本发明涉及搅拌摩擦焊接领域，特别是涉及一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置及方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊接(frictionstirwelding，简称fsw)是一种固相焊接技术，能够获得常规方法难以焊接的高质量接头，目前多应用于铝合金结构制造领域。常规fsw依靠搅拌头与被焊材料之间的摩擦热和材料塑性变形产热来软化待焊材料，存在焊接速度低、焊接载荷大等问题，对焊机的承载力、焊接夹具的精度及刚性、搅拌头的耐磨性能提出了很高的要求。向fsw过程施加超声能量来辅助焊接的方法，是利用超声振动在无显著加热的情况下降低金属材料的屈服应力和流变应力的特性，改善fsw过程中的材料流动。
目前已经有向fsw过程施加超声能量的应用技术，如cn1836820a公开的《超声搅拌焊接方法及其装置》，将轴向的超声振动通过搅拌头直接传入焊接区的塑性金属。但是，该方案中超声变幅杆与搅拌头置于旋转夹具体内，当被焊材料种类或厚度发生变化时，搅拌头的更换不方便；焊接中搅拌头与工件摩擦产生的高温，对与其相连的变幅杆和换能器的工作性能不利；焊接中搅拌头受到的较大轴向压力，会引起超声装置的输出功率大幅衰减。此外，cn102744516a公开的《超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置》，在一定压力下将超声振动工具头抵在搅拌头前方的待焊工件上，将超声能量直接施加于工件。但是，此方案中，超声振动施加在搅拌头前方工件的直接模式，会导致超声软化发生的时刻早于fsw热-力过程，超声工具头和搅拌头对工件的局部作用存在时间滞后，不能实现搅拌头机械作用与超声软化效应的同时耦合，从而无法充分发挥超声振动在改善焊接质量方面的作用。
因此，需要对一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置进行新的研究设计。
技术实现要素：
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，本发明通过滚柱工具头将超声变幅杆与搅拌头紧密耦合连接，将搅拌头的机械作用和超声的软化效应二者同步，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。
一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置的具体方案如下：
一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，包括套筒夹具，套筒夹具与超声波发生机构连接，套筒夹具一端与推动机构连接，另一端设置滚柱工具头，滚柱工具头侧部设置用于焊接工件的搅拌头，搅拌头的轴线方向与滚柱工具头的轴线方向相互垂直设置，推动机构带动套筒夹具朝向搅拌头移动，从而通过滚柱工具头与搅拌头接触将超声波能量传向搅拌头，进而传递至焊接区的塑性金属。
上述的装置，通过滚柱工具头的设置，能够将超声能量从横向施加于搅拌头，使超声振动经过搅拌头传递至焊接区的塑性金属，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，超声振动作用于焊接区塑性金属，实现了搅拌头的热-力作用与超声软化效应的同步耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。
进一步地，所述搅拌头与搅拌摩擦焊机连接，搅拌头为空心搅拌头，空心搅拌头能够减轻自重、提高抗剪切强度、加强超声振动效果。
进一步地，所述滚柱工具头为实心滚柱工具头，实心滚柱工具头能够减少变幅杆与搅拌头之间的摩擦，将超声能量有效地耦合到搅拌头，实心滚柱工具头与空心搅拌头配合，能够提高超声能量的耦合效率。
进一步地，所述套筒夹具端部设置工具头基座，所述滚柱工具头包括至少一个，滚柱工具头可设置两个，这样可保证超声振动传播的均匀性，且滚柱工具头嵌入工具头基座设置并相对于工具头基座能旋转设置，具体滚柱工具头活动套设于连接杆，连接杆设于工具头基座。
