基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，该焊具包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述主电机与主轴连接，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上，通过主电机转动带动搅拌摩擦头转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套连接，电阻丝固定套内安装有对搅拌摩擦头进行加热的辅热装置。本发明专利技术在焊接过程中，可根据焊具轴向压力作为反馈及时调整电阻产热大小，从而通过对搅拌区域之外的局部金属进行加热，保证焊接区域处于合适的温度状态。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域。
技术介绍
自英国焊接研究所(TWI)于1991年专利技术了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但在对钢管的进行焊接时，仍然存在很多难点。专利(申请号201410792391.5)通过辅助热源对需要焊接区域进行预加热，直至焊接材料达到塑化或者合金化状态后，摩擦搅拌头再沿辅助热源加热路径前进进行摩擦焊接，即这个方法需要首先使用辅助热源将焊接材料完全塑化，然后搅拌头再进行焊接，但这个专利没有提出如何调节焊接过程中的辅助热源；专利(申请号201210564760.6)使用了具有加热丝的加热箱体，将需要进行搅拌摩擦焊接的钢板进行焊接前的加热和焊接后的冷却，但显然这个方法所需要的加热装置巨大且适用性不强；此外还有专利(申请号201210592979.7)将激光和搅拌摩擦焊这种复合焊接技术应用于材质较硬的焊接板，在焊接板的背面和正面设置激光束，但激光系统成本较高且能量过于集中，难以对焊接前方的较大区域进行整体预热。因此设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能、又能最大程度地避免搅拌头受力过度磨损、又能够减少钢管变形的焊具及其方法成为了一个迫在眉睫的重要任务。
技术实现思路
专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提出一种基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，在焊接过程中，可根据焊具轴向压力作为反馈及时调整电阻产热大小，从而通过对搅拌区域之外的局部金属进行加热，保证焊接区域处于合适的温度状态。技术方案：为解决上述技术问题，本专利技术的一种基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述主电机与主轴连接，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上，通过主电机转动带动搅拌摩擦头转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套连接，电阻丝固定套内安装有对搅拌摩擦头进行加热的辅热装置。作为优选，所述辅热装置包含一对导热块和一对电阻丝，两根电阻丝分别穿过电阻丝固定套与位于电阻丝固定套边沿的导热块连接，搅拌摩擦头位于两个导热块之间。作为优选，所述支撑室外壳内设有冷却装置。作为优选，所述冷却装置包含位于支撑室外壳内的水管通道，水管通道内有循环冷却液。作为优选，所述主轴外设有轴向压力检测单元，所述轴向压力检测单元包含支撑座和角接触轴承，所述主轴外设有台阶，角接触轴承套在台阶上，角接触轴承外设有轴承座，轴承座与第二支撑板之间设有中空的不旋转的压力传感器，轴承座通过长螺杆安装在第二支撑板上。作为优选，所述长螺杆上套有弹簧再穿过轴承座。作为优选，所述主轴上套有汇流环，汇流环与轴向压力检测单元信号连接。一种上述的基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，包括以下步骤：(1)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上，搅拌摩擦头固定安装于主轴上；(2)将压力传感器通电，读取空载时的压力输出并保存，记为F0；(3)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定压力阈值F1；(4)整个焊具开始下降，当搅拌摩擦头开始接触工件时，开始记录压力传感器的输出F，当下压深度达到目标值时，进入预热阶段；(5)预热阶段结束后，电阻丝通电，正式开始焊接；(6)焊接过程中，不断计算F-F0，记为F2，如F2超过阈值F1，则减小电阻丝的通过电流；如F2小于阈值F1，则增大电阻丝的通过电流。(7)焊接结束后，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件，然后切断电阻丝8的电源；(8)数分钟后，关断冷却液停止冷却，拆下搅拌摩擦头。有益效果：本专利技术的基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，具有以下优点：(1)这是一种新式的单轴肩搅拌摩擦焊工具，可根据轴向压力的大小，调整搅拌头外围焊接金属的预热程度，调整轴向压力也可以减少钢管变形。