接合装置制造方法

接合装置制造方法
【专利摘要】本实用新型公开一种接合装置。接合装置包括安装有旋转主轴的机架、设于旋转主轴的挤压杆、固定于挤压杆的挤压针、固定的挤压模靴、安装于挤压针的挤压托轮、连接于挤压针的锁紧螺母及挤压托环。挤压针与挤压杆底端部形成表面凹凸不平的涡旋挤压部；挤压模靴间隙套装于挤压杆下部，其底部前面向本体内方向凹进形成入料槽及焊合腔，焊合腔外侧设有工作带，入料槽两侧分别设有密封吻合面，密封吻合面、工作带的曲率与待接合物上表面的曲率一致；挤压托环的底壁可滑动间隙套装于挤压托轮的凸缘外，底壁具有与待接合物下表面的曲率一致的配合面。本实用新型能保证接合缝的厚度和曲率与管材基体一致的接合装置。
【专利说明】接合装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种用于铝、镁、钛等有色金属及其合金以及不锈钢等钢铁材料自身的接合装置，尤其涉及接合具有热塑性工件的等曲率表面的接合装置。
【背景技术】
[0002]管材广泛应用于电气、石化、空分以及其他诸多领域，管材的制造中很多是将板材卷成直缝或螺旋缝的管坯，然后将直缝或螺旋缝焊接起来制成管材。所以先进的焊接技术直接关系到管材的生广效率和品质。
[0003]英国Babcock线材设备公司CONFORM连续挤压技术是利用旋转的挤压轮上的沟槽通过摩擦力将铝杆连续不断地带入挤压靴，通过工具间的摩擦，特别是铝杆塑性变形的内摩擦产生的变形热，使温度升高，从而使金属软化，变得易于被挤压，更易于重新完全粘结融合。当软化的金属被推挤进入模具后，在模具的焊合腔内重新焊合，经模孔工作带被挤出，形成了各种直径的管材和不同形状的型材。
[0004]1990年英国TWI公司开发的搅拌摩擦焊接技术，特别是双轴肩搅拌摩擦焊接技术在近几年得到了广泛应用，其原理也是利用旋转的轴肩和搅拌针对工件基体搅拌产生的热量，提升金属温度达到软化和融合的目的，实现了无焊料焊接工件的过程。
[0005]以上两种技术虽然克服了熔焊方法容易产生裂纹和气孔以及焊接后材料性能差等焊接缺陷问题，但均存在各自的弊端，如搅拌摩擦焊焊缝区域略薄于基体，当焊缝在曲面上，由于曲率的存在使焊接后厚度损失更多，即使在焊缝处先给予厚度补偿，但焊缝总是平直的，还是无法得到相同的曲率曲面，也无法直接去除多余的补偿金属。
[0006]在所述【背景技术】部分公开的上述信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
实用新型内容
[0007]本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能保证接合缝的厚度和曲率与管材基体一致的接合装置。
[0008]本实用新型的额外方面和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地将从描述中变得显然，或者可以通过本实用新型的实践而习得。
[0009]根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供一种接合装置，用于接合待接合物上的接合面，其中所述待接合物沿着所述接合面连续设有增厚凸出部。其中所述接合装置包括:机架、挤压杆、挤压针、挤压模靴、挤压托轮和锁紧螺母。机架上安装有旋转主轴；挤压杆设于所述旋转主轴，能随所述旋转主轴的转动而转动；挤压针固定设于所述挤压杆底端部，所述挤压针上设有托轮安装部和螺纹部，其横截面小于所述挤压杆的横截面，其外周与所述挤压杆底端部形成表面凹凸不平的涡旋挤压部；挤压模靴包括本体，所述本体通过中央通孔间隙套装于所述挤压杆下部，所述本体底部前面向所述本体内方向凹进形成入料槽，本体底部后面向所述本体内方向凹进形成焊合腔，所述焊合腔外侧设有工作带，入料槽两侧分别设有密封吻合面，所述密封吻合面以及工作带的曲率与所述待接合物上表面的曲率一致；挤压托轮具有中央通孔，并通过该中央通孔可滑动地间隙套装于所述挤压针的托轮安装部，并随所述挤压针的转动而转动，所述挤压托轮上端部设有凸缘；挤压托环具有带中央通孔的底壁，所述底壁可滑动间隙套装于所述挤压托轮的凸缘外，底壁具有与所述待接合物下表面的曲率一致的配合面；锁紧螺母配合于所述挤压针的螺纹部。
