手持式双功能旋转摩擦焊接装置及焊接方法与流程

本发明涉及先进连接领域，特别涉及手持式双功能旋转摩擦焊接装置及焊接方法。

背景技术：

随着机械设备整体制造技术能力加强（例如3D打印技术），零件尺寸规模做的越来越大，但基于材料、工艺等各方面局限，零件之间的零连接接头（join-free）仍无法避免，尤其对于列车组、飞机和航母、舰船的大尺度机体制造，部件加工和总装阶段划分不明显，在产品制造现场进行便携式和手持式焊接是一种制造常态模式。同时，手持式和便携式焊接用于现场抢修也十分常见。

另外，随着航天技术深入发展在轨运行的空间飞行器和空间垃圾日益增多，加之先进国家所研制的破坏飞行器的空间武器面世，空间飞行器面临空间在轨修复的需求十分紧迫。搅拌摩擦焊接和摩擦拉塞焊接是一种固相连接和点连接技术手段，在空间修复焊接中潜力巨大，十分有必要发明功率小、重量轻、可靠性高、使用方便的空间焊接设备。

正如所知，搅拌摩擦焊接和摩擦拉塞焊接尚属于先进的固相连接技术和修补焊接技术，该技术在设备小型化方面和满足真空、高低温及失重环境的空间焊接方面，更是国内外一项全新领域，因此本发明所述的手持式双功能旋转摩擦焊接的方法和装置具有填补国内外空白及提供一种基于先进固相焊接的现场焊接和修补工具利器的重大意义。本发明可满足各种大型产品生产的先进焊接要求，具有功率小、重量轻、可靠性高、使用方便等特点，不仅可做地面手持焊接设备，更能适用于空间站在轨手持式焊接。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种小型化的、可满足真空、高低温及失重环境的空间焊接的手持式双功能旋转摩擦焊接装置及方法，用于先进固相焊接的现场焊接和缺陷修补。

本发明所提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置，包括：电动缸、机架)、杠杆组件、上下滑动组件；所述机架为各部件提供安装接口，所述电动缸驱动杠杆组件，杠杆组件带动上下滑动组件滑动，由上下滑动组件提供摩擦拉塞焊的轴向进给与轴向保持力，外源式自动夹头固定摩擦拉塞钉。

进一步，所述杠杆组件包括：舌轴节、颌骨杆、销轴、牵连轴)、滚针轴承及紧轴；电动缸通过所述销轴与舌轴节、颌骨杆连接；颌骨杆为鳄鱼嘴结构，牵连轴安装于颌骨杆相对的一组牵连轴孔内；所述紧轴穿过颌骨杆上的紧轴孔后固定于机架上的紧轴孔；所述滚针轴承位于紧轴与颌骨杆之间。

进一步，所述上下滑动组件包括：电主轴、滑块和滚动导轨；所述电主轴与牵连轴连接，牵连轴带动电主轴相对机架滑动；所述滑块安装于机架，滚动导轨安装于电主轴；滚动导轨沿滑块滑动。

进一步，还包括：行走组件和力变向器，所述行走组件包括：垫板、底板、行走滚动导轨和行走滑块；行走滚动导轨固定于机架表面，行走滑块可以沿行走滚动导轨滑动，底板位于行走滑块表面，垫板位于底板（20）表面，待焊接的母材位于垫板表面。

进一步，拔出销轴时，电动缸与力变向器的输入端连接，力变向器输出端连接行走滑块，实现搅拌摩擦焊接。

进一步，还包括：螺钉、螺母、螺栓；螺钉、螺母用于锁止行走组件，螺栓用于锁止颌骨架；当电动缸轴向进给完成后，松开螺钉、螺母解除行走锁止，将螺栓拧高顶紧颌骨杆实现轴向进给锁止，最后拔出销轴，完成电动缸传力路线的切换。

进一步，还包括：手控组件，所述手控组件包括控制按钮和手把。

进一步，所述力变向器通过球体在一定曲率曲线槽内的自由滚动原理，改变与传递曲线切线方向输入和输出的力的方向。

进一步，所述电主轴包括：芯轴、前轴承、后轴承、由定子和转子构成的永磁同步电机；所述前轴承和后轴承分别安装在芯轴的前端和后端；所述永磁同步电机驱动所述前轴承和后轴承。