进一步地，所述搅拌头包括可拆卸连接的搅拌头上段和搅拌头下段，搅拌头上段与滚柱工具头外部相切，搅拌头下段包括轴肩和搅拌针，搅拌针穿过轴肩设置，搅拌头下段通过螺纹结构与搅拌头上段连接，搅拌头上段为空心圆柱结构，搅拌头上段为中空筒体，中空筒体顶部设置夹持端，夹持端与所述的搅拌摩擦焊机连接，实心滚柱工具头能够与搅拌头上半段侧部接触设置以对搅拌头实现横向方向超声传播。
进一步地，所述推动机构为气缸，气缸由固定支架支撑，气缸推杆与所述的套筒夹具连接或接触设置，气缸设于套筒夹具的轴线方向。
进一步地，所述套筒夹具顶部通过连接件与滑轨连接，滑轨设于套筒夹具的上方，固定支架为l型，滑轨设于固定支架，固定支架与机架固连。
进一步地，所述连接件同样为l型，连接件设于滑轨的两侧，连接件顶部设于滑轨，可在连接件顶部设置滚轮，通过滚轮方便连接件相对于滑轨的移动，底部与所述的套筒夹具固连。
进一步地，所述套筒夹具内部设置超声波换能器和与超声波换能器连接的超声波变幅杆，超声波变幅杆端部与所述的滚柱工具头内部相切，超声波换能器与设于套筒夹具外侧的超声波发生器连接。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种降低焊接过程中搅拌头压力和扭矩的方法，采用所述一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，滚柱工具头在推动机构的作用下与搅拌头紧密接触，在搅拌头工作的同时，滚柱工具头向搅拌头施加横向超声振动，同步耦合搅拌头对工件的机械作用和超声对工件的软化效应。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明通过推动机构与超声波发生机构的设置，没有直接将超声波施加在搅拌头前方的工件，避免了超声与焊接的时间滞后问题，将超声能量从横向施加于搅拌头，使超声振动经过空心搅拌头传递至焊接区的塑性金属，实现搅拌头的机械作用和超声的软化效应二者同步，具有改善焊缝形貌，焊接接头成形质量改善、晶粒细化，提高接头抗拉强度和伸长率的效果。
2)本发明通过整体结构的设置，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。
3)本发明通过实心滚柱的设置，能够减少变幅杆与搅拌头之间的摩擦，将超声能量有效地耦合到搅拌头，实心滚柱工具头与空心搅拌头配合，能够提高超声能量的耦合效率，最终降低了焊接过程中搅拌头的压力和扭矩，促进了焊缝两侧材料的迁移。
4)本发明通过滑轨的设置，方便套筒夹具的移动，保证超声振动的有效传递。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置结构图。
图2为本发明实心滚柱工具头结构图。
图3为本发明空心搅拌头结构图。
其中：1、搅拌头，2、滚柱工具头，3、套筒夹具，4、滑轨，5、气缸，6、气泵，7、超声波发生器，8、搅拌摩擦焊机，9、实心滚柱，10、工具头基座，11、搅拌头上段，12、搅拌头下段，13、固定支架，14、连接件。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置。
本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，包括套筒夹具3，套筒夹具3与超声波发生机构连接，套筒夹具3一端与推动机构连接，另一端设置滚柱工具头2，滚柱工具头2侧部设置用于焊接工件的搅拌头1，搅拌头1的轴线方向与滚柱工具头2的轴线方向相互垂直设置，推动机构带动套筒夹具3朝向搅拌头移动，从而通过滚柱工具头2与搅拌头1接触将超声波能量传向搅拌头1，从而传递至焊接区的塑性金属。
上述的装置，通过滚柱工具头的设置，能够将超声能量从横向施加于搅拌头，使超声振动经过搅拌头传递至焊接区的塑性金属，实现了超声振动向搅拌摩擦焊接过程的有效耦合，改善了焊接过程中金属的塑性流动，达到降低焊接载荷、减少搅拌头磨损、提高焊接速度的目的。
搅拌头1与搅拌摩擦焊机连接，搅拌头1为空心搅拌头，搅拌头1的转速优选300～3000rpm，气缸气压0.2～1mpa，空心搅拌头能够减轻自重、提高抗剪切强度、加强超声振动效果。
滚柱工具头2为实心滚柱工具头，实心滚柱工具头能够减少超声波变幅杆与搅拌头之间的摩擦，将超声能量有效地耦合到搅拌头1，实心滚柱工具头与空心搅拌头配合，能够提高超声能量的耦合效率。