[0010]挤压杆端面的推动面、挤压针外面、挤压托轮顶面、挤压托环顶端面以及待结合物不发生流动变形的界面包围成了一个周向密闭的通道。被接合材料在挤压杆端面的推动面、挤压针外面、挤压托轮齿面高速转动的推动下，随着挤压针在这个通道内产生总体向后的涡旋的流动，连同具有增厚凸出部一并旋转并被不断推入焊合腔。
[0011]通过入料槽进入的具有增厚凸出部材料被连续推入焊合腔内，提供接合过程的材料补充，也增加焊合腔内的压力，达到完全融合的条件。
[0012]挤压靴模的密封吻合面以及工作带与待接合物的外表面或上表面曲率一致，以确保得到与待接合物形状基体一致的表面。
[0013]挤压靴模不随挤压杆旋转，从而待接合物材料通过工作带后表面光滑，不会形成洋葱状纹路。
[0014]挤压托环不随挤压杆旋转，从而待接合物材料流出挤压托环控制区域后表面光滑，不会形成洋葱状纹路。
[0015]挤压托环的和待接合物接触的端面与待接合物的内表面或下表面曲率一致，以确保得到与待接合物形状基体一致的表面。
[0016]本实用新型的配合结构具有足够的强度以确保能够提供足够的变形能，达到软化材料，融接材料的目地。
[0017]根据本实用新型的一实施方式，所述涡旋挤压部包括均匀或不均匀分布的至少一个切向推动斜面或至少一个切向倾斜推动曲面，或者同时相互间隔设置至少一个切向推动斜面和至少一个切向倾斜推动曲面。
[0018]旋转的切向推动斜面和切向倾斜推动曲面以及挤压针和挤压托轮顶面可以为被接合材料的变形提供足够的变形动力，连续搅动材料，使材料升温并软化。
[0019]根据本实用新型的一实施方式，所述切向推动斜面和切向倾斜推动曲面均相对于所述挤压杆的中轴线倾斜设置。
[0020]根据本实用新型的一实施方式，所述挤压托轮的凸缘顶端部设有搅拌齿。
[0021]根据本实用新型的一实施方式，所述挤压模靴的中央通孔壁上设有润滑剂槽；和/或所述挤压托轮上设有润滑剂槽。
[0022]根据本实用新型的一实施方式，所述挤压模靴的本体后面设有连通于所述焊合腔的溢流孔道。
[0023]根据本实用新型的一实施方式，所述挤压针与所述挤压杆为一体结构。
[0024]根据本实用新型的一实施方式，所述挤压针与所述挤压杆为分体结构，二者通过螺纹连接，或者通过盈配合连接。
[0025]根据本实用新型的一实施方式，所述挤压针的中轴线与所述挤压杆的中轴线重合或者不重合。
[0026]根据本实用新型的一实施方式，所述接合装置包括用于冷却所述挤压模靴的本体后端部以及加工完成的接合区域的冷却装置。冷却装置的存在可以大幅度的改变接合的速度，并使得接合区域材料的组织和性能发生改变。
[0027]由上述技术方案可知，本实用新型的优点和积极效果在于:本实用新型接合装置包括能贴合于待接合物如管坯表面的挤压模靴，能高速旋转的挤压杆、挤压针和挤压托轮，设于挤压托轮上的挤压托环以及连接于挤压针的锁紧螺母。工作过程中，待接合物的待接合部位置于挤压杆底端部的涡旋挤压部与挤压托轮之间，涡旋挤压部能嵌入到待接合物内部，在涡旋挤压部的高速旋转搅动作用下，待接合区域的材料因变形产生剧烈内摩擦而升温，其温度可达到并保持在热塑性加工温度范围，软化的材料塑性流动，被送入到挤压模靴底部的焊合腔内，重新粘连融合形成一体。随着本实用新型接合装置沿着待接合面移动或待接合物相对于接合装置的移动，最终形成与基体材料成份相同的连接牢固的接合缝。