本发明还提供采用所述手持式双功能旋转摩擦焊接装置的焊接方法，包括：电动缸驱动杠杆组件沿垂直方向运动，杠杆组件带动电主轴沿垂直方向运动，实现摩擦拉塞焊。

进一步，包括：电主轴在垂直方向运动到预定位置后，松开螺钉、螺母解除行走锁止，将螺栓拧高顶紧颌骨杆实现轴向进给锁止，最后拔出销轴，电动缸与力变向器连接，力变向器驱动行走组件沿水平方向运动，实现搅拌摩擦焊接。

本发明的优点包括：

第一，装置采用高集成度、低能耗、紧凑式设计，重量、功率及尺寸。首先通过咀嚼仿生的高效杠杆组件进一步降低轴向动力源的载荷要求，其次通过精巧的变换装置共用动力源，还通过设计高速、大轴向力及可急停的高效专用电主轴满足工艺的多样化需求，最后装置设计中通过利用合理选择材料及轻量化结构设计等手段减小重量指标。

第二，为了满足真空、高低温及失重环境的空间的应用要求，针对发热较大的电主轴温控方面采用主动温控法，基于电机允许温升不变的条件下，采用冷/热流体介质循环法；另外在润滑方面，替换了常规润滑脂难以满足高低温、微重力和高真空三重环境的使用要求，而采用可热真空环境下使用的美国 Braycote601ef系列真空环境专用润滑脂；最后，本装置通过地面模拟真空、高低温及失重环境的方法验证了上述可行性。

第三，本发明不仅可应用于空间环境，还可以应用与地面便携式焊接。

附图说明

图1为本发明实施例提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置的结构图；

图2为本发明实施例提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置的立体结构示意图；

图3为本发明实施例提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置的机架结构示意图；

图4为本发明实施例提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置的颌骨杆结构示意图；

图5为本发明实施例提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置的自动夹头的结构示意图。

具体实施方式

下文中，结合附图和实施例对本发明实施例作进一步阐述。

结合参考图1和图2，本发明实施例所提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置包括电动缸1、机架2、杠杆组件、上下滑动组件；所述机架2为各部件提供安装接口，所述电动缸1驱动杠杆组件，杠杆组件带动上下滑动组件滑动，由上下滑动组件提供摩擦拉塞焊的轴向进给与轴向保持力，外源式自动夹头固定摩擦拉塞钉。还包括：手控组件，所述手控组件包括控制按钮和手把。

所述电动缸1采用滚柱丝杠和内装式电机直驱，可以提供较大的轴向力、灵敏的速度及高精度，满足无倾角搅拌摩擦焊接对下压量和大轴向力的需求。并通过其自带的可编程逻辑控制器（PLC）编制相应工艺程序，并通过安装在机架上的手把8和控制按钮7实现焊接工具更换操控和焊接作业。

结合参考图2和图3，所述机架2为各部件提供安装接口和空间，所述机头架(2)采用有限元技术进行结构优化，以起到较好的减重效果，方便手持焊接操作，该机架采用锻铝LD10材料，通过数控铣削加工制造。

结合参考图1和图4，所述杠杆组件包括：舌轴节3、颌骨杆4、销轴5、牵连轴9、滚针轴承12及紧轴13；电动缸1通过所述销轴5与舌轴节3、颌骨杆4连接；颌骨杆4为鳄鱼嘴结构，牵连轴9安装于颌骨杆4相对的一组牵连轴孔内；所述紧轴13穿过颌骨杆4上的紧轴孔后固定于机架上的紧轴孔；所述滚针轴承12位于紧轴13与颌骨杆4之间。所述的颌骨杆利用有限元计算设计和轻质材料选型技术，以达到良好结构效率，解决设备所需大轴向力受力和设备总重量可手持的矛盾问题。本实施例中，通过颌骨杆4并利用杠杆原理的增力原理将直线运动拉压力放大为旋转摩擦焊接工艺所需的轴向力。

所述上下滑动组件包括：电主轴6、滑块14和滚动导轨15；所述电主轴6与牵连轴9连接，牵连轴9带动电主轴6相对机架2滑动；所述滑块14安装于机架2，滚动导轨15安装于电主轴6；滚动导轨15沿滑块滑动。电主轴通过外源式自动夹头18固定焊接装置，比如搅拌头。滚动导轨与滑块用于减小电主轴沿轴向运动时的摩擦力。

