一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装及其调节方法与流程

本发明涉本发明涉及一种焊接工装，特别涉及一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装及其调节方法。

背景技术：

天然气与石油、煤炭及其加工产品在多个应用领域均能实现可互换性，主要应用于城市居民燃气、交通运输、发电、化工行业。罐式车作为重要的物流设备，在汽车运输业中的应用极为广泛。搅拌摩擦焊(FSW)是近期出现的一种新型固态焊接方法。自出现以来，得到了迅速发展和推广应用。在工程实际应用中，搅拌摩擦焊具有单道焊接厚度大、缺陷发生率低，焊接残余应力与变形小、焊接效率高、节能降耗和绿色焊接等突出的工艺优点。搅拌摩擦焊方法是由一个圆柱体或其他形状(如带螺纹圆柱体)的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的凸出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

搅拌摩擦焊对设备的要求并不高，最基本的要求是焊头的旋转运动和工件的相对运动。但焊接搅拌头及夹具的刚性是非常重要的。

此外，针对自动化生产，每个生产环节都要减少人工干预，避免焊接组对环节中的强制变形，因此，要求保证每道工序的加工精度，这就要求工序中应有有效的工装夹具。

在搅拌摩擦焊技术领域中，目前搅拌摩擦焊多用于筒型容器的平板纵缝拼接以及小部分用于筒节的纵缝焊接，对于筒节的环缝对接尚无广泛应用，这是由于筒节环缝焊接的搅拌摩擦焊工装尚不完善。此外，目前有撑圆机构，可适用于筒节内部撑圆或者用于常规焊接方法的工装，但此结构用于搅拌摩擦焊存在不足，这是因为撑圆机构伸展开后，各个撑板之间存在间断，使得搅拌摩擦焊过程不稳定。此外，目前工装多为某一产品或某一道工序加工而设计制造的，产品尺寸改变或形状改变则需要重新设计工装，存在工装适用范围小的问题。

技术实现要素：

本发明设计开发了一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装，工装尺寸可以通过气缸组件进行调节，适应性好。

本发明还设计开发了一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装调节方法，实现工装尺寸的精细调节，延长工装实用寿命。

本发明提供的技术方案为：

一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装，包括：

轴承，其用于连接轮辐式工装与十字操作机式变位机；

轴承套，其可旋转套设在所述轴承上；

第一支撑圈，其为环形，固定套设在所述轴承套上，并能够随所述轴承套旋转；

多个第一气缸组件，其设置在所述第一支撑圈的外圈，沿圆周阵列式等间距分布在所述第一支撑圈外侧；

第二支撑圈，其为环形，与所述第一支撑圈同心设置，套设在所述第一支撑圈外侧，所述第二支撑圈具有多个圆孔，所述第一气缸组件能够穿过所述圆孔；

第三支撑圈，其为环形，与所述第二支撑圈同心设置，套设在所述第二支撑圈外侧，所述第三支撑圈具有多个圆孔，所述第一气缸组件能够穿过所述圆孔；

多个支撑板，其为弧形板，可拆卸的设置在所述第一气缸组件外侧。

优选的是，还包括：

多个第二气缸组件，其设置在所述第二支撑圈的外圈，沿圆周阵列式等间距分布在所述第二支撑圈外侧，所述第二气缸组件能够穿过所述第三支撑圈的圆孔，并可拆卸连接所述支撑板；

其中，所述第一气缸组件和所述第二气缸组件间隔设置。

优选的是，所述支撑板由环形支撑圈分割而成，所述支撑板能够拼接成一个环形。

优选的是，所述气缸组件包括：

气缸；

顶杆，其设置在所述气缸内，所述顶杆的一端能够伸出或缩入所述气缸内。

优选的是，还包括：

安装槽，其设置在所述支撑板下方，所述安装槽套设在所述顶杆的一端，所述安装槽上具有锁止孔，所述顶杆具有贯穿孔；

锁止杆，其能够穿过所述锁止孔和所述贯穿孔，将所述顶杆固定在所述安装槽内。

优选的是，还包括：

安装槽，其设置在所述支撑板下方，所述安装槽套设在所述顶杆的一端，所述安装槽具有内螺纹，所述顶杆具有外螺纹，所述内螺纹和所述外螺纹相互配合将所述顶杆固定在所述安装槽内。