[0028]进一步地，本实用新型中，挤压模靴的底部前面设有待接合物的增厚凸出部通过的入料槽，因此能顺利导入增厚凸出部作为补充材料并将之送入变形区，降低了由于塑性变形时产生的物料损失继而导致接合缝变薄的风险，这不但使接合缝美观，而且还有利于进一步提升接合区强度和塑性。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]通过参照附图详细描述其示例实施方式，本实用新型的上述和其它特征及优点将变得更加明显。
[0030]图1示出本实用新型接合装置实施方式的剖视结构示意图；
[0031]图2A示出中沿A-A线所取的剖视图；
[0032]图2B示出图1的接合装置中定向螺钉、固定螺栓与挤压模靴之间关系的示意图；
[0033]图3A示出本实用新型接合装置实施方式中挤压针与挤压杆连接方式的结构示意图；
[0034]图3B示出图3A的左视图；
[0035]图4A示出本实用新型接合装置实施方式中适用于螺旋接合缝的挤压模靴的结构示意图；
[0036]图4B示出图4A中沿E-E线所取的剖视图；
[0037]图5A示出本实用新型接合装置实施方式中的挤压模靴的结构示意图；
[0038]图5B示出图5A中沿B-B线所取的剖视图，表示用于直线形接合缝的情况；
[0039]图5C示出图5A中沿D-D线所取的剖视图，表示用于直线形接合缝的情况；
[0040]图示出图5A中沿B-B线所取的剖视图，表示用于环形接合缝的情况；
[0041]图5E示出图5A中沿D-D线所取的剖视图，表示用于环形接合缝的情况；
[0042]图6A示出本实用新型接合装置实施方式中冷却装置的结构示意图；
[0043]图6B示出图6A中沿C-C线所取的剖视图；
[0044]图7示出图6A所示冷却装置中的冷却板的结构示意图；
[0045]图8示出待接合物及其接合面的剖面图。
【具体实施方式】
[0046]现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
[0047]本实用新型接合装置可适用于任何形状接合面的接合，例如用于接合两块金属平板的搭接、扣接或对接，或者由铝板卷曲形成的铝坯的环形、直线形接合缝或螺旋形接合
絡坐坐
[0048]参见图1和图2A。本实用新型接合装置实施方式，用于接合待接合物100沿着待接合面设有连续增厚凸出部200，其可以与待接合物100 —体结构，也可以是与连接到待接合物100相同材质的独立结构。
[0049]接合装置实施方式包括机架、挤压杆2、挤压针3、挤压模靴4、挤压托轮5、挤压托环6和锁紧螺母30。
[0050]机架可以是各种结构形式，机架上安装有旋转主轴1，其可在一驱动装置(图中未示出)驱动下可高速旋转。机架上安装有起压紧作用的端盖10，并在旋转主轴I的位置设一安装孔。
[0051]挤压杆2被固定于旋转主轴I下端部，能随旋转主轴I的转动而转动，并能够伸出端盖10。
[0052]挤压针3设于挤压杆2底端部，并能随挤压杆2的转动而转动。挤压针3的中轴线与挤压杆2的中轴线可以重合也可以不重合。挤压针3上设有托轮安装部32和螺纹部31。
[0053]挤压针3的横截面小于挤压杆2的横截面，挤压针3外周与挤压杆2底端部的切向倾斜推动曲面22和切向推动斜面21形成了推动材料流动的涡旋挤压部。挤压针3工作部位(即位于挤压托轮5的凸缘51与挤压杆2底端部之间的部分)的截面可能是规则的型面如四方形、三角形或圆形等，也可以是不规则的型面，其侧壁可以光滑的，也可以是带有螺纹槽或螺旋沟槽，可增加摩擦面积。
