于支撐室外殼內(nèi)，支撐室外殼固定在第二支撐板上，通過主電機轉(zhuǎn)動帶動攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)動；所述第二支撐板與下方的電阻絲固定套連接，電阻絲固定套內(nèi)安裝有對攪拌摩擦頭進行加熱的輔熱裝置。本發(fā)明在焊接過程中，可根據(jù)焊具軸向壓力作為反饋及時調(diào)整電阻產(chǎn)熱大小，從而通過對攪拌區(qū)域之外的局部金屬進行加熱，保證焊接區(qū)域處于合適的溫度狀態(tài)。
【專利說明】
基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，屬于攪拌摩擦焊領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]自英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項技術(shù)因其焊接變形小、殘余應(yīng)力小，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等，同時能顯著降低成本、節(jié)省材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量等特點受到各國科研機構(gòu)的關(guān)注。由于這項技術(shù)具有很多其他方法所不具備的顯著特點，它很快就被用于航天領(lǐng)域，新一代運載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，但在對鋼管的進行焊接時，仍然存在很多難點。
[0003]專利(申請?zhí)?01410792391.5)通過輔助熱源對需要焊接區(qū)域進行預(yù)加熱，直至焊接材料達到塑化或者合金化狀態(tài)后，摩擦攪拌頭再沿輔助熱源加熱路徑前進進行摩擦焊接，即這個方法需要首先使用輔助熱源將焊接材料完全塑化，然后攪拌頭再進行焊接，但這個專利沒有提出如何調(diào)節(jié)焊接過程中的輔助熱源;專利(申請?zhí)?01210564760.6)使用了具有加熱絲的加熱箱體，將需要進行攪拌摩擦焊接的鋼板進行焊接前的加熱和焊接后的冷卻，但顯然這個方法所需要的加熱裝置巨大且適用性不強；此外還有專利(申請?zhí)?01210592979.7)將激光和攪拌摩擦焊這種復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用于材質(zhì)較硬的焊接板，在焊接板的背面和正面設(shè)置激光束，但激光系統(tǒng)成本較高且能量過于集中，難以對焊接前方的較大區(qū)域進行整體預(yù)熱。因此設(shè)計出一種既具備傳統(tǒng)攪拌摩擦頭焊接功能、又能最大程度地避免攪拌頭受力過度磨損、又能夠減少鋼管變形的焊具及其方法成為了一個迫在眉睫的重要任務(wù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，在焊接過程中，可根據(jù)焊具軸向壓力作為反饋及時調(diào)整電阻產(chǎn)熱大小，從而通過對攪拌區(qū)域之外的局部金屬進行加熱，保證焊接區(qū)域處于合適的溫度狀態(tài)。
[0005]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，包括動力室外殼，所述動力室外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上設(shè)有主電機，所述主電機與主軸連接，主軸與攪拌摩擦頭連接，主軸外套有同步回轉(zhuǎn)套，同步回轉(zhuǎn)套外套有軸承，軸承位于支撐室外殼內(nèi)，支撐室外殼固定在第二支撐板上，通過主電機轉(zhuǎn)動帶動攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)動;所述第二支撐板與下方的電阻絲固定套連接，電阻絲固定套內(nèi)安裝有對攪拌摩擦頭進行加熱的輔熱裝置。
[0006]作為優(yōu)選，所述輔熱裝置包含一對導(dǎo)熱塊和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套與位于電阻絲固定套邊沿的導(dǎo)熱塊連接，攪拌摩擦頭位于兩個導(dǎo)熱塊之間。
[0007]作為優(yōu)選，所述支撐室外殼內(nèi)設(shè)有冷卻裝置。
[0008]作為優(yōu)選，所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼內(nèi)的水管通道，水管通道內(nèi)有循環(huán)冷卻液。
[0009]作為優(yōu)選，所述主軸外設(shè)有軸向壓力檢測單元，所述軸向壓力檢測單元包含支撐座和角接觸軸承，所述主軸外設(shè)有臺階，角接觸軸承套在臺階上，角接觸軸承外設(shè)有軸承座，軸承座與第二支撐板之間設(shè)有中空的不旋轉(zhuǎn)的壓力傳感器，軸承座通過長螺桿安裝在第二支撐板上。
[0010]作為優(yōu)選，所述長螺桿上套有彈簧再穿過軸承座。
[0011]作為優(yōu)選，所述主軸上套有匯流環(huán)，匯流環(huán)與軸向壓力檢測單元信號連接。
[0012]—種上述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，包括以下步驟:
[0013](I)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上，攪拌摩擦頭固定安裝于主軸上；
[0014](2)將壓力傳感器通電，讀取空載時的壓力輸出并保存，記為F0;
[0015](3)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時設(shè)定壓力閾值F1;
[0016](4)整個焊具開始下降，當(dāng)攪拌摩擦頭開始接觸工件時，開始記錄壓力傳感器的輸出F，當(dāng)下壓深度達到目標(biāo)值時，進入預(yù)熱階段；
[0017](5)預(yù)熱階段結(jié)束后，電阻絲通電，正式開始焊接；
[0018](6)焊接過程中，不斷計算F-Fo，記為F2,如？2超過閾值F1,則減小電阻絲的通過電流;如內(nèi)小于閾值F1,則增大電阻絲的通過電流。
[0019](7)焊接結(jié)束后，提升焊具，使攪拌摩擦頭脫離工件，然后切斷電阻絲8的電源；
[0020](8)數(shù)分鐘后，關(guān)斷冷卻液停止冷卻，拆下攪拌摩擦頭。
[0021]有益效果:本發(fā)明的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，具有以下優(yōu)占.V.