优选的是，还包括：

伸缩缝，其设置在所述安装槽上，所述安装槽还具有外螺纹；

紧固螺帽，其套设在所述安装槽上，与所述安装槽的外螺纹相配合，将所述顶杆和所述安装槽进一步锁紧。

优选的是，所述顶杆具有凸台，所述安装槽内具有凹槽，所述凸台能够与所述凹槽配合，使所述支撑板和所述顶杆紧密配合。

一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装调节方法，包括：

将用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装安装在变位机上，并通过安装在所述变位机的传感器检测安装在变位机上的两个筒节之间的作用力，计算两个筒节之间的缝隙，计算公式为：

其中，Df为两个筒节之间的缝隙，Fto为两个筒节之间的作用力，B0为筒节材质的珀松系数，Kf为修正系数，rc为重量密度；

根据两个筒节之间的作用力和筒节直径，计算气缸组件长度，计算公式为：

其中，L1为第一气缸组件长度，Fto为两个筒节之间的作用力，Df为两个筒节之间的缝隙，D0为筒节直径，Γk为筒节的抗剪切压力，γ为修正系数，为0.14；

其中，L2为第二气缸组件长度，Fto为两个筒节之间的作用力，Df为两个筒节之间的缝隙，D0为筒节直径，Γk为筒节的抗剪切压力，γ为修正系数，为0.14，Lk为第二气缸组件的气缸原始长度。

本发明的有益效果

本发明提供的用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装，焊接筒节的直径在一定范围连续可调，可以进行气缸量程调整工装尺寸；焊接筒节的形状在一定范围连续可调，并且不受工件形状的限制，从而扩大了焊接工装的使用范围；焊接工装除了用于搅拌摩擦焊的刚性衬垫，提高焊接质量，也可代替撑圆机构使用。本发明的搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装，所有支撑板尺寸、结构相同，加工简单

附图说明

图1为本发明所述的用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装总体结构示意图。

图2为本发明所述的用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装另一实施例结构示意图

图3为本发明所述的用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装结构主视图。

图4为本发明所述的支撑板与气缸顶杆结构示意图。

图5为本发明所述的支撑板与气缸顶杆连接示意图。

图6为本发明所述的支撑板和气缸顶杆的另一实施例连接示意图。

图7为本发明所述的支撑板和气缸顶杆的又一实施例连接示意图。

图8为本发明所述的环缝对接装置示意图。

图9为本发明所述的环缝对接装置放大示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1所示，本发明提供的用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装，包括：

轴承110和轴承套120，其中轴承套120套设在轴承110上，用于连接轮辐式工装与十字操作机式变位机；搅拌摩擦焊接时，焊接头位置不变，筒节随变位机旋转，此时，轮辐式工装随筒节一起转动，轴承固定于十字操作机式变位机上。

第一支撑圈130位于轴承套外侧，第一轴承圈130的内圈连接轴承套120，并能够随轴承套旋转；多个第一气缸组件140，设置在第一支撑圈130的外圈，圆周阵列式等间距分布在第一支撑圈130外侧；第二支撑圈160为环形，与第一支撑圈130同心设置，套设在第一支撑圈130外侧，第二支撑圈160具有多个圆孔，所述气缸能够穿过圆孔；第三支撑圈170为环形，与第二支撑圈160同心设置，套设在第二支撑圈160外侧，第三支撑圈170具有多个圆孔，第一气缸组件140能够穿过圆孔并固定。多个支撑板180，其为弧形板，可拆卸第一气缸组件远离第三支撑圈170的一端。

如图2-3所示，在另一实施例中，还包括多个第二气缸组件140a设置在所第二支撑圈160的外圈，圆周阵列式等间距分布在第二支撑圈160外侧，第二气缸组件140a穿过第三支撑圈170的圆孔，并可拆卸连接支撑板180；第一气缸组件140和第二气缸组件140a间隔设置。

作为一种优选，支撑板180为弧形板，其由环形支撑圈分割而成，所有弧形板能够拼接成一个环形。

第一气缸组件和第二气缸组件包括：气缸；顶杆，其设置在气缸内，顶杆的一端能够伸出或缩入所述气缸内。

如图4-5所示，支撑板180可拆卸连接第一气缸组件140和第二气缸组件140a，安装槽210设置在支撑板180下方，安装槽210套设在顶杆151的一端，安装槽宽度方向上具有锁止孔211，顶杆151具有贯穿孔152；锁止杆212能够穿过锁止孔211和贯穿孔152，将顶杆151固定在安装槽210内。：