[0054]如图3A和图3B所示，挤压针3与挤压杆2为一体结构。涡旋挤压部包括至少一个(例如4个)切向推动斜面21和至少一个(例如4个)切向倾斜推动曲面22。切向倾斜推动曲面22的横截面呈弧形，挤压针3根部与挤压杆2的连接为圆滑过渡连接，以减小挤压针3根部的应力集中。
[0055]挤压杆2的端面形状不限于以上所述，凡能通过旋转来推动变形区域的物料产生流动并升温的具有足够强度的结构都是可以的。
[0056]挤压针3和挤压杆2的连接方式也不限于以上所述，只要能使二者牢固连接并能使挤压针3随挤压杆2转动的任何其它连接方式也是可行的。
[0057]参见图1、图2B和图4A。本实用新型接合装置实施方式中，挤压模靴4本体上部结构48用于与端盖10上的安装孔配合，端盖10侧壁设有4个螺钉孔40(见图1、图2B)，4个定向螺钉(图中未示出)分别通过4个螺钉孔40顶于上部结构48两侧面上，微量调整入料槽方向。4个固定螺栓20通过端盖10上丝孔顶于挤压模靴本体面上进行顶紧。使密封吻合面44与待接合物完全吻合固定。本体中央通孔41间隙套装于挤压杆2下部，允许挤压杆2在中央通孔41转动，但不允许流动的材料挤入的配合。中央通孔41壁上设有润滑剂槽49。[0058]本体底部后面向本体内方向凹进形成焊合腔43，焊合腔43相对于接合面的中心线也可以为对称结构或者有利于控制材料流动的非对称结构。
[0059]本体底部前面设有密封吻合面44，并向入料槽反方向延伸出半环绕焊合腔的工作带45。二者的曲率与待接合物100上表面的曲率一致，可以保证加工完成的接合缝表面与待接合物表面平滑过渡，即能保证接合缝的厚度和形状与基体一致。
[0060]挤压模靴4的本体后面设有连通于焊合腔43的溢流孔道46，当增厚凸出部200的厚度较厚时，除了补偿接合缝之外，剩余部分可通过该溢流孔道46流出挤压模靴4，可形成铝丝状的溢出料。当然如果待接合物100上的增厚凸出部200设计成恰好可以补偿接合缝的话，也可以不必设置溢流孔道46。
[0061]图5A、图5B和图5C示出适用于直线形接合面(例如由矩形的铝板材弯曲对接形成)的挤压模靴4结构，图5A、图和图5E示出适用于环形接合面(例如由两个铝管坯对接形成)的挤压模靴4结构。这两种挤压模靴4中，入料槽42的方向随接合缝位于密封吻合面44的曲率形成面的位置不同而不同。无论用于接合何种接合缝，都要保证密封吻合面44、工作带45能始终与待接合物表面保持紧密贴合。
[0062]如图1所示，本实用新型实施方式中，挤压托轮5具有中央通孔，套装于挤压针3的托轮安装部32，挤压托轮5与托轮安装部32配合紧密，能随挤压针3旋转，并能随着锁紧螺母的旋紧上下移动。挤压托轮5上端部设有凸缘51。凸缘51顶端部设有推动材料流动的搅拌齿(图中未示出)，搅拌齿的结构可以与切向推动斜面21相同，也可以不同。可以上下对应，也可以相互错开，数量可以相同或者不同。当需要被结合材料需要更大的变形率时，可以使挤压针3置于接合物中的部分的中轴线与挤压杆2的中轴线不重合，即具有一定偏心量，更有利于提高搅拌均匀性，并提高作业效率。
[0063]如图1所示，本实用新型实施方式中，挤压托环6呈现一个规则的环形，工作中不随挤压针一起旋转，或可以自由转动的状态。挤压托环6包含底壁，底壁具有与被结合物100下表面曲率半径吻合一致的配合面61、一个与挤压托轮5外周滑动配合的柱面62以及一个与挤压托轮5滑动配合的内平面63。在柱面62和内平面63的垂直交界部位可设置储存固体润滑剂的润滑剂槽。
[0064]如图1所示，本实用新型实施方式中，锁紧螺母30配合于挤压针3的螺纹部31。锁紧螺母30的旋进方向与挤压杆2的旋转方向相反。进一步地，锁紧螺母30可以是自锁螺母或花螺母，但不以此为限。