[0022](I)這是一種新式的單軸肩攪拌摩擦焊工具，可根據(jù)軸向壓力的大小，調(diào)整攪拌頭外圍焊接金屬的預(yù)熱程度，調(diào)整軸向壓力也可以減少鋼管變形。
[0023](2)結(jié)構(gòu)簡單、實用性強。該焊具部件較少、成本低廉、容易實現(xiàn)且裝配方便，這對于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖2為圖1中軸向壓力檢測單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。
[0027]如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，包括動力室外殼，所述動力室外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐板和第二支撐板4-2，所述第一支撐板上設(shè)有主電機I，所述主電機I與主軸7連接，主軸7與攪拌摩擦頭9連接，主軸7外套有同步回轉(zhuǎn)套10，同步回轉(zhuǎn)套10外套有軸承11，軸承11為滾珠軸承，軸承11位于支撐室外殼5內(nèi)，軸承11通過軸承擋圈12固定在同步回轉(zhuǎn)套10上，支撐室外殼5固定在第二支撐板4-2上，通過主電機I轉(zhuǎn)動帶動攪拌摩擦頭9轉(zhuǎn)動;所述第二支撐板4-2與下方的電阻絲固定套6連接，電阻絲固定套6內(nèi)安裝有對攪拌摩擦頭9進行加熱的輔熱裝置。
[0028]在本發(fā)明中，所述輔熱裝置包含一對導(dǎo)熱塊8和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套6與位于電阻絲固定套6邊沿的導(dǎo)熱塊8連接，攪拌摩擦頭9位于兩個導(dǎo)熱塊8之間，兩根電阻絲分別于第一電極3和第二電極13連接。
[0029]在本發(fā)明中，所述支撐室外殼5內(nèi)設(shè)有冷卻裝置，所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼5內(nèi)的水管通道，水管通道設(shè)有冷卻液進口 2和冷卻液出口 14，水管通道內(nèi)有循環(huán)冷卻液。
[0030]在本發(fā)明中，所述主軸7外設(shè)有軸向壓力檢測單元4，所述軸向壓力檢測單元4包含支撐座和角接觸軸承4-5，所述主軸7外設(shè)有臺階，角接觸軸承4-5套在臺階上，角接觸軸承4-5外設(shè)有軸承座4-3，軸承座4-3與第二支撐板4-2之間設(shè)有中空的不旋轉(zhuǎn)的壓力傳感器4-6，軸承座4-3通過長螺桿4-1安裝在第二支撐板4-2上，長螺桿4-1上套有彈簧4-4再穿過軸承座4-3，所述主軸7上套有匯流環(huán)，匯流環(huán)與軸向壓力檢測單元4信號連接。當(dāng)軸向壓力超過閾值，則減小電阻絲的通過電流;如小于閾值，則增大電阻絲的通過電流。
[0031]在本發(fā)明中，主電機I可采用結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力矩較大的永磁電動機;冷卻液進口
2、冷卻液出口 13可選擇銅合金，冷卻液可選擇常用的純凈水或常用機加工冷卻液;第一電極3和第二電極13可采用導(dǎo)電較好的銅合金，支撐室外殼5、同步回轉(zhuǎn)套10可采用普通碳鋼制作；電阻絲固定套6則需要采用耐熱、絕緣材料制作;攪拌摩擦頭9則采用高溫合金進行加工;壓力傳感器4-6則可選用市面上常用的圓環(huán)形壓力傳感器。為了減少未焊接時軸向壓力傳感器4-6承受過大的預(yù)緊力，利用彈簧4-4頂緊軸承座4-3和壓力傳感器4-6;主軸7在穿過軸承4-5、中空的壓力傳感器后，往上與主電機I的輸出軸相連，所以在焊接過程中，軸向力傳感器4-6是不旋轉(zhuǎn)的。電阻絲固定套6位于支撐室外殼5的外圍，但與支撐室外殼5之間存在間隙。
[0032]如圖2所示，確定彈簧4-4壓縮量的原則:彈簧4-4所產(chǎn)生的彈力稍大于軸向壓力檢測單元4的自重即可，例如可以為1.05倍的軸向壓力檢測單元4的自重。這樣做，可以避免軸向力傳感器在未焊接的時候，也有輸出，從而影響實際焊接過程中壓力的精確性。
[0033]該使用攪拌摩擦焊具進行焊接的主要流程與步驟:
[0034](I)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上，攪拌摩擦頭9固定安裝于主軸7上；
[0035](2)將壓力傳感器4-6通電，讀取空載時的壓力輸出并保存，記為F0;