(2)结构简单、实用性强。该焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实意义。附图说明图1为本专利技术的结构示意图。图2为图1中轴向压力检测单元的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作更进一步的说明。如图1和图2所示，本专利技术的一种基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板4-2，所述第一支撑板上设有主电机1，所述主电机1与主轴7连接，主轴7与搅拌摩擦头9连接，主轴7外套有同步回转套10，同步回转套10外套有轴承11，轴承11为滚珠轴承，轴承11位于支撑室外壳5内，轴承11通过轴承挡圈12固定在同步回转套10上，支撑室外壳5固定在第二支撑板4-2上，通过主电机1转动带动搅拌摩擦头9转动；所述第二支撑板4-2与下方的电阻丝固定套6连接，电阻丝固定套6内安装有对搅拌摩擦头9进行加热的辅热装置。在本专利技术中，所述辅热装置包含一对导热块8和一对电阻丝，两根电阻丝分别穿过电阻丝固定套6与位于电阻丝固定套6边沿的导热块8连接，搅拌摩擦头9位于两个导热块8之间，两根电阻丝分别于第一电极3和第二电极13连接。在本专利技术中，所述支撑室外壳5内设有冷却装置，所述冷却装置包含位于支撑室外壳5内的水管通道，水管通道设有冷却液进口2和冷却液出口14，水管通道内有循环冷却液。在本专利技术中，所述主轴7外设有轴向压力检测单元4，所述轴向压力检测单元4包含支撑座和角接触轴承4-5，所述主轴7外设有台阶，角接触轴承4-5套在台阶上，角接触轴承4-5外设有轴承座4-3，轴承座4-3与第二支撑板4-2之间设有中空的不旋转的压力传感器4-6，轴承座4-3通过长螺杆4-1安装在第二支撑板4-2上，长螺杆4-1上套有弹簧4-4再穿过轴承座4-3，所述主轴7上套有汇流环，汇流环与轴向压力检测单元4信号连接。当轴向压力超过阈值，则减小电阻丝的通过电流；如小于阈值，则增大电阻丝的通过电流。在本专利技术中，主电机1可采用结构紧凑、输出力矩较大的永磁电动机；冷却液进口2、冷却液出口13可选择铜合金，冷却液可选择常用的纯净水或常用机加工冷却液；第一电极3和第二电极13可采用导电较好的铜合金，支撑室外壳5、同步回转套10可采用普通碳钢制作；电阻丝固定套6则需要采用耐热、绝缘材料制作；搅拌摩擦头9则采用高温合金进行加工；压力传感器4-6则可选用市面上常用的圆环形压力传感器。为了减少未焊接时轴向压力传感器4-6承受过大的预紧力，利用弹簧4-4顶紧轴承座4-3和压力传感器4-6；主轴7在穿过轴承4-5、中空的压力传感器后，往上与主电机1的输出轴相连，所以在焊接过程中，轴向力传感器4-6是不旋转的。电阻丝固定套6位于支撑室外壳5的外围，但与支撑室外壳5之间存在间隙。如图2所示，确定弹簧4本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述主电机与主轴连接，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上，通过主电机转动带动搅拌摩擦头转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套连接，电阻丝固定套内安装有对搅拌摩擦头进行加热的辅热装置。

【技术特征摘要】
1.一种基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：包括动力室外壳，所述动力室外壳内依次设有第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板上设有主电机，所述主电机与主轴连接，主轴与搅拌摩擦头连接，主轴外套有同步回转套，同步回转套外套有轴承，轴承位于支撑室外壳内，支撑室外壳固定在第二支撑板上，通过主电机转动带动搅拌摩擦头转动；所述第二支撑板与下方的电阻丝固定套连接，电阻丝固定套内安装有对搅拌摩擦头进行加热的辅热装置。2.根据权利要求1所述的基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述辅热装置包含一对导热块和一对电阻丝，两根电阻丝分别穿过电阻丝固定套与位于电阻丝固定套边沿的导热块连接，搅拌摩擦头位于两个导热块之间。3.根据权利要求1所述的基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述支撑室外壳内设有冷却装置。4.根据权利要求3所述的基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述冷却装置包含位于支撑室外壳内的水管通道，水管通道内有循环冷却液。5.根据权利要求2所述的基于压力反馈和电阻辅热的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述主轴外设有轴向压力检测单元，所述轴向压力检测单元包含支撑座和角接触轴承，所述主轴外设有台阶，角接触轴承套在台阶上，角接...

【专利技术属性】
技术研发人员：方晓东，陈书锦，
申请(专利权)人：江苏通宇钢管集团有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32