利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的方法和装置与流程

本发明涉及搅拌摩擦焊内支撑的方法和装置，尤其涉及一种利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的方法和装置。

背景技术：

搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，利用轴肩以及搅拌针与工件摩擦产生的摩擦热使焊接接头附近的材料达到塑性状态，材料流动性增加，当搅拌头向前移动时，塑性化的材料在轴肩的挤压和搅拌针的搅拌作用下，被移动到搅拌头的后方，冷却形成焊接接头。搅拌摩擦焊接技术有下列特点：不产生熔化焊接缺陷、焊接变形小、操作简单、适用于多种材料和接头形式。目前，搅拌摩擦焊技术已在低熔点金属的焊接领域获得广泛的应用，尤其是铝合金、镁合金等。

但是，搅拌摩擦焊一般情况下需要对焊缝表面提供刚性支撑，对于很多无法提供背部刚性支撑的结构而言，熔化焊方法反而更受欢迎，限制了搅拌摩擦焊在筒体结构焊接上的应用。带预留口的封闭型筒体结构、邮箱结构等，搅拌摩擦焊接技术尽管拥有很多优点，却很难用到这些封闭型结构的焊接上。

铝合金、镁合金等低熔点材料的搅拌摩擦焊是目前的研究热点，同时这些材料也具有一个共同的特点就是为非铁磁性材料。磁场在非铁磁性材料中的穿透能力强，因此可以通过电磁力作用，将本需在封闭筒体内部提供的支撑力转化成由外部电磁吸力提供，从而可以简化内支撑的结构，减小其体积，为带预留小孔封闭机构实现柔性内支撑提供理论依据。

中国发明专利201410025569.3中所提及的两端中心带预留口封闭筒体的搅拌摩擦焊内支撑装置，仅限环形焊缝使用，其属于纯机械连接支撑结构，结构复杂，占用空间大，焊件两端需预留大孔，而本发明环形焊缝和纵向焊缝均适用，且可从预留小孔中取出。“刚性动支撑搅拌摩擦焊工艺研究”崔凡等，文章中所涉及的刚性动支撑搅拌摩擦焊装置只能用于两端直径不变的环焊缝焊接，焊后支撑装置才可取出。查阅现有文献资料与报道，大多的支撑结构为机械组装件，并无采用电磁穿透互吸提供内支撑的装置与方法。类似的“磁悬浮技术”在列车、支撑装置、缓冲装置上均有应用，但其利用的是同性磁场相斥原理，若应用在内支撑结构上，需要在内部有刚性支撑，且体积大、结构复杂、取出困难，一般不适用于封闭结构内支撑装置。电磁吸引在电磁重型吊车、龙门吊车上有应用，但均为直接接触式吸引，且电磁铁数量不可调。

技术实现要素：

本发明目的在于解决对铝合金等非铁磁性材料的密闭筒体提供搅拌摩擦焊内支撑问题，减小内部支撑结构的体积，方便密闭筒体支撑装置的取出，提供一种利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的方法和装置。

实现本发明的目的提供技术解决方案为：

一种利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的装置，该搅拌摩擦柔性内支撑装置包括：内部电磁支撑装置、外部电磁发生装置及支撑装置电气控制柜；

内部电磁支撑装置包括：支撑轮、内部支撑架、可轴向移动的内部电磁铁，所述的内部支撑架两侧平行的连接杆上设置多个内部电磁铁，支撑轮被设置在内部支撑架的中心连接杆沿轴向穿过，内部支撑架上的连接杆与支撑轮通过轴承连接，内部支撑架上的中心连接杆设置为平行或垂直于设置内部电磁铁的两侧平行的连接杆。