[0065]本实用新型接合装置在其它实施方式中，还包括用于冷却挤压模靴4的本体后端部以及刚刚完成接合的接合缝处以水或气为介质的冷却装置。
[0066]参见图6A、图6B、图7。本实用新型接合装置实施方式中的冷却装置包括冷却管70、挤压靴模内部的冷却介质流动通道以及密封配合和喷出介质的冷却板72。冷却介质通过冷却管70进入挤压模靴可以冷却本体,介质从挤压模靴4和冷却板72配合形成的一定的间隙中均匀喷射到被结合物的表面冷却刚刚接合好的材料，大幅度的提高生产效率。不同的冷却速度可以改变结合部位材料的组织和性能。
[0067]本实用新型接合装置的工作过程涉及以下几种运动方式:挤压杆2相对于机架(端盖10)高速转动；挤压针3、挤压托轮5随挤压杆2的转动而转动；挤压模靴4相对于机架固定不动，但沿着工件被结合面相对工件滑动；挤压托环6相对于机架静止或自由的转动，但沿着工件被结合面相对工件滑动，接合装置(机架)整体与待接合物有相对移动，该移动包括两种情况:第一种是接合装置固定不动而待接合物移动使接合面始终能通过接合装置的入料槽42 ;第二种是待接合物固定不动而接合装置沿着待接合物的接合面移动。
[0068]参见图1、图2A、图2B和图8。本实用新型使用接合装置接合待接合物上的接合面的接合方法。其中，所使用的待接合物沿着接合面连续设有增厚凸出部，所述接合方法包括如下步骤:
[0069]步骤一、将待接合物100放置于生产线，使其接合面暴露于适合作业的位置。
[0070]步骤二、在待接合物100接合面的起始处钻一直径大于挤压杆2直径的孔洞。
[0071]步骤三、先将挤压模靴4置于孔洞之上，使接合装置的挤压杆2底端连同挤压针3穿过挤压模靴4并穿过该孔洞，并使挤压模靴4的入料槽42对准待接合物100的增厚凸出部200放置好以后(为保证挤压靴模4的吻合面与工件完全吻合，必要时用工具清除工件上的一部分增厚凸出部)，通过定向螺钉微调挤压模靴4的方向，然后调整螺栓20使挤压模靴4与待接合物紧密接合并紧紧压住；再将挤压托轮5上与挤压托环6组装到挤压针3上，然后旋拧锁紧螺母30到位后锁紧固定。
[0072]步骤四、启动接合装置，调整旋转主轴高度对齐工件，旋转主轴I以100?3000转/分钟转速带动挤压杆2、挤压托轮5转动，当被接合材料软化后，待接合物100接合面开始以10?2000毫米/分钟的速度移动。
[0073]本实用新型接合装置的工作原理为:
[0074]本实用新型接合装置所使用的待接合物100例如铝或铝合金管坯料是通过热轧(DC)、冷轧或铸轧(CC)得到的均匀厚度的卷材或板材，边部具有增厚凸出部200是通过成型前变形处理得到的。
[0075]通过调整锁紧螺母30锁紧后，挤压杆端面的切向推动斜面21、切向倾斜推动曲面22、挤压针外面、挤压托轮5搅拌齿面，托环顶端面以及待结合物不发生流动变形的面包围成了一个密封的通道。被接合材料在挤压杆端面的切向推动斜面21、切向倾斜推动曲面22、挤压针3外面、挤压托轮5搅拌齿面高速转动的推动下，随着挤压针在这个通道内产生涡旋的流动，基体连同具有增厚凸出部200的材料一并旋转并被不断推入焊合腔。金属变形的内摩擦使其温度可达到铝或铝合金的热塑性加工温度如400°C?550°C。在该温度下，材料在焊合腔内融合形成一体。随着接合装置相对于接合面的移动，沿途接合面不同位置处的物料连续变形接合。同时随着接合装置相对于接合缝的移动，挤压模靴4上的密封吻合面和工作带45紧密贴合于待接合物100上表面；挤压托环6端面61紧密贴合于待接合物100下表面。因此在挤压模靴4的密封吻合面44、工作带45以及挤压托环6的端面61共同作用下，形成连接牢固的形状和基体成份一致的接合区域。
[0076]在上述接合区域形成过程中，如果焊合腔43内容有多余物料，则由挤压模靴4后端部的溢流孔道46溢出。
