一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具及焊接方法与流程

本发明属于中空型材焊接技术领域，具体涉及一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具及焊接方法。

背景技术：

搅拌摩擦焊（fsw）技术是英国焊接研究所（twi）于1991年发明的一种固相焊接技术，通过旋转的搅拌工具轴肩和搅拌头与被焊接件摩擦产热以及搅拌头的机械搅拌作用，使焊接位置的材料发生塑化和流动，从而实现可靠焊接。

常规搅拌摩擦焊顶煅力较大，被焊材料底部需要垫板，否则会因塑性材料流失而产生缺陷。对于工业中常用的铝合金中空型材，加垫板不容易实现，为了实现中空型材的焊接，在常规搅拌摩擦技术的基础上，发明了双轴肩搅拌摩擦焊技术，双轴肩搅拌摩擦焊采用具有上、下轴肩的自支撑搅拌工具，两个轴肩通过与被焊结构厚度相当的搅拌头连接，焊接过程中上、下轴肩与搅拌针共同旋转并与被焊材料相互作用实现焊接，其中，下轴肩代替了背部的刚性支撑垫板，因此可适用于中空型材和封闭结构件的焊接。

目前，双轴肩搅拌摩擦焊在中空型材焊接上应用十分普遍，但是用该技术焊接中空型材时，上、下两条焊缝需要分两次进行焊接，采用多轴肩搅拌工具可以实现多条平行焊缝一次焊接，可大大简化焊接工艺，提高焊接效率。由于型材存在公差，采用固定式多轴肩搅拌工具焊接时，多轴肩焊接过程中搅拌工具抖动较大，易造成搅拌针断裂。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具及焊接方法，以解决现有技术中固定式多轴肩搅拌工具焊接过程中搅拌工具抖动较大，易造成搅拌针断裂的技术问题。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具，包括上轴肩体，所述上轴肩体上依次安装有浮动轴肩组件和下轴肩体，所述上轴肩体包括上轴肩，所述下轴肩体包括下轴肩，所述浮动轴肩组件包括浮动轴肩，所述浮动轴肩与上轴肩和下轴肩之间的轴向距离可调。

所述浮动轴肩与上轴肩体之间为键连接。

所述浮动轴肩组件包括浮动轴肩体和缸体，所述缸体为两端设有向内的凸缘的套筒结构，所述浮动轴肩体的中心为通孔，一端为浮动轴肩，2个所述浮动轴肩体通过开口槽分别与缸体两端的凸缘配合，所述浮动轴肩体与缸体可以在轴向相对滑动。

所述开口槽的宽度比所述凸缘的宽度大2~5mm。

所述上轴肩体内设有通道，所述通道与上轴肩体同轴，通道出口位于浮动轴肩组件形成的空腔内。

所述上轴肩体包括连接结构，所述连接结构通过连接螺纹与下轴肩体连接，通过凸台对下轴肩体进行轴向定位。

所述上轴肩、浮动轴肩、下轴肩均为外凸状，轴肩面上设有同心圆槽或螺纹槽。

所述上轴肩体包括夹持柄，所述夹持柄采用侧顶夹紧或同心夹紧。

所述上轴肩体包括搅拌针，所述搅拌针包括上搅拌针和下搅拌针，搅拌针为圆柱状，沿圆周方向加工有3-5个平台，沿长度方向加工有2-3圈圆槽。

一种多层中空型材焊接方法，使用多层中空型材焊接的自适应搅拌工具焊接中空型材。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

（1）本发明通过设置浮动轴肩组件，可以据型材壁厚的变化实时调整轴肩间距，降低搅拌针受到的扭矩，提高搅拌工具寿命；

（2）本发明通过使用自适应搅拌工具焊接中空型材，提高了生产效率，降低了生产成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具的整体结构剖视图；

