本发明专利技术公开了一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括由同轴嵌套的中心内旋转轴和外旋转空心轴构成的中心旋转轴；中心内旋转轴的顶部设有与旋转联轴器连接的液压缸部件、外旋转空心轴上设有皮带轮；中心内旋转轴的底端连接有摩擦塞棒，摩擦塞棒通过与外旋转空心轴固定的旋转轴肩定位，内外旋转轴之间设有可上下滑动的键联接；外旋转空心轴在带动中心内旋转轴和摩擦塞棒高速旋转的同时，液压缸部件驱动中心内旋转轴沿轴向施加拉伸和压缩载荷，从而实现带轴肩加热的摩擦塞补焊过程。本发明专利技术结构紧凑、操作简便，采用本发明专利技术可以提高拉拔式摩擦塞补焊缝质量与可靠性，可实现10mm厚度以上铝合金板拉拔式摩擦塞补焊过程。
Drawing type friction plug repair welding main shaft head device with rotating shoulder
【技术实现步骤摘要】
带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置
本专利技术属于固相摩擦焊接
，具体涉及一种带有旋转轴肩的拉拔式摩擦塞补焊工艺的主轴头装置。
技术介绍
摩擦塞补焊(FrictionTaperPlugWelding-FTPW)工艺是英国焊接研究所(TWI)于1995年基于摩擦焊原理提出的一种焊接修复技术，主要用于铝合金焊缝缺陷的修复补焊。与传统的熔焊工艺比较，由于FTPW过程中基体和塞棒母材不会发生熔化、能有效地避免传统熔焊工艺中的气孔、夹渣及裂纹等各种冶金凝固缺陷；所形成的焊缝组织细小致密具有优异的力学性能；且焊缝区残余应力变形低、焊接过程效率高并易于实现自动控制等特点，因而在铝合金结构焊缝缺陷修复中受到工业领域普遍关注。摩擦塞补焊工艺首先在美国洛克希德·马丁公司的航天飞机外贮箱箱底焊接缺陷修复补焊中获得成功应用，后续许多试验表明：FTPW工艺可修复铝合金各种焊接缺陷如点状缺陷、线状缺陷或熔焊工艺缺陷、搅拌摩擦焊凹孔缺陷等，在航空航天铝合金结构补焊修复领域具有广泛应用前景。摩擦塞补焊工艺过程中主要是采用一种高速旋转的可消耗的摩擦塞棒，在轴向顶锻压力或拉力的作用下，快速挤压进入预制好的基板母材塞孔中，由于旋转塞棒与塞孔侧壁相互摩擦挤压作用产生剧烈摩擦热，使得摩擦接触界面两侧铝合金达到热塑性状态，在轴向顶锻压力或拉力的作用下实现摩擦塞棒与塞孔侧壁的冶金连接。根据对摩擦塞棒所施加的轴向顶锻压力或拉力的不同，摩擦塞补焊工艺过程具体可分为：顶锻式摩擦塞补焊和拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。这两种焊接工艺的本质区别在于：顶锻式摩擦塞补焊工艺需要在塞孔背面事先安装刚性支撑夹具、以抵消焊接过程中的轴向顶锻压力才能实现摩擦塞补焊过程；而拉拔式摩擦塞补焊工艺不需要背面刚性支撑夹具就可以实现补焊过程。由此可见，拉拔式摩擦塞补焊工艺在大直径在运载火箭贮箱焊缝修复中具有明显优势，它不需要固定安装复杂繁琐的背面刚性支撑夹具，就可以实现封闭贮箱结构的焊缝缺陷修复补焊过程，从而有效降低大直径铝合金贮箱结构制造成本。为了实现拉拔式摩擦塞补焊工艺过程，必须研制开发能驱动摩擦塞棒高速旋转并同时实现施加轴向拉拔力的主轴头装置，这是制造拉拔式摩擦塞补焊设备的关键所在。但目前实现拉拔式摩擦塞焊工艺的主轴头装置存在以下问题：(1)目前的主轴头装置只驱动拉拔式摩擦塞棒高速旋转，塞焊缝根部没有摩擦热源作用，因而导致摩擦热沿焊接板厚度方向不均匀分布，这使得摩擦塞焊缝根部很容易产生未连接缺陷；尤其是对厚度10mm以上铝合金板的塞补焊无法消除塞焊缝根部缺陷，从而很难保证拉拔式摩擦塞补焊缝质量与可靠性。