本发明实施例所提供的电主轴为新型高速大轴向力可急停电主轴，包括：芯轴、前轴承、前轴承冷却套、前轴承座、前轴承压盖、定子、转子、平衡盘、弹簧胀紧套、冷却套、密封圈、后轴承、后轴承内压盖、后轴承挡圈、后轴承限位圈、后轴承座、后座、旋转编码器、电磁制动器和后盖；前轴承冷却套、前轴承座、前轴承压盖、定子、冷却套、密封圈、后轴承内压盖、后轴承挡圈、后轴承限位圈、后轴承座、后座、后盖等形成电主轴固定部件，并通过前轴承座和冷却套的法兰面以及轴与旋转摩擦连接装备的机体连接和固定；冷却套套在定子外部，通过密封圈与定子上自带的螺旋冷却槽形成循环通道，并通过冷却套的打斜孔将循环通道贯穿到前轴承冷却套和前轴承座内部，使急停时受力和温升最大的一对前轴承获得最佳冷却效果；通过前轴承的压盖、挡圈、限位圈等附件将前轴承固定在芯轴的前端，通过弹簧胀紧套的过盈配合将转子固定在芯轴中部，通过后轴承压盖、挡圈、限位圈将后轴承固定在芯轴的后端，并与旋转编码器和电磁制动器形成电主轴转动部件；旋转编码器用于转速精确读取和闭环控制，电磁制动器用于提供通过电磁开关量信号控制的辅助电主轴急停的机械制动力；电主轴转动部件套在电主轴固定部件内部，并通过由定子和转子构成的永磁同步电机驱动所述电主轴转动部件及芯轴上的旋转摩擦连接装备的工具附件。

结合参考图1，本发明所提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置还包括：行走组件和力变向器21，所述力变向器21通过球体在一定曲率曲线槽内的自由滚动原理，改变与传递曲线切线方向输入和输出的力的方向；所述行走组件包括：垫板19、底板20、行走滚动导轨16和行走滑块17；行走滚动导轨16固定于机架表面，行走滑块17可以沿行走滚动导轨16滑动，底板20位于行走滑块17表面，垫板19位于底板20表面，待焊接的母材位于垫板19表面。 拔出销轴5时，电动缸1与力变向器21的输入端连接，力变向器输出端连接行走滑块17，实现搅拌摩擦焊接。在由摩擦拉塞焊切换为搅拌摩擦焊时，先由电动缸1驱动电主轴6到达轴向适当位置，当电动缸轴向进给完成后，松开螺钉 25、螺母 26解除行走锁止，将螺栓31拧高顶紧颌骨杆4实现轴向进给锁止，最后拔出销轴5，完成电动缸传力路线的切换。

参考图1，本发明实施例所提供的手持式双功能旋转摩擦焊接装置各部件之间，包括：型号为M3×5的螺钉10、大平垫11、型号为M10×40的螺钉22、型号为10的弹垫23、三角块24、型号为M8×30的螺钉 25、型号为M8的螺母26、型号为M8×25的螺钉27、型号为8的弹垫28、型号为M2×8的螺钉29、型号为M8×290的自制长螺栓 30、型号为M5×40的螺栓31。

综上，本发明选用轻型高速大轴向力可急停电主轴提供旋转摩擦焊接；通过电动缸提供直线运动的精确驱动，以实现精确下压量；通过如附图4所示的颌骨杆并利用杠杆原理的增力原理将直线运动拉压力放大为旋转摩擦焊接工艺所需的轴向力功能；通过力变向器实现焊缝行走驱动。通过销轴进行以上所述的工艺功能组合，该手持式双功能旋转摩擦焊接的方法和装置可以分别完成摩擦拉塞焊和无倾角搅拌摩擦焊接两个旋转摩擦焊接功能。本发明工作时，利用力变向器将电动缸轴向进给运动转换成焊缝行走运动，运动传递的切换通过销轴插入实现，当电动缸轴向进给完成进给后，松开螺钉和螺母解除行走锁止，将螺栓拧高顶紧颌骨杆实现轴向进给锁止，最后拔出销轴，完成电动缸传力路线的切换，实现摩擦拉塞焊与搅拌摩擦焊接之间的切换。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。