[0036](3)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時設(shè)定壓力閾值F1;
[0037](4)整個焊具開始下降，當(dāng)攪拌摩擦頭9開始接觸工件時，開始記錄壓力傳感器4-6的輸出F，當(dāng)下壓深度達到目標(biāo)值時，進入預(yù)熱階段；
[0038](5)預(yù)熱階段結(jié)束后，電阻絲通電，正式開始焊接；
[0039](6)焊接過程中，不斷計算F-Fo，記為F2，如?2超過閾值?工，則減小電阻絲的通過電流;如內(nèi)小于閾值F1,則增大電阻絲的通過電流。
[0040](7)焊接結(jié)束后，提升焊具，使攪拌摩擦頭9脫離工件，然后切斷電阻絲8的電源；
[0041](8)數(shù)分鐘后，關(guān)斷冷卻液停止冷卻，拆下攪拌摩擦頭9。
[0042]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:包括動力室外殼，所述動力室外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上設(shè)有主電機，所述主電機與主軸連接，主軸與攪拌摩擦頭連接，主軸外套有同步回轉(zhuǎn)套，同步回轉(zhuǎn)套外套有軸承，軸承位于支撐室外殼內(nèi)，支撐室外殼固定在第二支撐板上，通過主電機轉(zhuǎn)動帶動攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)動;所述第二支撐板與下方的電阻絲固定套連接，電阻絲固定套內(nèi)安裝有對攪拌摩擦頭進行加熱的輔熱裝置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述輔熱裝置包含一對導(dǎo)熱塊和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套與位于電阻絲固定套邊沿的導(dǎo)熱塊連接，攪拌摩擦頭位于兩個導(dǎo)熱塊之間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述支撐室外殼內(nèi)設(shè)有冷卻裝置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼內(nèi)的水管通道，水管通道內(nèi)有循環(huán)冷卻液。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述主軸外設(shè)有軸向壓力檢測單元，所述軸向壓力檢測單元包含支撐座和角接觸軸承，所述主軸外設(shè)有臺階，角接觸軸承套在臺階上，角接觸軸承外設(shè)有軸承座，軸承座與第二支撐板之間設(shè)有中空的不旋轉(zhuǎn)的壓力傳感器，軸承座通過長螺桿安裝在第二支撐板上。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述長螺桿上套有彈簧再穿過軸承座。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，其特征在于:所述主軸上套有匯流環(huán)，匯流環(huán)與壓力傳感器信號連接。8.—種如權(quán)利要求5至7任一項所述的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具的焊接方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上，攪拌摩擦頭固定安裝于主軸上； (2)將壓力傳感器通電，讀取空載時的壓力輸出并保存，記為F0; (3)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時設(shè)定壓力閾值^; (4)整個焊具開始下降，當(dāng)攪拌摩擦頭開始接觸工件時，開始記錄壓力傳感器的輸出F，當(dāng)下壓深度達到目標(biāo)值時，進入預(yù)熱階段； (5)預(yù)熱階段結(jié)束后，電阻絲通電，正式開始焊接； (6)焊接過程中，不斷計算F-Fo，記為F2,如^超過閾值F1,則減小電阻絲的通過電流;如F2小于閾值F1,則增大電阻絲的通過電流。 (7)焊接結(jié)束后，提升焊具，使攪拌摩擦頭脫離工件，然后切斷電阻絲8的電源； (8)數(shù)分鐘后，關(guān)斷冷卻液停止冷卻，拆下攪拌摩擦頭。
【文檔編號】B23K20/12GK105834577SQ201610446617
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年6月20日
【發(fā)明人】方曉東, 陳書錦
【申請人】江蘇通宇鋼管集團有限公司