一种中空挤压型材的焊后矫形工具及方法
【专利摘要】本发明提供了一种中空挤压型材的焊后矫形工具及方法，所述矫形工具包括：夹持柄，用于连接旋转及顶锻驱动装置；过渡部，呈圆台状，且所述过渡部与所述夹持柄连接为一体；矫形端，位于所述过渡部远离所述夹持柄的一侧。本发明具有矫形效率高、操作方便、矫形质量高、经济效益好的优点。
【专利说明】一种中空挤压型材的焊后矫形工具及方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种中空挤压型材的焊后矫形工具及矫形方法，适用于中空挤压型材的搅拌摩擦焊焊后矫形，特别适用于铝合金中空挤压行程车体部件搅拌摩擦焊焊后矫形。
【背景技术】
[0002]随着近年来铝合金冶炼、型材挤压、焊接等技术的持续改进和不断发展，铝合金中空挤压型材在工业中的应用越来越多。特别是在轨道交通行业，随着列车速度的不断提高，对列车减轻自重，提高接头强度及结构安全性要求越来越高，将多组中空挤压型材通过双面焊接的方法进行拼接，在铝合金车体中应用的越来越多。焊接技术除传统氩弧焊等熔焊工艺外，搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)凭借强度高、变形量小等优势，已经从技术研究迈向高层次的工程化和工业化应用阶段。目前，搅拌摩擦焊已成功实现对铝合金车体中的侧墙、底架、车顶、端墙等产品的焊接。
[0003]虽然采用搅拌摩擦焊焊接的产品焊接变形较小，但是由于产品的焊后变形情况受装夹条件、产品结构、焊接变形等多种因素的综合影响，产品的焊后变形不可避免。同时，列车车体部件焊接完成后的装配工序对组焊后部件的变形提出了较为严格的要求，搅拌摩擦焊焊后产品很难完全满足变形要求。因此，必须对产品的焊后变形量进行控制。
[0004]一般来说，控制焊接变形的措施可分为焊前、随焊和焊后措施。对于铝合金车体，预制反变形是控制熔焊焊接变形的常用方法。但对于搅拌摩擦焊来说，对双面焊接的型材进行预变形，容易引起背部焊缝焊前间隙过大，从而影响接头强度。目前，主要采用的有以下三种方式，一是采用介质冷却的搅拌摩擦焊接方法及装置，以降低焊接变形；二是采用阵列式射流冲击热沉搅拌摩擦焊方法及装置，用于控制搅拌摩擦焊焊接变形；三是通过在搅拌头周围安装保温装置来控制焊接变形。以上三种方式都是通过减小焊接过程中产品的温度梯度的方式来降低焊接变形，虽然对于控制薄板焊接变形效果显著，但对于中空挤压型材的变形控制效果并不明显。在现有技术中，采用随焊锤击装置可有效的降低搅拌摩擦焊连接的铝合金薄板结构的残余变形与应力，减小产品的焊后变形，但容易对中空挤压型材造成损伤，因此不宜采用。
[0005]然而，目前焊后矫形处理的方法主要分冷矫形、热矫形以及综合矫形。对于由于中空挤压型材壁厚一般只有3_?6_，采用冷矫形工艺容易导致铝合金焊接构件损伤，而且需配套专用的矫形装置。热矫形工艺中多采用火焰矫形的方法对焊后构件进行矫形。火焰矫形过程中对加热温度控制要求较高，特别对尺寸较大的部件，需多次反复矫形，矫形效率很低。在列车制造企业，车体一般采用机械矫形和火焰矫形相结合的方法进行矫形。但该方法适用于尺寸较小的工件，而且矫形效率较低。对于尺寸较大的部件，如22m长的底架等结构的焊后矫形，采用该方法较为困难。因此，焊后矫形已成为搅拌摩擦焊在轨道交通领域的推广和使用的瓶颈技术。
[0006]有鉴于上述现有的焊后矫形处理装置和方法的诸多缺点，本发明人基于多年研究及现场经验和专业知识，结合实际使用情况和结构技术需求，积极加以改进和创新，以期实现一种能够有效提高矫形效率、操作方便、矫形质量高、经济效益好的中空挤压型材的焊后矫形工具及方法。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供一种能够有效提高矫形效率、操作方便、矫形质量高、经济效益好的中空挤压型材的焊后矫形工具。
[0008]本发明的另一目的是提供一种使用上述矫形工具的矫形方法，该矫形方法够能有效提闻矫形效率，且便于操作实施，可提闻矫形质量，并提闻经济效益。
[0009]为达到上述目的，本发明提出一种中空挤压型材的焊后矫形工具，所述矫形工具包括:夹持柄，用于连接旋转及顶锻驱动装置；过渡部，呈圆台状，且所述过渡部与所述夹持柄连接为一体；矫形端，位于所述过渡部远离所述夹持柄的一侧。
[0010]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，所述矫形端为平面。
[0011]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，所述矫形端为内凹面。
[0012]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，所述矫形端为外凸面。
[0013]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，所述矫形端的矫形面为光滑面。
