一种用于空间焊接的浮动双轴肩搅拌摩擦焊接工具及方法与流程

本发明涉及搅拌摩擦焊接设备技术领域，具体是涉及一种用于空间焊接的浮动双轴肩搅拌摩擦焊接工具及方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，具有焊接质量高，焊接变形小，无环境污染等显著优势，该技术被认为是铝合金等低熔点金属的首选焊接技术。但由于常规单轴肩搅拌摩擦焊需要采用背部垫板对被焊工件进行刚性支撑，因此无法实现中空部件的焊接。为解决该问题，双轴肩搅拌摩擦焊采用上、下两个轴肩进行焊接，其中，下轴肩代替背部垫板对被焊工件进行随焊支撑，从而可对中空部件实现焊接。同时，为适应被焊工件空间位置的波动，开发了浮动式双轴肩搅拌摩擦焊技术。该技术将搅拌头和套筒采用浮动设计，从而使搅拌头在垂直工件表面的方向可随工件空间位置的波动而变化。

然而，现有的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接技术还存在一些亟待解决的问题：（1）现有技术的搅拌头与套筒采用键与键槽配合，如公告号为CN204621349U的中国专利公开的一种浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接工具，搅拌摩擦焊过程中搅拌头承受很大的扭矩，造成键和键槽的接触面产生较大的摩擦力，阻碍了键与键槽的相对滑动，进而导致无法实现浮动式焊接；（2）现有技术在进行空间全位置焊接时还存在一定困难，例如在进行横焊或立焊时，搅拌头、键及键槽平行于地面，搅拌头切入被焊工件前，其在平行于地面方向的位置处于自由滑动状态而无法进行定位，对后续的搅拌头精确的切入工件进行焊接造成困难；而在进行平焊或仰焊时，搅拌头、键与键槽垂直于地面，由于重力作用，搅拌头在切入被焊工件前将自由向下滑落至键槽行程的下止点甚至脱落，导致搅拌头切入被焊工件后无法继续向下浮动甚至无法进行焊接。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述存在问题和不足，提供一种结构简单可靠、制造容易、使用效果好，能够有效地实现浮动式焊接及空间全位置焊接的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接工具及其焊接方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

本发明所述的用于空间焊接的浮动双轴肩搅拌摩擦焊接工具，其特点是：包括搅拌头及可活动地套接在搅拌头的连接轴上且其内径与搅拌头的连接轴的外径相同的套筒，所述搅拌头的连接轴上沿轴向间隔地设置有至少二个滚动轴承，且所述各滚动轴承各通过一锁紧螺栓与搅拌头的连接轴相连接，所述套筒的侧壁上沿轴向开设有与滚动轴承间隙配合连接且其宽度与滚动轴承的直径相同的U形槽，所述U形槽的长度L2大于滚动轴承的定位距离L1，且所述套筒的顶部中心可活动地穿置有与搅拌头的连接轴螺纹连接的调节螺栓，所述调节螺栓上套接有第一限位弹簧和第二限位弹簧，所述第一限位弹簧位于套筒内并置于搅拌头的连接轴的顶面上，所述第二限位弹簧位于套筒外并置于套筒的顶面与调节螺栓的螺栓帽之间，通过拧动所述调节螺栓使搅拌头的连接轴与套筒的相对位置发生变化而实现第一限位弹簧和第二限位弹簧的压紧程度的调节，且使用时通过所述套筒与搅拌摩擦焊机的主轴连接而实现焊接工具的整体旋转。

为了便于滚动轴承的安装放置及转动可靠，所述搅拌头的连接轴上沿轴向设置有平台，所述的至少二个滚动轴承位于该平台上且沿平台的长度方向呈中心对称分布。

为了使本发明具有最佳的使用效果，所述滚动轴承等间隔地设置有五个。

本发明所述的用于空间焊接的浮动双轴肩搅拌摩擦焊接工具的焊接方法，其特点是包括以下步骤：

步骤一、确定焊接工具尺寸：根据被焊工件表面位置在厚度方向的最大波动距离D，确定U形槽的长度L2，保证U形槽的长度L2大于滚动轴承的定位距离L1与被焊工件的最大波动距离D之和；

步骤二、选择弹簧：根据搅拌头、滚动轴承及锁紧螺栓的总重量G，选择第一限位弹簧与第二限位弹簧，使第一限位弹簧的极限载荷F1与第二限位弹簧的极限载荷F2均大于G；

步骤三、调节焊接工具的初始相对位置：进行焊接前，将焊接工具调整至焊接姿态，并通过调节螺栓调节搅拌头的连接轴与套筒的相对位置，从而调节第一限位弹簧与第二限位弹簧的压紧状态，使二者弹力与搅拌头的自身重力相平衡，并使滚动轴承沿U形槽的长度方向呈中心对称分布；

