一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置及焊接方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，属于焊接领域，旨在同时实现2层板材及以上的结构同时双面焊接。该焊接装置包括整体式单轴肩‑搅拌针焊接单元：其为搅拌头，包括搅拌针(20)和搅拌针(20)上端固定的上轴肩(1)；多级双轴肩焊接单元：具有不少于1个中间轴肩(3)；下轴肩(5)；压力支撑单元；以及下驱动机构。本发明专利技术利用浮动中间轴肩同时实现多层板材的双轴肩焊接，且利用外部驱动源扭矩实现了下部的焊接方向驱动，与上部搅拌头一起构成双侧驱动，避免了搅拌头长度增加、焊接板材数量增加带来的偏扭过大问题，可以实现长距离多层薄板的同时焊接。

A multi-stage floating double drive friction stir welding device and its welding method

【技术实现步骤摘要】
一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
本专利技术属于焊接领域，涉及一种焊接装置，具体涉及一种能够同时实现多层平行板材，特别是板材之间间距较小的多层平行板材焊接的搅拌摩擦焊装置及焊接方法。
技术介绍
在铝合金加工领域，铝型材被广泛采用。其中挤压多层中空带筋型材由于具有轻质、高刚度特征，被广泛用于汽车、轨道车辆、船舶等领域，典型的如双层挤压中空型材，单层板材壁厚2mm左右，上下板间距20mm左右。基于材料应用的广泛性，对该类结构材料的高可靠焊接制造技术提出了迫切需求。对于该类结构的焊接，传统的电弧熔化焊接方式仅仅能够实施双层结构的焊接，而弧焊方式存在接头强度系数低、焊接变形量大等问题；对于双层结构以上的结构由于中间层结构限制焊枪可达性，则无法焊接。搅拌摩擦焊技术具有固态连接的特点，焊接过程材料不熔化，在接头强度、变形与残余应力、效率等方面具有显著优势。但传统的搅拌摩擦焊技术难以实现此类结构的焊接，特别是2层以上平行板材的同时焊接这是由于传统搅拌摩擦焊必须实施接头背面刚性支撑，以平衡焊接顶锻力，而该类结构具有深窄空腔的特征，无法实施在深窄空腔内部进行工装支撑；传统的双轴肩焊接可以实现单层板的背部自支撑焊接，但其仅仅能够实施单块板材的焊接，无法实现多层板同时焊接，这种焊接方式对于三层及以上结构同样无法实施焊接；此外，单块板材焊接也存在效率不高、制造成本及周期过大等问题。为解决类似该类结构的搅拌摩擦焊实现难题，本领域人员提出了一种用于同时对部件间的多平行壁进行搅拌摩擦焊的多轴肩固定线轴式搅拌头及焊接方法，该搅拌头是通过在一个固定杆上同时安装多个轴肩来适应多层板材的同时焊接，类似于多个固定双轴肩的焊接装置和方法。该方法可以解决多层板材之间间距较大的中空箱式构件焊接，但对于板间距离较小，无法采用传统双轴肩焊接的情况并不适用；此外，该方法采用固定轴肩，在轴向方向上难以根据板材情况进行适应性的下压量和顶锻力调控，焊接适应性不足；另外，对于长距离板材的焊接，焊接装备无法通过工件移动来进行焊接的情况，该方法无法实现。对于在传统双轴肩焊接的基础上增加中间轴肩的焊接方式，则存在由于搅拌针长度增加，而下部自由，会导致偏扭过大引起搅拌针断裂或者焊接卡滞的情况。因而，有必要提供一种新型搅拌摩擦焊接装置及其焊接方法，解决板材之间间距较小的多层平行板材焊接时多级轴肩或双轴肩搅拌摩擦焊的至少一个相关技术问题，如焊接适应性不足、搅拌针断裂或者焊接卡滞等。
技术实现思路
针对传统双轴肩搅拌摩擦焊技术及多级轴肩搅拌摩擦焊技术的上述不足，本专利技术人进行了锐意研究，提出了一种针对深窄空腔间隙的多层平行板的高可靠焊接装置和焊接方法，该焊接装置和焊接方法具有整体式搅拌头焊接、浮动式双轴肩焊接的优势，并采用了同一驱动源上下同时驱动的方式，解决了多层小间隙中空铝型材的焊接难题，从而完成本专利技术。本专利技术的目的在于提供以下技术方案：第一方面，提供一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置，其中，该焊接装置包括：整体式单轴肩-搅拌针焊接单元：其为搅拌头，包括搅拌针和搅拌针上端固定的上轴肩，搅拌针的长度覆盖所需焊接的多层板材厚度，并与下轴肩和下驱动机构连接；上轴肩与搅拌针为同轴一体式结构，上轴肩上端与外部驱动源连接，由外部驱动源提供扭矩带动搅拌头旋转，并能根据焊接需要在焊接针轴向方向进行上下移动；多级双轴肩焊接单元：具有不少于1个的中间轴肩，其固定在搅拌针上且与上轴肩同轴；中间轴肩的上下端面均为工作面，中间轴肩上端面与上一层轴肩下端面构成一对双轴肩进行焊接；中间轴肩下端面与下一层轴肩上端面构成一对双轴肩进行焊接；下轴肩，其固定在搅拌针上且与上轴肩和中间轴肩同轴；其与最下层的中间轴肩的下端面配合，进行焊接，该下轴肩在搅拌针轴向方向上固定不动；压力支撑单元：其固定在下轴肩下部，在搅拌针轴向方向上固定不动，为平衡搅拌头轴向下压力提供支撑；下驱动机构，包括减速单元、以及相配合的齿条和圆柱齿轮，减速单元两端分别连接搅拌针和圆柱齿轮，通过圆柱齿轮的转动带动减速单元及其连接的焊接结构沿齿条移动，齿条的长度方向与焊接方向一致。