一种多模式搅拌摩擦焊焊具及系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种多模式搅拌摩擦焊焊具及系统。


背景技术：

[0002]
搅拌摩擦焊接是英国焊接研究所(twi)于1991年实用新型的一种新型固相连接技术，其出现使得铝合金等有色金属的连接技术发生了革命性的进步，被誉为最具革命性的焊接方法。短短二十几年里，搅拌摩擦焊技术已成功应用于航空、航天、船舶、列车、兵器、核能以及汽车等多个工业领域的铝合金、铜合金产品焊接中。
[0003]
搅拌摩擦焊，包括动轴肩和静轴肩搅拌摩擦焊，只能实现恒定焊深的焊接，对于厚度不均匀的材料，由于搅拌针长度是恒定的，无法实现一次焊接过程将焊缝全部焊透，且焊缝无减薄，只能通过更换焊具或双面焊接的方式实现变厚度焊缝的焊接。并且，常规搅拌摩擦缝焊在搅拌针扎入材料的过程中，搅拌针区域的材料会被挤出，形成飞边，导致焊缝减薄；焊完后因搅拌针撤出且无材料填充而留下空洞，从而形成一个匙孔；而减薄和匙孔的存在既影响接头的完整性，也降低接头的性能。
[0004]
在现有技术中，采用搅拌针回抽的方式可变焊深焊接以及无匙孔焊接，但搅拌针的单回抽，无法实现搅拌摩擦点焊功能，而且由于在焊接过程中材料的挤出又会导致焊缝减薄。
[0005]
另外，针对搅拌摩擦缝焊，无法利用同一套焊具实现动轴肩和静轴肩两种搅拌摩擦缝焊方法，也无法在焊接过程中实时切换动轴肩和静轴肩焊接方法。