(2)目前的拉拔式摩擦塞补焊过程只采用摩擦塞棒产生摩擦热源，为了获得更好的摩擦界面加热效果，必须采用很高旋转速度及大轴向拉拔力工艺参数，但高转速和大轴向拉力下将导致摩擦热集中于摩擦塞棒区域，使得摩擦塞棒区材料发生软化强度降低、这将导致摩擦塞棒施加的摩擦旋转扭矩降低，从而使得塞棒与塞孔摩擦界面容易产生弱连接缺陷降低连接界面强度，其结果导致拉拔式摩擦塞焊接头整体力学性能降低；在某些情况下将使摩擦塞棒发生断裂，其结果导致摩擦塞补焊工艺失败。此外，目前拉拔式摩擦塞棒与旋转轴之间缺乏快速方便转接夹头，这使得拉拔式摩擦塞补焊工艺过程操作复杂并降低焊接加工效率。
技术实现思路
针对上述现有技术，本专利技术提出一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，该主轴头装置带有非消耗旋转轴肩，可实现旋转轴肩与摩擦塞棒对塞焊缝的同时摩擦加热作用，使得摩擦热源沿板厚度均匀分布，从而有效消除拉拔式摩擦塞焊缝根部缺陷、提高塞棒和塞孔摩擦界面的连接强度，并改善和提高拉拔式摩擦塞补焊接头的整体力学性能。此外采用非消耗旋转轴肩的摩擦热源，可获得更高摩擦热输入并使得塞孔附近母材整体软化，这样可以降低摩擦塞棒所需要的旋转速度和拉拔轴向力，提高摩擦塞棒施加的摩擦旋转扭矩，从而获得更好的摩擦界面连接性能、并能实现厚度10mm以上铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊工艺过程，为拉拔式摩擦塞补焊工艺的广泛应用提供关键设备基础。为了解决上述技术问题，克服目前拉拔式摩擦塞补焊技术的上述局限性，本专利技术提出的一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括中心旋转轴，所述中心旋转轴由同轴嵌套的中心内旋转轴和外旋转空心轴构成；所述中心内旋转轴的顶部设有与旋转联轴器连接的液压缸活塞部件；所述液压缸缸活塞部件包括后置液压缸体、液压缸顶盖和与液压缸活塞杆连接的液压缸内活塞，所述液压缸活塞杆与所述旋转联轴器配合；所述旋转联轴器通过旋转联轴器轴承部件与所述中心内旋转轴转动连接；所述外旋转空心轴上设有皮带轮和外层固定套筒；所述中心内旋转轴的底端连接有摩擦塞棒，所述摩擦塞棒通过与所述外旋转空心轴固定的旋转轴肩定位；所述外旋转空心轴设有轴向键槽，所述中心内旋转轴设有与所述轴向键槽配合的轴向键；所述皮带轮带动外旋转空心轴，所述外旋转空心轴在带动摩擦塞棒高速旋转的同时，所述液压缸体活塞杆驱动所述中心内旋转轴沿轴向移动，并施加拉伸和压力载荷，从而控制摩擦塞棒的工况。进一步讲，本专利技术所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其中，所述旋转轴肩采用螺栓固定连接在所述外旋转空心轴的底端。所述旋转轴肩与安装摩擦塞棒的中心内旋转轴具有相同旋转速度。所述皮带轮带动外旋转空心轴的转速为1000-6000rpm。所述旋转轴肩底部外直径为20-40mm。所述轴向键与所述轴向键槽的相对移动距离为±10mm。所述摩擦塞棒中部直径小于20mm，所述摩擦塞棒的长度由不同厚度铝合金板确定，以实现4-20mm厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊过程。本专利技术提出的主轴头装置是一种实现拉拔式摩擦塞补焊设备的关键机构系统。采用本专利技术主轴头装置研制开发的拉拔式摩擦塞补焊设备，与目前已有的摩擦塞补焊设备比较具有以下有益效果：(1)目前实现拉拔式摩擦塞补焊的主轴头机构只是驱动摩擦塞棒高速旋转，塞焊缝根部没有摩擦热源作用，因而导致摩擦热沿焊接板厚度方向明显不均匀分布，这使得摩擦塞焊缝根部很容易产生未连接缺陷。