其中，套筒夹具为横向方向设置的空心圆柱筒，套筒夹具3端部设置工具头基座10，所述滚柱工具头2包括至少一个，滚柱工具头2可设置两个，两个滚柱工具头2的重心轴线与搅拌头的重心轴线相互平行设置，达到滚柱工具头半绕搅拌头设置的效果，这样可保证超声振动传播的均匀性，且滚柱工具头2嵌入工具头基座10端侧设置并相对于工具头基座10能旋转设置，具体滚柱工具头2活动套设于连接杆，连接杆设于工具头基座10，如图2所示，工具头基座10与滚柱工具头2的材质为工具钢，优选材质为钛合金、硬质合金等耐磨耐热高强材料，工具头基座10为空心圆柱结构件。
如图3所示，搅拌头1包括可拆卸连接的搅拌头上段11和搅拌头下段12，搅拌头下段包括轴肩和搅拌针，搅拌针底部突出搅拌头下段设置，搅拌针设于轴肩中心，轴肩底部为圆锥形状，搅拌头下段12通过螺纹结构与搅拌头上段11连接，搅拌头上段11为空心圆柱结构，搅拌头上段11通过夹持端与所述的搅拌摩擦焊机连接，实心滚柱工具头2在推动机构带动下能够与搅拌头上半段11侧部接触设置以对搅拌头实现横向方向超声传播。
推动机构为气缸5，气缸5与气泵6连接，气缸5由固定支架13支撑，气缸推杆与所述的套筒夹具3连接或接触设置，气缸5设于套筒夹具的轴线方向。
套筒夹具3顶部通过连接件与滑轨4连接，固定支架13为l型，滑轨4设于固定支架13，固定支架13与机架固连。连接件14同样为l型，连接件14设于滑轨4的两侧，连接件14顶部设于滑轨，可在连接件14顶部设置滚轮，通过滚轮方便连接件14相对于滑轨4的移动，底部与所述的套筒夹具3固连。
套筒夹具3内部设置超声波换能器和与超声波换能器连接的超声波变幅杆，超声波变幅杆振动频率为15khz～25khz，振幅为10～50μm，超声波换能器与设于套筒夹具3外侧的超声波发生器7连接，超声波发生器的输出功率为1～3000w，超声波变幅杆与搅拌头之间采用双实心滚柱超声工具头耦合连接，实现超声振动向搅拌头的横向施加，超声波变幅杆的端面与滚柱工具头内部相切，空心搅拌头上段与滚柱工具头外部相切。套筒夹具端部与气缸通过螺栓连接，通过调节气缸气压调整工具头与搅拌头的接触压力。
其中，超声波换能器采用压电型超声换能器，超声波变幅杆可以选用铝合金、钛合金或合金钢。
为了克服现有技术的不足，本发明还提供了一种降低焊接过程中搅拌头压力和扭矩的方法，采用所述一种基于滚柱和搅拌头组合的超声能量横向施加装置，在搅拌头工作的同时，滚柱工具头在推动机构的带动下，向搅拌头施加横向超声振动，同步耦合搅拌头对工件的机械作用和超声对工件的软化效应。
具体工作过程如下：
1)超声波发生器将220v/50hz的交流电转换成超声频交流电信号输出至超声波换能器；
2)超声波换能器将超声波发生器产生的超声频电振荡信号转换成超声频机械振动；
3)超声波变幅杆将换能器产生的超声振动的振幅放大并传递到实心滚柱工具头，气缸推动套筒夹具沿滑轨运动，使工具头与搅拌头接触耦合，将超声振动传递到空心搅拌头；
4)实心滚柱能够减少变幅杆与搅拌头之间的摩擦，将超声能量有效地耦合到搅拌头；空心搅拌头能够减轻自重、提高抗剪切强度、加强超声振动效果；二者的组合能够提高超声能量的耦合效率；
5)超声能量传递至焊接区的塑性金属，能够减小塑性金属的变形抗力，提高搅拌摩擦焊接过程中金属的塑性流动性，从而达到消除焊接缺陷，提高焊接速度，减小焊接载荷的目的。
超声振动机构与搅拌头的分离式设计能够在不改动原有搅拌摩擦焊机的条件下实现超声能量的施加，超声振动不会受到焊接中高温高压因素的干扰，设备具有良好的稳定性以及适用性。实心滚柱工具头方便更换，搅拌头的可拆卸设计使搅拌头在发生磨损时只需更换下部组件，节省了成本。
超声能量的作用主要体现在，通过施加于搅拌头的横向超声振动，同步耦合搅拌头对工件的机械作用和超声对工件的软化效应。6061-t6铝合金对接试验表明，施加超声能量，降低了焊接过程中搅拌头的压力和扭矩，促进了焊缝两侧材料的迁移，加剧了搅拌针作用下材料在焊缝深度方向的流动，并使搅拌头能够带动更多其后方金属进行迁移。因此，取得了减少焊缝底部的孔洞型缺陷，改善焊缝形貌，提高接头抗拉强度和伸长率，提升焊缝横截面硬度，改善接头冲击韧性的工艺效果。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。