[0014]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，在所述矫形端的矫形面上设有单条螺旋线型槽。
[0015]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，在所述矫形端的矫形面上设有三条涡状线型槽。
[0016]如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，在所述矫形端的矫形面上设有同心圆环线型槽。
[0017]本发明还提供了一种矫形方法，用于中空挤压型材的焊后矫形，所述矫形方法使用如上所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其中，所述矫形方法包括以下步骤:
[0018]将待矫形工件固定在焊接夹具的焊接垫板上；
[0019]将矫形工具的夹持柄与旋转及顶锻驱动装置相连接；
[0020]启动旋转及顶锻驱动装置，驱动矫形工具旋转并沿所述矫形工具的轴线向所述待矫形工件施加顶锻力，使得所述待矫形工件的焊缝变形区域在摩擦热和顶锻力的共同作用下发生塑性变形，直至与所述焊接夹具的焊接垫板相贴合；
[0021]所述矫形工具在旋转及顶锻驱动装置的带动下，沿焊缝移动，所述矫形工具由焊缝首端移动到焊缝尾端时，抬起所述矫形工具，松开所述焊接夹具，完成矫形过程。
[0022]如上所述的矫形方法，其中，一般地，所述矫形工具的转速为200rpm?3000rpm ；所述矫形工具的移动速度为500mm/min?3000mm/min ;所述矫形工具对所述待矫形工件施加顶锻力时的压入量为O?0.4mm。
[0023]与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点:
[0024]相对于传统的机械矫形、火焰矫形等焊后矫形方法，本发明矫形过程操作简单，矫形时间短，矫形效率大大提高；矫形过程仅需更换专用的矫形工具，不需要增加额外的装置，不需要消耗可燃气体，因此矫形成本相对较低，应用于轨道列车侧墙、底架、车顶灯部件产品的矫形中，经济型优势明显。【专利附图】
【附图说明】
[0025]在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。
[0026]图1为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具实施例一的结构示意图；
[0027]图2为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具实施例二的结构示意图；
[0028]图3为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具实施例三的结构示意图；
[0029]图4A为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具的端部的实施例一的结构示意图；
[0030]图4B为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具的端部的实施例二的结构示意图；
[0031]图4C为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具的端部的实施例三的结构示意图；
[0032]图4D为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具的端部的实施例四的结构示意图；
[0033]图5为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具与固定夹具配合固定的结构示意图；
[0034]图6为本发明矫形方法的操作流程结构示意图。
[0035]附图标记说明:
[0036]10-待矫形工件；1-矫形工具；11-夹持柄；12-过渡部；13-矫形端；14-单条螺旋线型槽；15_涡状线型槽；16_同心圆环线型槽；17_光滑面；2_焊接夹具；21_夹紧件；22-焊接垫板；23_焊缝。
【具体实施方式】
[0037]结合附图和本发明【具体实施方式】的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的【具体实施方式】，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。
[0038]请参考图1至图6，分别为本发明中空挤压型材的焊后矫形工具实施例一、实施例二、实施例三的结构示意图；本发明中空挤压型材的焊后矫形工具的端部的实施例一、实施例二、实施例三、实施例四的结构示意图；本发明中空挤压型材的焊后矫形工具与固定夹具配合固定的结构示意图；本发明矫形方法的操作流程结构示意图。