步骤四、进行焊接：启动搅拌摩擦焊机的主轴，使焊接工具跟随主轴整体旋转的同时，将其平移以切入被焊工件的对接处进行焊接。

进一步地，上述步骤一中，U形槽的长度L2等于滚动轴承的定位距离L1与二倍的被焊工件的最大波动距离D之和，即L2=L1+2D。

进一步地，上述步骤二中，第一限位弹簧的极限载荷F1与第二限位弹簧的极限载荷F2均等于2倍的G。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本发明采用了滚动轴承与U形槽滚动摩擦的结构形式，相比于键与键槽之间的滑动摩擦，其摩擦力显著降低，从而有利于搅拌头与套筒的相对滑动，有效地实现了双轴肩搅拌摩擦焊的浮动式焊接；

2、本发明通过两根限位弹簧消除搅拌头的重力影响，在搅拌头任意姿态下可通过弹簧的弹力与搅拌头重力相平衡，实现固定搅拌头与套筒的相对位置，并使搅拌头位于浮动行程的中心，这样不仅便于搅拌头精确的切入被焊工件，同时保证搅拌头最大程度地适应被焊工件的位置波动，从而有利于实现空间全位置焊接。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为本发明焊接工具的分解结构示意图。

图2为本发明焊接工具的主视结构示意图。

图3为图2在A-A方向的剖面结构示意图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明所述的用于空间焊接的浮动双轴肩搅拌摩擦焊接工具，包括具有一体成型的连接轴11的搅拌头1及可活动地套接在搅拌头1的连接轴11上且其内径与搅拌头1的连接轴11的外径相同的套筒2，其中所述搅拌头1的连接轴11上沿轴向间隔地设置有至少二个滚动轴承3，在本实施方式中，所述滚动轴承3沿轴向等间隔地设置有五个，而且所述搅拌头1的连接轴11上沿轴向设置有平台12，所述的五个滚动轴承3位于该平台12上且沿平台12的长度方向呈中心对称分布，并且在平台12上设置有与滚动轴承3数量相同的螺纹连接孔13，所述的五个滚动轴承3分别通过锁紧螺栓4与平台12上的螺纹连接孔13一一对应连接而实现与搅拌头1的连接轴11相连接。此外，滚动轴承3也可以根据实际的使用情况设置为二个或三个或四个或六个或其它个数。

同时，所述套筒2的侧壁上沿轴向开设有与滚动轴承3间隙配合连接且其宽度与滚动轴承3的直径相同的U形槽21，如图所示，所述U形槽21为长条形的两端呈U形的凹槽，且所述U形槽21的长度L2大于滚动轴承3的定位距离L1。同时，所述套筒2的顶部中心开设有通孔22，在该通孔22内可活动地穿置有调节螺栓8，而且所述搅拌头1的连接轴11的顶部中心开设有螺纹孔14，所述调节螺栓8插入套筒2内的一端与该螺纹孔14螺纹连接。

同时，所述调节螺栓8上套接有第一限位弹簧5和第二限位弹簧6，所述第一限位弹簧5位于套筒2内并置于搅拌头1的连接轴11的顶面上，所述第二限位弹簧6位于套筒2外并置于套筒2的顶面与调节螺栓8的螺栓帽之间，在本实施方式中，所述调节螺栓8上套接有位于螺栓帽内侧面处的垫片7，此时，第二限位弹簧6是位于套筒2的顶面与垫片7之间。焊接时，通过拧动所述调节螺栓8使搅拌头1的连接轴11与套筒2的相对位置发生变化而实现第一限位弹簧5和第二限位弹簧6的压紧程度的调节。

而且，使用时，焊接工具是通过所述套筒2与搅拌摩擦焊机的主轴相连接，从而使焊接工具随搅拌摩擦焊机的主轴整体旋转。

利用上述结构的焊接工具进行焊接的方法，包括以下步骤：

步骤一、确定焊接工具尺寸：根据被焊工件表面位置在厚度方向的最大波动距离D，确定U形槽21的长度L2，保证U形槽21的长度L2大于滚动轴承3的定位距离L1与被焊工件的最大波动距离D之和；具体地，在本实施方式中，U形槽21的长度L2等于滚动轴承3的定位距离L1与二倍的被焊工件的最大波动距离D之和，即L2=L1+2D；

步骤二、选择弹簧：根据搅拌头1、滚动轴承3及锁紧螺栓4的总重量G，选择第一限位弹簧5与第二限位弹簧6，使第一限位弹簧5的极限载荷F1与第二限位弹簧6的极限载荷F2均大于G；具体地，在本实施方式中，第一限位弹簧5的极限载荷F1与第二限位弹簧6的极限载荷F2均等于2倍的G；

步骤三、调节焊接工具的初始相对位置：进行焊接前，将焊接工具调整至焊接姿态，并通过调节螺栓8调节搅拌头1的连接轴11与套筒2的相对位置，从而调节第一限位弹簧5与第二限位弹簧6的压紧状态，使二者弹力与搅拌头1的自身重力相平衡，并使滚动轴承3沿U形槽21的长度方向呈中心对称分布；

步骤四、进行焊接：启动搅拌摩擦焊机的主轴，使焊接工具跟随主轴整体旋转的同时，将其平移以切入被焊工件的对接处进行焊接。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。