本专利技术采用非消耗旋转轴肩和摩擦塞棒同时摩擦加热塞棒和塞孔周围母材，这使得沿板厚度方向摩擦加热均匀分布，从而有效消除拉拔式摩擦塞焊缝根部缺陷、提高塞棒和塞孔摩擦界面的连接强度，并改善和提高拉拔式摩擦塞补焊接头的整体力学性能。(2)目前实现拉拔式摩擦塞补焊的主轴头机构只是驱动摩擦塞棒产生摩擦热，而塞孔母材只能被动受到塞棒摩擦热传导作用，因而需要对塞棒施加更大转速及轴向力以产生足够摩擦热源，这将使得摩擦塞棒区发生明显软化并导致材料强度降低，在承受大轴向拉力作用使得摩擦塞棒容易发生断裂，导致摩擦塞焊工艺过程失败。本专利技术采用非消耗轴肩主动摩擦加热塞孔周围母材，使得母材被加热软化降低摩擦塞棒承受的轴向拉拔力，有效改善摩擦塞焊工艺过程并提高塞焊工艺成功率。(3)目前的摩擦塞补焊铝合金板厚在4-10mm范围，当板厚超过10mm以上无法保证塞焊缝根部的焊接质量。而本专利技术的主轴头装置由于旋转轴肩对塞孔母材的摩擦加热作用，有效拓宽了摩擦塞补本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括中心旋转轴，所述中心旋转轴由同轴嵌套的中心内旋转轴(15)和外旋转空心轴(10)构成；其特征在于，/n所述中心内旋转轴(15)的顶部设有与旋转联轴器(4)连接的液压缸活塞部件；所述液压缸缸活塞部件包括后置液压缸体(2)、液压缸顶盖(1)和与液压缸活塞杆(3)连接的液压缸内活塞(13)，所述液压缸活塞杆(3)与所述旋转联轴器(4)配合；所述旋转联轴器(4)通过旋转联轴器轴承部件与所述中心内旋转轴(15)转动连接；/n所述外旋转空心轴(10)上设有皮带轮(7)和外层固定套筒(8)；/n所述中心内旋转轴(15)的底端连接有摩擦塞棒(12)，所述摩擦塞棒(12)通过与所述外旋转空心轴(10)固定的旋转轴肩(11)定位；/n所述外旋转空心轴(10)设有轴向键槽(20)，所述中心内旋转轴(15)设有与所述轴向键槽(20)配合的轴向键(19)；/n所述皮带轮(7)带动外旋转空心轴(10)，所述外旋转空心轴(10)在带动摩擦塞棒(12)高速旋转的同时，所述液压缸体活塞杆(3)驱动所述中心内旋转轴(15)沿轴向移动，并施加拉伸和压力载荷，从而控制摩擦塞棒(12)的工况。/n...
【技术特征摘要】
1.一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括中心旋转轴，所述中心旋转轴由同轴嵌套的中心内旋转轴(15)和外旋转空心轴(10)构成；其特征在于，
所述中心内旋转轴(15)的顶部设有与旋转联轴器(4)连接的液压缸活塞部件；所述液压缸缸活塞部件包括后置液压缸体(2)、液压缸顶盖(1)和与液压缸活塞杆(3)连接的液压缸内活塞(13)，所述液压缸活塞杆(3)与所述旋转联轴器(4)配合；所述旋转联轴器(4)通过旋转联轴器轴承部件与所述中心内旋转轴(15)转动连接；
所述外旋转空心轴(10)上设有皮带轮(7)和外层固定套筒(8)；
所述中心内旋转轴(15)的底端连接有摩擦塞棒(12)，所述摩擦塞棒(12)通过与所述外旋转空心轴(10)固定的旋转轴肩(11)定位；
所述外旋转空心轴(10)设有轴向键槽(20)，所述中心内旋转轴(15)设有与所述轴向键槽(20)配合的轴向键(19)；
所述皮带轮(7)带动外旋转空心轴(10)，所述外旋转空心轴(10)在带动摩擦塞棒(12)高速旋转的同时，所述液压缸体活塞杆(3)驱动所述中心内旋转轴(15)沿轴向移动，并施加拉伸和压力载荷，从而控制摩擦塞棒(12)的工况。
【专利技术属性】
技术研发人员：孙转平，杨新岐，秦红珊，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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