一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置及方法，它解决了现有技术中超声振动与搅拌头机械作用存在时间滞后或者二者不能实现有效耦合的问题，具有改善焊接过程金属的塑性流动，实现搅拌头的热‑力作用与超声软化效应的同步耦合的有益效果，其方案如下：一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，包括套筒夹具，套筒夹具与超声波发生机构连接，套筒夹具一端与推动机构连接，另一端设置滚柱工具头，滚柱工具头侧部设置用于焊接工件的搅拌头，搅拌头的轴线方向与滚柱工具头的轴线方向相互垂直设置，推动机构带动套筒夹具朝向搅拌头移动，从而通过滚柱工具头与搅拌头接触将超声波能量传向搅拌头。

Ultrasonic energy transverse application device and method based on combination of roller and stirring head

The invention discloses an ultrasonic energy transverse applying device and a method based on the combination of a roller and a stirring head, which solves the problem of time lag in the mechanical interaction between the ultrasonic vibration and the stirring head or the failure of effective coupling between the two in the prior art, improves the plastic flow of the metal in the welding process and realizes the heat of the stirring head. The scheme is as follows: a transverse ultrasonic energy applying device based on the combination of roller and stirring head includes a sleeve clamp, a sleeve clamp connected with an ultrasonic generating mechanism, a sleeve clamp connected with a driving mechanism at one end, and a roller tool head at the other end. A stirring head for welding workpiece is arranged at the side of the roller tool head, and the axis direction of the stirring head and the axis direction of the roller tool head are mutually perpendicular to each other. The mechanism drives the sleeve clamp to move toward the stirring head, thus the ultrasonic energy is transmitted to the stirring head through the contact between the roller tool head and the stirring head.