[0077]本实用新型接合装置不仅能够适用于接合平面或固定曲率曲面的待接合物上的接合，而且能够得到结合部位的材料更好的组织结构，比如细小而均匀的等轴晶粒。从而能够使接合缝部位产生有益的强度和塑性提升，特别适用于制造铝、镁及其合金材料圆柱表面的管坯及球面形容器等。
[0078]以上具体地示出和描述了本实用新型的示例性实施方式。应该理解，本实用新型不限于所公开的实施方式，相反，本实用新型意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效布置。
【权利要求】
1.一种接合装置，用于接合待接合物上的接合面，其中所述待接合物沿着所述接合面连续设有增厚凸出部，其特征在于，所述接合装置包括: 机架，其上安装有旋转主轴； 挤压杆，设于所述旋转主轴，能随所述旋转主轴的转动而转动； 挤压针，固定设于所述挤压杆底端部，所述挤压针上设有托轮安装部和螺纹部，其横截面小于所述挤压杆的横截面，其外周与所述挤压杆底端部形成表面凹凸不平的涡旋挤压部; 挤压模靴，包括本体，所述本体通过中央通孔间隙套装于所述挤压杆下部，所述本体底部前面向所述本体内方向凹进形成入料槽，本体底部后面向所述本体内方向凹进形成焊合腔，所述焊合腔外侧设有工作带，入料槽两侧分别设有密封吻合面；所述密封吻合面以及工作带的曲率与所述待接合物上表面的曲率一致； 挤压托轮，具有中央通孔，并通过该中央通孔可滑动地间隙套装于所述挤压针的托轮安装部，并随所述挤压针的转动而转动，所述挤压托轮上端部设有凸缘； 挤压托环，具有带中央通孔的底壁，所述底壁可滑动间隙套装于所述挤压托轮的凸缘夕卜，底壁具有与所述待接合物下表面的曲率一致的配合面； 锁紧螺母，配合于所述挤压针的螺纹部。
2.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述涡旋挤压部包括至少一个均匀或不均匀分布的切向推动斜面或至少一个切向倾斜推动曲面，或者同时相互间隔设置至少一个切向推动斜面和至少一个切向倾斜推动曲面。
3.如权利要求2所述的接合装置，其特征在于，所述切向推动斜面和切向倾斜推动曲面均相对于所述挤压杆的中轴线倾斜设置。
4.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述挤压托轮的凸缘51顶端部设有搅拌齿。
5.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述挤压模靴的中央通孔壁上设有润滑剂槽；和/或所述挤压托轮上设有润滑剂槽。
6.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述挤压模靴的本体后面设有连通于所述焊合腔的溢流孔道。
7.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述挤压针与所述挤压杆为一体结构。
8.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述挤压针与所述挤压杆为分体结构，二者通过螺纹连接，或者通过盈配合连接。
9.如权利要求1所述的接合装置，其特征在于，所述挤压针的中轴线与所述挤压杆的中轴线重合或者不重合。
10.如权利要求1?9中任一项所述的接合装置，其特征在于，所述接合装置包括用于冷却所述挤压模靴的本体后端部以及加工完成的接合区域的冷却装置。
【文档编号】B21C23/21GK203791368SQ201420125025
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年3月19日 优先权日:2014年1月13日
【发明者】宛亚坤 申请人:宛亚坤