进一步地，该减速单元包括：涡轮蜗杆传动部、传动轴I、轴承、锥齿轮传动部、传动轴II、齿条以及圆柱齿轮；涡轮蜗杆传动部中蜗杆上端通过联轴器与搅拌针的下端连接，传动轴I与蜗杆垂直，涡轮固定在传动轴I上，涡轮蜗杆传动部将搅拌针的旋转运动传递到传动轴I，锥齿轮传动部中两锥齿轮分别固定在传动轴I上和传动轴II顶端，传动轴I和传动轴II垂直，传动轴I通过锥齿轮传动部将旋转运动传递到传动轴II，传动轴II带动固定在其下方的圆柱齿轮旋转，圆柱齿轮通过与其配合且长度方向为焊接方向的齿条将旋转运动转换为焊接方向的直线作用。第二方面，提供一种搅拌摩擦焊接焊接方法，采用上述所述的多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置，该焊接方法中焊接装置运动而中空板材静止，包括如下步骤：装配对应于中空板材间距和中空板材数量的中间轴肩；搅拌头上部由外部驱动源提供焊接前进力，下部由搅拌针提供扭矩转化为下驱动机构的焊接前进驱动力。第三方面，提供一种搅拌摩擦焊接焊接方法，采用上述所述的多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置，该焊接方法包括如下步骤：该焊接方法中焊接装置静止而中空板材运动，包括如下步骤：装配对应于中空板材间距和中空板材数量的中间轴肩；搅拌针下部与联轴器断开，下部减速单元不工作，推力轴承锁紧，此时中空板材运动提供焊接速度，而搅拌头保持旋转实施多级轴肩多层板材同时焊接。本专利技术提供的一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置及焊接方法，带来了有益的技术效果：(1)本专利技术采用了浮动式多级轴肩与下部推力轴承的联合工作方式，可以通过简单的上轴肩压紧控制来实现对被焊的多层板材同时压紧的作用，解决了传统的固定式双轴肩对焊接壁厚适用性不足、焊接质量一致性不高等问题；(2)本专利技术采用了双面同时工作的中间轴肩设计，该设计使用一个轴肩实体，可同时实现上下两个端面的轴肩作用，两个端面同时旋转产热，并承担了压紧力的传递，这解决了传统双轴肩焊接时由于下轴肩及装卡装置体积过大而无法伸入间隙较小的板件间距的问题；(3)本专利技术采用了双驱动的方式，解决了传统单驱动焊接搅拌针容易因受力苛刻而断裂失效的问题以及焊接过程质量难以保证的问题。本专利技术可解决多层薄壁小间隙中空板材的同时焊接需求，并降低了搅拌摩擦焊对设备的要求，提高了焊接过程可靠性，具有重要的工程应用价值；(4)本专利技术采用浮动式多级轴肩和双驱动的方式，具有传统单轴肩焊接、双轴肩焊接的优点，能够适应多层薄壁中空板材，特别是中空间距小、焊接长度大的多层板材焊接情况，不会显著增加焊接装备的复杂性和操作的复杂度，具有更好的工程适应性。附图说明图1示出本专利技术一种优选实施方式中多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置整体示意图；图2示出本专利技术一种优选实施方式中下驱动机构结构示意图；图3示出本专利技术一种优本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，该焊接装置包括：/n整体式单轴肩-搅拌针焊接单元：其为搅拌头，包括搅拌针(20)和搅拌针(20)上端固定的上轴肩(1)，搅拌针(20)的长度覆盖所需焊接的多层板材厚度，并与下轴肩(5)和下驱动机构连接；上轴肩(1)与搅拌针(20)为同轴一体式结构，上轴肩上端与外部驱动源连接，由外部驱动源提供扭矩带动搅拌头旋转，并能根据焊接需要在焊接针轴向方向进行上下移动；/n多级双轴肩焊接单元：具有不少于1个的中间轴肩(3)，其固定在搅拌针(20)上且与上轴肩(1)同轴；中间轴肩(3)的上下端面均为工作面，中间轴肩上端面(17)与上一层轴肩下端面构成一对双轴肩进行焊接；中间轴肩下端面(18)与下一层轴肩上端面构成一对双轴肩进行焊接；/n下轴肩(5)，其固定在搅拌针(20)上且与上轴肩(1)和中间轴肩(3)同轴；其与最下层的中间轴肩(3)的下端面配合，进行焊接，该下轴肩(5)在搅拌针轴向方向上固定不动；/n压力支撑单元：其固定在下轴肩(5)下部，在搅拌针轴向方向上固定不动，为平衡搅拌头轴向下压力提供支撑；/n下驱动机构：包括减速单元(11)、以及相配合的齿条(13)和圆柱齿轮(14)，减速单元(11)两端分别连接搅拌针(20)和圆柱齿轮(14)，通过圆柱齿轮(14)的转动带动减速单元(11)及其连接的焊接结构沿齿条(13)移动，齿条(13)的长度方向与焊接方向一致。/n...