[0039]如图1所示，本发明提出的中空挤压型材的焊后矫形工具1，用于铝合金中空挤压型材的搅拌摩擦焊焊后矫形处理。本发明的矫形工具I包括一体成型的夹持柄11、过渡部12和矫形端13，夹持柄I连接旋转及顶锻驱动装置(图中未示出)，使得旋转及顶锻驱动装置驱动矫形工具I旋转及向待矫形的铝合金中空挤压型材(以下称待矫形工件)施加顶锻力。过渡部12呈圆台状，且圆台形过渡部12的下底面一侧与夹持柄12连接为一体。矫形端13位于过渡部12远离夹持柄12的一侧。在本实施例中，矫形端13呈平面状。在使用时，矫形端13矫形面作用于待矫形工件上，矫形工具I通过旋转和向待矫形工件施加顶锻力以实现矫形。本发明具有提高矫形效率、操作方便、矫形质量高、经济效益好的优点。
[0040]如图2、图3所示，在本发明另一种可选的实施例中，矫形端13为内凹面；在本发明再一种可选的实施例中，矫形端13为外凸面，以适应不同待矫形工件的工况要求。
[0041]如图4A至图4D所示，为了适应各种不同待矫形工件的矫形要求，矫形端13的矫形面可以为光滑面17(如图4D)，也可以为非光滑面。当矫形端13的矫形面为非光滑面时，作为本发明的一个可选的实施例，矫形面上设有单条螺旋线型槽14 (如图4A);作为本发明的另一个可选的实施例，矫形面上设有由中心向外侧展开的三条涡状线型槽15 (如图4B);作为本发明的再一个可选的实施例，矫形面上设有同心圆环线型槽16 (如图4C)。但本发明的矫形端13的矫形面的形状也可以选择其它适宜的几何形状，本发明对此不作限制。
[0042]如图5、图6所示，本发明还提出了一种用于中空挤压型材的搅拌摩擦焊焊后矫形的矫形方法，该矫形方法使用如上所述的矫形工具，该矫形方法包括以下步骤:
[0043]将待矫形工件10通过焊接夹具2的夹紧件21固定在焊接垫板22上(如图5所示)；
[0044]将矫形工具I的夹持柄11与旋转及顶锻驱动装置(图中未示出)相连接；
[0045]如图6所示,启动旋转及顶锻驱动装置,从而驱动矫形工具I旋转并通过矫形工具I沿轴线向待矫形工件10施加顶锻力，使得待矫形工件10的搅拌摩擦焊焊缝变形区域在摩擦热和顶锻力的共同作用下发生塑性变形，直至与焊接夹具2的焊接垫板22相贴合；
[0046]矫形工具I在旋转及顶锻驱动装置的带动下，沿搅拌摩擦焊焊缝23移动，当矫形工具I由焊缝首端移动到焊缝尾端时，抬起矫形工具1，松开焊接夹具2，完成矫形过程。矫形完成后，由于整个矫形后的工件与焊接垫板22基本相贴合，从而实现了对工件的焊后变形的有效控制。
[0047]由于矫形过程中，矫形工具仅有矫形端13与焊缝23产生摩擦，矫形速度一般比焊接速度要快，热输入量相对于搅拌摩擦焊较小。此外，矫形过程中，矫形工具对工件施加以较大的顶锻力，使得产品在焊缝区域的变形基本为塑性变形，因此经本方法矫形后零件不会再发生较大变形。
[0048]矫形过程的主要影响因素有:矫形工具、矫形参数、矫形位置。矫形工具的选择也是矫形的关键技术之一。矫形工具有各种各样的类型，矫形工具的矫形端13结构、尺寸以及端面形貌是矫形过程的重要影响因素。矫形参数主要有:设备工具的旋转速度、沿焊缝移动的矫形速度、主轴顶锻力、矫形初始位置，结束位置。其它参数不变的情况下，主轴顶锻力越大，矫形工具在产品上的压入量也越大，因此，主轴顶锻力参数也可用压入量来代替。
[0049]在实际矫形过程中，需根据型材的结构以及工件变形情况，综合选择不同的矫形工具以及矫形参数。当参数或矫形工件选择不当时，工件会出现变形过大或者变形反弹的情况而影响矫形效果，甚至会损坏产品。一般来说，驱动机构主轴转速，即矫形工具I的转速为200rpm?3000rpm，工件变形量越大，转速选择越高；矫形工具I的移动速度为500mm/min?3000mm/min,工件变形量越大,矫形速度越低；所述矫形工具对所述待矫形工件施加顶锻力时的压入量为O?0.4mm,工件变形量越大，压入量选取也越大。当然，对于上述矫形参数也可根据实际工况进行选择，本发明对此不作限制。
[0050]下面列举两个实施例，来进一步说明本发明的过程和效果:
[0051]示例 I
[0052]某轨道地铁车体侧墙单元是由三组中空挤压型材采用FSW拼接而成，组焊后零件宽度尺寸为1500mm，长度尺寸为3200mm。根据装配要求，产品焊后平面度要求为:侧墙平面度(长度方向X lmm/m,侧墙平面度(宽度方向X 1.扭抒度(翅曲X 1.5mm/3m。采用搅拌摩擦焊焊后，对其中一件侧墙产品的变形量测试。采用传统的焊后综合矫形技术(机械矫形+火焰矫形)进行矫形，平均每件矫形约需50分钟，而且容易损坏产品。矫形过程需配有专用的机械矫形装置以及火焰矫形装置。采用本发明对该侧墙部件进行矫形，平均每块需10分钟。矫形参数选择如下:矫形工具的矫形端13为单条涡状线型槽，矫形端13直径为18mm ;主轴转速为1800rpm(反转),矫形速度为1000mm/min,压入量为0.1mm。矫形后,侧墙平面度(长度方向≤ lmm/m,侧墙平面度(宽度方向)≤lmm/m,扭抒度(翅曲)≤1.2mm/3m,完全满足变形要求。通过对侧墙单元的矫形对比，表明本发明的矫形效率高、矫形成本低。
[0053]示例2