外部电磁发生装置包括：用于连接搅拌摩擦焊机头的外部支撑架和多个可轴向移动的外部电磁铁，该外部电磁铁设置在外部支撑架两侧平行的连接杆上且与内部电磁铁均一一对应。

进一步的，内部支撑架各连接杆之间通过螺纹连接；用于设置内部电磁铁及外部电磁铁的连接杆在电磁铁夹紧方向上均角度可调，该角度θ为0°～45°。

进一步的，内部电磁铁端面为椭球面，表面内嵌活动滚珠。

进一步的，可轴向移动的内部电磁铁，通过调节螺纹杆调节电磁铁长度，其可移动距离为0～15cm，与之对应的外部电磁铁7可移动距离为0～15cm。

进一步的，支撑轮直径为5cm～20cm，轮侧面为椭球面。

进一步的，内部支撑架每边设有至少3个内部电磁铁，与之对应的外部支撑架两侧平行的连接杆设置相同数量的外部电磁铁。

进一步的，设有支撑装置电气控制柜控制内部电磁铁和外部电磁铁之间电磁力。

基于上述装置提供一种利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的方法，具体步骤如下：

步骤1，将非铁磁性筒体结构焊件装配固定，调节搅拌摩擦焊机头位置于待焊焊缝正上方，利用微调手轮调节搅拌头与焊件接触；

步骤2，调节外部电磁支撑装置的外部电磁铁轴向距离和支撑架连接杆角度，使外部电磁铁端面距焊件表面距离为d+(0.5～1.5)mm，其中，d为搅拌针长度；启动外部电磁发生装置；

步骤3，调节内部电磁支撑装置上内部电磁铁5轴向距离和支撑架连接杆角度，使内部电磁铁端面距焊件内表面距离为0.5～1.5mm，并使内部电磁铁处于对应外部电磁铁的位置，启动内部电磁支撑装置，接通电源后外部电磁铁与内部电磁铁产生的吸力，使支撑轮紧贴焊件内表面，形成强力支撑；

步骤4，根据焊接材料和壁厚设定搅拌头旋转速率、焊接速率、下压量，启动搅拌摩擦焊设备，开始焊接；

步骤5，焊接完毕，分别关闭内部支撑装置和外部电磁发生装置电源，并将内部电磁装置从焊件的预留小孔中取出。

上述非铁磁性筒体结构焊件主要包括：铝合金、镁合金、钛合金、热塑性塑料等非铁磁性材料，其直径一般为60cm～300cm，壁厚一般为2mm～18mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明采用异性电磁穿透技术将本需在封闭筒体内部提供的支撑力转化成由外部电磁吸力提供，实现电磁外控柔性内支撑功能，简化了内支撑的结构与体积，便于取出；

(2)本发明采用电磁铁提供电磁吸力，易于对搅拌摩擦焊背部的支撑力进行调节，通过调节电磁铁线圈的电流大小，可实现在搅拌摩擦焊全过程的支撑力自适应调节；

(3)本发明所采用的内部电磁铁和外部电磁铁的数量和轴向移动距离都可以根据产品要求改变，以适应不同材料所需的不同大小的背部支撑力和不同直径筒体等情况，已获得最佳的背部支撑效果；

(4)本发明采用的内部支撑装置体积大小可设计、形状可变形，与待焊工件表面贴合紧密，支撑架连接杆为柔性可拆卸结构，当焊接完成时，可拆卸后从预留孔处倒出；

(5)本发明中的柔性内支撑装置与搅拌头为同步实时支撑连接，对今后的机器人搅拌摩擦焊应用有推动作用；

附图说明

图1为本发明装置整体系统示意图；

图2为环缝用内部电磁支撑装置A示意图；

图3为纵缝用内部电磁支撑装置A示意图；

图4为外部电磁发生装置B示意图；

图5为内部电磁铁端部局部放大示意图；

图6为内部支撑架变形结构示意图；

其中，装置A为内部电磁支撑装置，装置B为外部电磁发生装置，装置C为支撑装置电气控制柜；

1为搅拌摩擦焊设备机头；2为待焊筒体工件；3为支撑轮；4为内部支撑架；5为内部电磁铁；6为外部支撑架；7为外部电磁铁；8为调节螺纹杆，9为活动滚珠。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。

下面结合附图和具体实施例对本发明利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的装置及其方法作进一步描述。

如图1、2、3、4、5所述本发明采用一种利用电磁技术实现搅拌摩擦焊柔性内支撑的装置，包括：

内部电磁支撑装置A；

内部电磁支撑装置A包括：支撑轮3、内部支撑架4、可轴向移动的内部电磁铁5，内部支撑架4两侧平行的连接杆上设置多个内部电磁铁5，支撑轮3被设置在内部支撑架4的中心连接杆沿轴向穿过，内部支撑架4上的连接杆与支撑轮3通过轴承连接；