【技术实现步骤摘要】
一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置及方法
本专利技术涉及搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置及方法。
技术介绍
搅拌摩擦焊接(FrictionStirWelding，简称FSW)是一种固相焊接技术，能够获得常规方法难以焊接的高质量接头，目前多应用于铝合金结构制造领域。常规FSW依靠搅拌头与被焊材料之间的摩擦热和材料塑性变形产热来软化待焊材料，存在焊接速度低、焊接载荷大等问题，对焊机的承载力、焊接夹具的精度及刚性、搅拌头的耐磨性能提出了很高的要求。向FSW过程施加超声能量来辅助焊接的方法，是利用超声振动在无显著加热的情况下降低金属材料的屈服应力和流变应力的特性，改善FSW过程中的材料流动。目前已经有向FSW过程施加超声能量的应用技术，如CN1836820A公开的《超声搅拌焊接方法及其装置》，将轴向的超声振动通过搅拌头直接传入焊接区的塑性金属。但是，该方案中超声变幅杆与搅拌头置于旋转夹具体内，当被焊材料种类或厚度发生变化时，搅拌头的更换不方便；焊接中搅拌头与工件摩擦产生的高温，对与其相连的变幅杆和换能器的工作性能不利；焊接中搅拌头受到的较大轴向压力，会引起超声装置的输出功率大幅衰减。此外，CN102744516A公开的《超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置》，在一定压力下将超声振动工具头抵在搅拌头前方的待焊工件上，将超声能量直接施加于工件。但是，此方案中，超声振动施加在搅拌头前方工件的直接模式，会导致超声软化发生的时刻早于FSW热-力过程，超声工具头和搅拌头对工件的局部作用存在时间滞后，不能实现搅拌头机械作用与超声软化效应的同时耦合，从而无法充分发挥超声振动在改善焊接质量方面的作用。因此，需要对一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置进行新的研究设计。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，本专利技术通过滚柱工具头将超声变幅杆与搅拌头紧密耦合连接，将搅拌头的机械作用和超声的软化效应二者同步，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置的具体方案如下：一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，包括套筒夹具，套筒夹具与超声波发生机构连接，套筒夹具一端与推动机构连接，另一端设置滚柱工具头，滚柱工具头侧部设置用于焊接工件的搅拌头，搅拌头的轴线方向与滚柱工具头的轴线方向相互垂直设置，推动机构带动套筒夹具朝向搅拌头移动，从而通过滚柱工具头与搅拌头接触将超声波能量传向搅拌头，进而传递至焊接区的塑性金属。上述的装置，通过滚柱工具头的设置，能够将超声能量从横向施加于搅拌头，使超声振动经过搅拌头传递至焊接区的塑性金属，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，超声振动作用于焊接区塑性金属，实现了搅拌头的热-力作用与超声软化效应的同步耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。进一步地，所述搅拌头与搅拌摩擦焊机连接，搅拌头为空心搅拌头，空心搅拌头能够减轻自重、提高抗剪切强度、加强超声振动效果。进一步地，所述滚柱工具头为实心滚柱工具头，实心滚柱工具头能够减少变幅杆与搅拌头之间的摩擦，将超声能量有效地耦合到搅拌头，实心滚柱工具头与空心搅拌头配合，能够提高超声能量的耦合效率。进一步地，所述套筒夹具端部设置工具头基座，所述滚柱工具头包括至少一个，滚柱工具头可设置两个，这样可保证超声振动传播的均匀性，且滚柱工具头嵌入工具头基座设置并相对于工具头基座能旋转设置，具体滚柱工具头活动套设于连接杆，连接杆设于工具头基座。进一步地，所述搅拌头包括可拆卸连接的搅拌头上段和搅拌头下段，搅拌头上段与滚柱工具头外部相切，搅拌头下段包括轴肩和搅拌针，搅拌针穿过轴肩设置，搅拌头下段通过螺纹结构与搅拌头上段连接，搅拌头上段为空心圆柱结构，搅拌头上段为中空筒体，中空筒体顶部设置夹持端，夹持端与所述的搅拌摩擦焊机连接，实心滚柱工具头能够与搅拌头上半段侧部接触设置以对搅拌头实现横向方向超声传播。进一步地，所述推动机构为气缸，气缸由固定支架支撑，气缸推杆与所述的套筒夹具连接或接触设置，气缸设于套筒夹具的轴线方向。进一步地，所述套筒夹具顶部通过连接件与滑轨连接，滑轨设于套筒夹具的上方，固定支架为L型，滑轨设于固定支架，固定支架与机架固连。进一步地，所述连接件同样为L型，连接件设于滑轨的两侧，连接件顶部设于滑轨，可在连接件顶部设置滚轮，通过滚轮方便连接件相对于滑轨的移动，底部与所述的套筒夹具固连。进一步地，所述套筒夹具内部设置超声波换能器和与超声波换能器连接的超声波变幅杆，超声波变幅杆端部与所述的滚柱工具头内部相切，超声波换能器与设于套筒夹具外侧的超声波发生器连接。为了克服现有技术的不足，本专利技术还提供了一种降低焊接过程中搅拌头压力和扭矩的方法，采用所述一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，滚柱工具头在推动机构的作用下与搅拌头紧密接触，在搅拌头工作的同时，滚柱工具头向搅拌头施加横向超声振动，同步耦合搅拌头对工件的机械作用和超声对工件的软化效应。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)本专利技术通过推动机构与超声波发生机构的设置，没有直接将超声波施加在搅拌头前方的工件，避免了超声与焊接的时间滞后问题，将超声能量从横向施加于搅拌头，使超声振动经过空心搅拌头传递至焊接区的塑性金属，实现搅拌头的机械作用和超声的软化效应二者同步，具有改善焊缝形貌，焊接接头成形质量改善、晶粒细化，提高接头抗拉强度和伸长率的效果。2)本专利技术通过整体结构的设置，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。3)本专利技术通过实心滚柱的设置，能够减少变幅杆与搅拌头之间的摩擦，将超声能量有效地耦合到搅拌头，实心滚柱工具头与空心搅拌头配合，能够提高超声能量的耦合效率，最终降低了焊接过程中搅拌头的压力和扭矩，促进了焊缝两侧材料的迁移。4)本专利技术通过滑轨的设置，方便套筒夹具的移动，保证超声振动的有效传递。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本专利技术一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置结构图。图2为本专利技术实心滚柱工具头结构图。图3为本专利技术空心搅拌头结构图。其中：1、搅拌头，2、滚柱工具头，3、套筒夹具，4、滑轨，5、气缸，6、气泵，7、超声波发生器，8、搅拌摩擦焊机，9、实心滚柱，10、工具头基座，11、搅拌头上段，12、搅拌头下段，13、固定支架，14、连接件。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，其特征在于，包括套筒夹具，套筒夹具与超声波发生机构连接，套筒夹具一端与推动机构连接，另一端设置滚柱工具头，滚柱工具头侧部设置用于焊接工件的搅拌头，搅拌头的轴线方向与滚柱工具头的轴线方向相互垂直设置，推动机构带动套筒夹具朝向搅拌头移动，从而通过滚柱工具头与搅拌头接触将超声波能量传向搅拌头，进而传递至焊接区的塑性金属。

【技术特征摘要】
1.一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，其特征在于，包括套筒夹具，套筒夹具与超声波发生机构连接，套筒夹具一端与推动机构连接，另一端设置滚柱工具头，滚柱工具头侧部设置用于焊接工件的搅拌头，搅拌头的轴线方向与滚柱工具头的轴线方向相互垂直设置，推动机构带动套筒夹具朝向搅拌头移动，从而通过滚柱工具头与搅拌头接触将超声波能量传向搅拌头，进而传递至焊接区的塑性金属。2.根据权利要求1所述的一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，其特征在于，所述搅拌头与搅拌摩擦焊机连接，搅拌头为空心搅拌头。3.根据权利要求1所述的一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，其特征在于，所述滚柱工具头为实心滚柱工具头。4.根据权利要求1所述的一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，其特征在于，所述套筒夹具端部设置工具头基座，所述滚柱工具头包括至少一个，且滚柱工具头嵌入工具头基座设置并相对于工具头基座能旋转设置。5.根据权利要求2所述的一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，其特征在于，所述搅拌头包括可拆卸连接的搅拌头上段和搅拌头下段，搅拌头上段与滚柱工具头外部相切，搅拌头下段包括轴肩和搅拌针；搅拌头上段为中空筒体，中空筒体顶部设置夹持端，夹持端与所述的...

【专利技术属性】
技术研发人员：武传松，丁伟，萨辰·库玛尔，陈姬，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37