[0054]某轨道铝合金车体地板是由多组中空挤压型材采用搅拌摩擦焊拼接而成。组焊后地板型材总长度约为22m，宽度为2.5m,型材厚度约70mm。要求组焊后地板横向挠度小于2mm,直线度≤ 2mm/2m,通长≤3mm ;扭抒度(翅曲≤ lmm/m,通长≤ 5mm。采用搅拌摩擦焊接技术焊接完成后虽然变形很小，但是由于产品壁薄以及装夹条件等原因，实际焊接完成后的产品平面度约为2.5mm/2m，但局部变形量可达10_，产品焊后变形量很难满足要求。由于地板组焊后变形量要求较为严格，且由于地板尺寸较大，采用传统的焊后综合矫形技术(机械矫形+火焰矫形)很难满足变形要求。采用本发明的矫形工具及矫形方法只需I个小时即可完成矫形。矫形参数为:矫形参数选择如下:矫形工具I的矫形端13为单条涡状线型槽，矫形端13直径为18mm,转速1500rpm,矫形速度为1000mm/min,压入量为0.1mm。该示例表明本发明可有效的解决车体大部件搅拌摩擦焊焊后矫形的难题，为搅拌摩擦焊技术在轨道交通等领域 中的广泛应用奠定了基础。
[0055]综上所述，本发明利用搅拌摩擦焊设备及夹具，通过安装专用矫形工具对搅拌摩擦焊组焊后的车体的产品进行矫形。经过反复试验和多次优化，利用该方法及工具，成功实现了铝合金列车车体侧墙、底架等部件搅拌摩擦焊焊后矫形。相对于传统的机械矫形、火焰矫形等焊后矫形方法，本发明矫形过程操作简单，矫形时间短，矫形效率大大提高；矫形过程只需更换专用的矫形工具，不需要增加额外的装置，不需要消耗可燃气体，因此矫形成本相对较低，应用于轨道列车侧墙、底架、车顶灯部件产品的矫形中，经济型优势明显。本发明有效解决了车体大部件搅拌摩擦焊接焊后矫形困难等问题，对于推动搅拌摩擦焊技术在轨道交通等领域中的广泛应用奠定了基础。
[0056]针对上 述各实施方式的详细解释，其目的仅在于对本发明进行解释，以便于能够更好地理解本发明，但是，这些描述不能以任何理由解释成是对本发明的限制，特别是，在不同的实施方式中描述的各个特征也可以相互任意组合，从而组成其他实施方式，除了有明确相反的描述，这些特征应被理解为能够应用于任何一个实施方式中，而并不仅局限于所描述的实施方式。
【权利要求】
1.一种中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，所述矫形工具包括:夹持柄，用于连接旋转及顶锻驱动装置；过渡部，呈圆台状，且所述过渡部与所述夹持柄连接为一体；矫形端，位于所述过渡部远离所述夹持柄的一侧。
2.如权利要求1所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，所述矫形端为平面。
3.如权利要求1所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，所述矫形端为内凹面。
4.如权利要求1所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，所述矫形端为外凸面。
5.如权利要求1至4中任一项所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，所述矫形端的矫形面为光滑面。
6.如权利要求1至4中任一项所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，在所述矫形端的矫形面上设有单条螺旋线型槽。
7.如权利要求1至4中任一项所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，在所述矫形端的矫形面上设有三条涡状线型槽。
8.如权利要求1至4中任一项所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，在所述矫形端的矫形面上设有同心圆环线型槽。
9.一种矫形方法，用于中空挤压型材的焊后矫形，所述矫形方法使用如权利要求1至8中任一项所述的中空挤压型材的焊后矫形工具，其特征在于，所述矫形方法包括以下步骤:将待矫形工件固定在焊接夹具的焊接垫板上；将矫形工具的夹持柄与旋转及顶锻驱动装置相连接；启动旋转及顶锻驱动装置，驱动矫形工具旋转并沿所述矫形工具的轴线向所述待矫形工件施加顶锻力，使得所述待矫形工件的焊缝变形区域在摩擦热和顶锻力的共同作用下发生塑性变形，直至与所述焊接夹具的焊接垫板相贴合；所述矫形工具在旋转及顶锻驱动装置的带动下，沿焊缝移动，所述矫形工具由焊缝首端移动到焊缝尾端时，抬起所述矫形工具，松开所述焊接夹具，完成矫形过程。
10.如权利要求9所述的矫形方法，其特征在于，所述矫形工具的转速为200rpm?3000rpm ;所述矫形工具的移动速度为500mm/min?3000mm/min ;所述矫形工具对所述待矫形工件施加顶锻力时的压入量为O?0.4_。
【文档编号】B23K37/00GK103433658SQ201310359279
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2013年8月16日
【发明者】孙占国, 栾国红, 王卫兵, 佟建华 申请人:中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所