图2是本发明实施例提供的一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具的上轴肩体的结构剖视图；

图3是本发明实施例提供的一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具的浮动轴肩的结构剖视图；

图4是本发明实施例提供的一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具的缸体的结构剖视图；

图5是本发明实施例提供的一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具的下轴肩体的结构剖视图；

图6是使用本发明实施例提供的一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具进行焊接的示意图；

图中：1.上轴肩体；10.夹持柄；11.通道；12.上轴肩；13.搅拌针；131.上搅拌针；132.下搅拌针；14.键；15.通道出口；16.连接结构；161.凸台；162.连接螺纹；2.下轴肩体；21.阶梯孔；211.大孔；212.螺纹孔；22.下轴肩；3.浮动轴肩组件；31.浮动轴肩体；311.浮动轴肩；312.键槽；313.开口槽；32.缸体；321.凸缘；322.筒壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，一种多层中空型材焊接的自适应搅拌工具，搅拌工具由若干个分体件组装在一起。分体件包括设置在上下两端的上轴肩体和下轴肩体，还包括串联在两者之间的浮动轴肩组件，各分体件通过连接机构顺次相连组装在一起。其中，上轴肩体、下轴肩体和浮动轴肩组件为轴对称结构，组装在一起时，它们的对称轴位于同一条垂直线上。上轴肩体、浮动轴肩组件通过键配合，上轴肩体与下轴肩体采用螺纹连接。浮动轴肩组件为由两个浮动轴肩体和一个缸体组装而成的密闭空间，其体积可以在一定范围内变化。往上述浮动轴肩体和缸体组成的密闭空间内通入一定压力的空气或油液，通过气压或液压来调整浮动轴肩的位置，实现根据型材壁厚的变化实时调整轴肩间距，降低搅拌针受到的扭矩，提高搅拌工具寿命。

上轴肩体上加工有夹持柄，夹持柄采用侧顶夹紧或同心夹紧。上轴肩体的中心设有通道，通道出口位于上搅拌针和下搅拌针之间，浮动轴肩组件内部空间内，通道出口沿圆周方向对称分布两个。气体或油液能由通道进入浮动轴肩组件的空腔内，驱动浮动轴肩体沿轴向移动。上轴肩体还包括上轴肩、搅拌针、键、连接结构。搅拌针包括上搅拌针和下搅拌针，搅拌针为圆柱状，沿圆周方向加工有3-5个平台，沿长度方向加工有2-3圈圆槽，搅拌针上的平台及圆槽的作用是使对接界面附近的塑化材料充分流动混合，解决焊缝不成形或成形差的问题。键设置在上搅拌针和下搅拌针之间，一体加工在上轴肩体上。连接结构包括凸台和连接螺纹，凸台用于对下轴肩体定位，连接螺纹用于安装下轴肩体。

下轴肩体由下轴肩、阶梯孔，阶梯孔由大孔和螺纹孔组成；大孔与上轴肩体上的连接结构的凸台配合，螺纹孔与连接结构的连接螺纹配合。

浮动轴肩组件由两个浮动轴肩体和一个缸体组成，浮动轴肩体为中间通孔型，一端为外凸状的浮动轴肩，通孔侧壁加工有键槽，键槽与上轴肩体上的键配合；轴肩外侧面沿圆周方向加工由开口槽。缸体为两端向内凸出的套筒结构，由凸缘和筒壁组成。凸缘与浮动轴肩开口槽配合。凸缘的宽度比开口槽宽度小2~5mm，凸缘可在开口槽内上下滑动，从而控制轴肩浮动。

上轴肩、浮动轴肩和下轴肩均为外凸状，轴肩面上加工有同心圆槽或螺旋槽，同心圆及螺旋槽的作用是增加轴肩对塑化材料的搅拌作用，促进焊缝成形，其中，螺旋槽还有使塑化金属内聚的作用，从而大大减小焊接飞边。

如图6所示，选择上轴肩体、浮动轴肩组件和下轴肩体组合进行可变厚度中空型材的多轴肩搅拌摩擦焊接，随着型材壁厚的变化，浮动轴肩可上下滑动，使得上下两条焊缝都能在最合适的压入量下焊接，起始焊接时焊接速度约为稳定焊接速度的10%~30%。

本发明所设计的多层中空型材焊接的自适应搅拌工具不仅能够一次性完成对中空型材多道平行焊缝的焊接成形，浮动轴肩的设计可根据板厚调节焊接过程压入量。同时，可根据型材的壁厚和中空型材的空腔距离选择不同型号的上轴肩体、浮动轴肩组件和下轴肩体进行组合，且更换方便，易于操作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。