如图6所示，在另一实施例中，安装槽210，其设置在支撑板下方，安装槽210套设在顶杆151的一端，安装槽210具有内螺纹，顶杆151具有外螺纹，内螺纹和外螺纹相互配合将顶杆151固定在安装槽210内。

如图7所示，在另一实施例中，还包括：伸缩缝210a，其设置在安装槽210长度方向上，安装槽210还具有外螺纹；紧固螺帽套设在安装槽210上，与安装槽210的外螺纹相配合，将顶杆151和安装槽210进一步锁紧。在另一实施例中，顶杆151具有凸台，安装槽210内具有凹槽，凸台能够与凹槽配合，使支撑板180和顶杆151紧密配合

其中，支撑板180，外围支撑板首先伸展打开至支撑位置，内侧支撑板随即打开，其伸展过程与位置不与外侧支撑板形成干涉。支撑板伸展后形成第四支撑圈，用于搅拌摩擦焊的刚性支撑圈由第二支撑圈与第三支撑圈处气缸根据设定行程，使支撑板位于设定位置，进行刚性支撑。

本发明提供了一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装及焊接装置，第四支撑圈可进行拆卸，根据支撑板位置与形状确定第四支撑圈形状。所述支撑板与顶杆之间螺栓连接，为了保证顶杆与支撑板之间力的传递效果，顶杆端面存在凸台，与固定于支撑板上的连接装置紧密配合。

如图8-9所示，实施以用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装工作过程为例，作进一步说明：于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装安装在U型变位机，两个变位机距离可调并可对工件施加一定的顶紧力，其中一侧变位机321安装本发明所述的搅拌摩擦焊的交错带轮辐式伸缩工装100，近似十字操作机结构，手臂可伸缩；

两变位机共用正反牙双向丝杠导轨310，丝杠转动，变位机321和322可相向或相背运动，变位机上设置力的传感器；

作为一种优选，还包括一组滚轮架，连接变位机322，其中滚轮架的滚轮为整体的长圆柱形式为便于理解，示意图中仅画出两端部分，滚轮架可辅助支撑筒体，此外，可作为搅拌摩擦焊时的外部刚性固定结构，避免筒体垂直方向由于搅拌摩擦焊而发生下挠。

一种用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装调节方法，其特征在于，包括：

将用于搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装安装在变位机上，并通过安装在所述变位机的传感器检测安装在变位机上的两个筒节之间的作用力，计算两个筒节之间的缝隙，计算公式为：

其中，Df为两个筒节之间的缝隙，单位为mm；Fto为两个筒节之间的作用力，单位为N；B0为筒节材质的珀松系数，单位为N·mm；Kf为修正系数，为0.32；rc为重量密度，单位为N/mm³；。

根据两个筒节之间的作用力和筒节直径，计算气缸组件长度，计算公式为：

其中，L1为第一气缸组件长度，单位为mm；Fto为两个筒节之间的作用力，单位为N；Df为两个筒节之间的缝隙，单位为mm；D0为筒节直径，单位为mm；Γk为筒节的抗剪切压力，单位为N；γ为修正系数，为0.14；

其中，L2为第二气缸组件长度，单位为mm；Fto为两个筒节之间的作用力，单位为N；Df为两个筒节之间的缝隙，单位为mm；D0为筒节直径单位为mm；，Γk为筒节的抗剪切压力，单位为N；γ为修正系数，为0.14，Lk为第二气缸组件的气缸原始长度，单位为mm。

将焊好防波板圈的罐车筒节放置在滚轮架适当位置，两侧U型变位机通过轨道相向前进至合适位置并夹紧筒节，根据力的传感器确定最终位置，然后固定。此时，两U型变位机对筒节施加一定数值的预紧力。根据环缝位置，带轮辐式伸缩支撑架手臂伸长至环缝位置，开启气缸，使支撑板180与环缝紧密接触。将搅拌摩擦焊机运行至环缝位置，使焊机与变位机联动，进行焊接。焊接完成后，将搅拌摩擦焊的交错轮辐式可伸缩工装100收缩并撤出。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。