【技术特征摘要】
1.一种多级浮动式轴肩双驱动搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，该焊接装置包括：
整体式单轴肩-搅拌针焊接单元：其为搅拌头，包括搅拌针(20)和搅拌针(20)上端固定的上轴肩(1)，搅拌针(20)的长度覆盖所需焊接的多层板材厚度，并与下轴肩(5)和下驱动机构连接；上轴肩(1)与搅拌针(20)为同轴一体式结构，上轴肩上端与外部驱动源连接，由外部驱动源提供扭矩带动搅拌头旋转，并能根据焊接需要在焊接针轴向方向进行上下移动；
多级双轴肩焊接单元：具有不少于1个的中间轴肩(3)，其固定在搅拌针(20)上且与上轴肩(1)同轴；中间轴肩(3)的上下端面均为工作面，中间轴肩上端面(17)与上一层轴肩下端面构成一对双轴肩进行焊接；中间轴肩下端面(18)与下一层轴肩上端面构成一对双轴肩进行焊接；
下轴肩(5)，其固定在搅拌针(20)上且与上轴肩(1)和中间轴肩(3)同轴；其与最下层的中间轴肩(3)的下端面配合，进行焊接，该下轴肩(5)在搅拌针轴向方向上固定不动；
压力支撑单元：其固定在下轴肩(5)下部，在搅拌针轴向方向上固定不动，为平衡搅拌头轴向下压力提供支撑；
下驱动机构：包括减速单元(11)、以及相配合的齿条(13)和圆柱齿轮(14)，减速单元(11)两端分别连接搅拌针(20)和圆柱齿轮(14)，通过圆柱齿轮(14)的转动带动减速单元(11)及其连接的焊接结构沿齿条(13)移动，齿条(13)的长度方向与焊接方向一致。


2.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，搅拌针(20)与板材接触部位周向设有螺纹，并在轴向方向切出三棱面或其他平面部分；
轴肩端面内均设有螺纹内凹陷花纹。


3.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，中间轴肩(3)的厚度与待焊接的多层板材中上下板材之间的间距相关联，中间轴肩(3)的厚度略小于其对应的上下板材之间的间距；
中间轴肩(3)的数量根据被焊接板材的层数进行调整，中间轴肩(3)的数量为N-1，其中N为被焊接板材的层数。


4.根据权利要求1所述的焊接装置，其特征在于，中间轴肩(3)通过键槽结构I(4)固定在搅拌针(20)上，下轴肩(5)通过键槽结构II(6)固定在搅拌针(20)上，键槽结构I(4)和键槽结构II(6)分别为中间轴肩(3)及下轴肩(5)提供扭矩。


5.根据权利要求4所述的焊接装置，其特征在于，搅拌针(20)上加工有键体或通过开设凹槽固定有键体，中间轴肩(3)和...

【专利技术属性】
技术研发人员：封小松，董吉义，曹晓，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31