外部电磁发生装置B包括：用于连接搅拌摩擦焊机头的外部支撑架6、外部电磁铁7，外部电磁铁7设置在对应内部电磁铁5的外部支撑架6两侧平行的连接杆上。

本发明中，提供两种不同位置的内部支撑架4上的中心连接杆，

设置为平行用于固定内部电磁铁5的连接杆，该结构的装置用于环形焊缝的焊接。

或设置垂直用于固定内部电磁铁5的连接杆，该结构的装置用于纵向焊缝的焊接。

内部支撑架4各连接杆之间通过螺纹连接，便于柔性组装、拆卸取出；用于设置内部电磁铁5及外部电磁铁7的连接杆在电磁铁夹紧方向上均角度可调，该角度θ为0°～45°，以便内部电磁铁5端面更好配合待焊工件内表面，

该内部电磁铁5端面为椭球面，表面内嵌滚珠。

可轴向移动的内部电磁铁5，其可移动距离为0～15cm；可轴向移动的外部电磁铁7，其可移动距离为0～15cm；。

支撑轮3直径为5cm～20cm，轮侧面为椭球面。

内部支撑架4每边设有至少3个内部电磁铁5，与之对应的外部支撑架6两边设置相同数量的外部电磁铁7。

支撑装置电气控制柜C设有控制内部电磁铁5和外部电磁铁7之间电磁力的控制系统。

实施例1

利用上述方法和装置实现铝合金筒体环形焊缝搅拌摩擦焊内支撑及焊接。

步骤1，将铝合金筒体结构焊件2在带滚轮的旋转变位机上装夹固定，根据搅拌摩擦焊焊接速率要求设定变位机旋转速率。通过搅拌摩擦焊设备控制面板调节机头1位置于待焊焊缝正上方，利用微调手轮调节搅拌头与焊件2表面距离，使之恰好接触。

步骤2，调节外部电磁支撑装置B上外部电磁铁7轴向距离和支撑架连接杆角度，使外部电磁铁7端面距焊件2表面距离为搅拌针直径d+0.5mm，启动外部电磁发生装置B。

步骤3，选用环缝用内部电磁支撑装置A，调节内部电磁支撑装置A上内部电磁铁5轴向距离和支撑架连接杆角度，使内部电磁铁5端面距焊件2内表面距离为0.5mm，使内部电磁铁5处于对应外部电磁铁下方，启动内部电磁支撑装置A，接通电源后外部电磁铁7与内部电磁铁5产生的吸力，使支撑轮3紧贴焊件2内表面，形成强力支撑。

步骤4，在搅拌摩擦焊控制面板上设定搅拌头旋转速率、下压量等参数。启动搅拌摩擦焊设备，开始焊接。待搅拌针完全插入焊件，停留8s，启动旋转变位机，焊件转动过程中内部支撑轮3始终紧贴焊接部位；

步骤5，焊接完毕。待搅拌针完全抽出，关闭旋转变位机。分别关闭内部支撑装置A和外部电磁发生装置B电源，并将内部电磁装置A从预留小孔中取出。

实施例2

利用上述方法和装置实现铝合金筒体纵向焊缝搅拌摩擦焊内支撑及焊接。

步骤1，将铝合金筒体结构焊件2在工作台上装夹固定，通过搅拌摩擦焊设备控制面板调节机头1位置于待焊焊缝正上方，利用微调手轮调节搅拌头与焊件表面距离，使之恰好接触。

步骤2，调节外部电磁支撑装置B上外部电磁铁7轴向距离和支撑架连接杆角度，使外部电磁铁7端面距焊件2表面距离为搅拌针直径d+0.5mm，在支撑装置电气控制柜C上打开外部电磁铁7电源开关，并调节外部电磁铁7电流大小。

步骤3，选用纵缝用内部电磁支撑装置A，调节内部电磁支撑装置A上内部电磁铁5轴向距离和支撑架连接杆角度，使内部电磁铁5端面距焊件2内表面距离为0.5mm，使内部电磁铁5处于对应外部电磁铁7下方，启动内部电磁支撑装置A，接通电源后外部电磁铁7与内部电磁铁5产生的吸力，使支撑轮3紧贴焊件2内表面，形成强力支撑。

步骤4，在搅拌摩擦焊控制面板上设定搅拌头旋转速率、焊接速率、下压量等参数。启动搅拌摩擦焊设备，开始焊接。

步骤5，焊接完毕。分别关闭内部支撑装置A和外部电磁发生装置B电源，并将内部电磁装置A从预留小孔中取出。