技术实现要素：

[0006]
因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中实现缝焊与点焊功能时，采用常规点焊焊具，结构易损坏；以及无法利用同一套焊具实现动轴肩和静轴肩两种搅拌摩擦缝焊的缺陷，从而提供一种多模式搅拌摩擦焊焊具及系统。
[0007]
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案如下：
[0008]
本实用新型提供一种多模式搅拌摩擦焊焊具，其包括：
[0009]
夹套，内有容置腔，底部中心处具有一通孔；
[0010]
袖套，为设于夹套的容置腔内的中空管结构；
[0011]
搅拌针，设于袖套的中空结构中，且与袖套同轴；
[0012]
轴承件，设于夹套的容置腔内，套设于袖套之外；
[0013]
所述袖套依次穿设于所述轴承件和所述通孔；所述袖套和搅拌针能够经由所述通孔向所述容置腔外伸出；所述袖套和搅拌针均可在外力驱动下旋转，以及均可在外力驱动下沿轴向运动以伸出或退回所述通孔；所述通孔和所述袖套之间具有第一间隙；在所述袖套和所述搅拌针之间具有第二间隙，从而所述袖套和所述搅拌针之间能够沿轴向相对运动。
[0014]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，所述轴承件包括轴承、衬套和紧固件，其中，所述紧固件包括前轴承端盖、后轴承端盖、前轴承端盖锁紧件和后轴承端盖锁紧件；所述衬套套接于所述轴承与所述袖套之间。
[0015]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，所述轴承为角接触球轴承，优选地，所述角接触球轴承背对背或面对面地成对安装。
[0016]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，所述轴承为至少三个角接触球轴承，任意相邻两个角接触球轴承背对背或面对面安装。
[0017]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，所述袖套的材质硬度高于所述衬套的材质，例如袖套和搅拌针的材质为钢，衬套的材质为铜。
[0018]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，所述衬套为石墨铜套、带滚珠的导套或者直线轴承；所述袖套和所述搅拌针为钢质材料。
[0019]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，
[0020]
所述后轴承端盖锁紧件与所述后轴承端盖配合，将所述轴承固设于所述容置腔内；
[0021]
所述前轴承端盖锁紧件将所述前轴承端盖固定在所述衬套上；
[0022]
所述前轴承端盖和所述后轴承端盖从相对的两个方向预紧挤压所述轴承。
[0023]
所述的多模式搅拌摩擦焊焊具中，所述第一间隙的大小使得焊接过程中袖套发生形变时不与所述通孔接触；所述第二间隙的大小使得焊接过程中搅拌针和袖套发生形变时互相不接触。
[0024]
本实用新型提出一种多模式搅拌摩擦焊的焊接系统，其包括上述的多模式搅拌摩擦焊焊具，所述焊具与焊接系统的主轴相连接，所述焊接系统还包括驱动组件，所述驱动组件驱动所述焊具的袖套(2)和搅拌针(3)进行旋转和/或沿轴向运动。
[0025]
本实用新型技术方案，具有如下优点：
[0026]
1.利用焊具内部集成轴承结构，大大减小袖套和搅拌针在缝焊过程中的力臂，从而使得袖套和搅拌针在缝焊过程中所受弯矩较小，从而能够保证搅拌针和袖套的小变形和大刚性，并且能够保证袖套和搅拌针在旋转过程中能够实现沿轴向的运动。
[0027]
2.利用成对轴承消除单个轴承的游隙，背对背安装和面对面安装均可达到消除游隙的目的。直接通过夹套和后轴承端盖、衬套和前轴承端盖对成对安装的轴承进行预紧，无需额外的预紧装置。降低了机构的复杂度，同时提升了焊具的同轴度和径向刚度。
[0028]
3.可在焊接过程中实时切换多种搅拌摩擦焊接方法，根据不同的焊接需要，调节袖套和搅拌针与夹套配合，使得同一个搅拌摩擦焊焊具适用于多种不同的搅拌摩擦焊接模式，无需停止焊接过程和更换焊具。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1为本实用新型的实施例中提供的多模式搅拌摩擦焊焊具结构示意图；
[0031]
图2a为本实用新型的实施例中提供的第一种点焊模式示意图；
[0032]
图2b为本实用新型的实施例中提供的第二种点焊模式示意图；
[0033]
图3为本实用新型的实施例中提供的动轴肩搅拌摩擦缝焊模式示意图；
[0034]
图4为本实用新型的实施例中提供的动轴肩变焊深搅拌摩擦缝焊模式示意图；
[0035]
图5为本实用新型的实施例中提供的静轴肩搅拌摩擦缝焊模式示意图；
[0036]
图6为本实用新型的实施例中提的静轴肩变焊深搅拌摩擦缝焊模式供示意图；
[0037]
图7为本实用新型的实施例中提供的混合焊接模式示意图；
[0038]
图8为本实用新型的实施例中提供的中空变焊深无减薄无匙孔搅拌摩擦缝焊的一种模式示意图；
[0039]
图9为本实用新型的实施例中提供的中空变焊深无减薄无匙孔搅拌摩擦缝焊的另一种模式示意图；
[0040]
附图标记说明：
[0041]
1-夹套；2-袖套；3-搅拌针；4-后轴承端盖；5-衬套；6-轴承；7-前轴承端盖；8-前轴承端盖锁紧螺栓；9-后轴承端盖锁紧螺栓；10-待焊工件。
具体实施方式
[0042]
下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0043]
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0044]
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0045]
如图1所示，本实用新型提供一种多模式搅拌摩擦焊焊具，包括：
[0046]
夹套1，内有容置腔，底部中心处具有一通孔；
[0047]
袖套2，为设于夹套1的容置腔内的中空管结构；
[0048]
搅拌针3，设于袖套2的中空结构中，且与袖套2同轴；
[0049]
轴承件，设于夹套1的容置腔内，套设于袖套2之外；
[0050]
所述袖套2依次穿设于所述轴承件和所述通孔；所述袖套2和搅拌针3能够经由所述通孔向所述容置腔外伸出；所述袖套2和搅拌针3均可在外力驱动下旋转，以及均可在外力驱动下沿轴向运动以伸出或退回所述通孔；所述通孔和所述袖套2之间具有第一间隙；在所述袖套2和所述搅拌针3之间具有第二间隙，从而所述袖套2和所述搅拌针3之间能够沿轴向相对运动。
[0051]
所述第一间隙满足焊接过程中袖套2发生变形时不与所述通孔接触；所述第二间隙满足焊接过程中搅拌针3和袖套2发生变形时彼此不会相互接触。
[0052]
本实用新型提供一种多模式搅拌摩擦焊的焊接系统焊接设备，其特征在于，包括前面所述的多模式搅拌摩擦焊焊具，所述焊具与焊接系统的主轴相连接，所述焊接系统还包括驱动组件，所述驱动组件驱动所述焊具的袖套2和搅拌针3进行旋转和/或沿轴向运动。
[0053]
实施例1
[0054]
本实施例提供一种多模式搅拌摩擦焊焊具，如图1所示，其具体包括：
[0055]
夹套1，内有容置腔，底部中心处具有一通孔；
[0056]
袖套2，为设于夹套1的容置腔内的中空管结构；
[0057]
搅拌针3，设于袖套2的中空结构中，且与袖套2同轴；
[0058]
轴承件，设于夹套1的容置腔内，套设于袖套2之外；
[0059]
所述袖套2依次穿设于所述轴承件和所述通孔；所述袖套2和搅拌针3能够经由所述通孔向所述容置腔外伸出；所述袖套2和搅拌针3均可在外力驱动下旋转，以及均可在外力驱动下沿轴向运动以伸出或退回所述通孔；所述通孔和所述袖套2之间具有第一间隙；在所述袖套2和所述搅拌针3之间具有第二间隙，从而所述袖套2和所述搅拌针3之间能够沿轴向相对运动。
[0060]
所述第一间隙满足焊接过程中袖套2发生变形时不与所述通孔接触；所述第二间隙满足焊接过程中搅拌针3和袖套2发生变形时彼此不会相互接触。
[0061]
所述轴承件包括轴承6、衬套5和紧固件，轴承6外壁与夹套1内壁接触，所述衬套5套接于所述轴承与所述袖套2之间；所述紧固件包括前轴承端盖7、后轴承端盖4、前轴承端盖锁紧件和后轴承端盖锁紧件，所述后轴承端盖锁紧件与所述后轴承端盖4配合，将所述轴承固设于所述容置腔内，所述前轴承端盖锁紧件将所述前轴承端盖7固定在所述衬套5上，所述前轴承端盖7和所述后轴承端盖4从相对的两个方向预紧挤压所述轴承；优选地，所述前轴承端盖锁紧件和后轴承端盖锁紧件采用前轴承盖锁紧螺栓8和后轴承锁紧螺栓9。
[0062]
通过夹套1和后轴承端盖4、衬套5和前轴承端盖7以及两锁紧件8和9进行预紧，无需额外的预紧装置，降低了机构的复杂度，消除轴承6的游隙，保证焊具的径向精度。
[0063]
所述轴承为角接触球轴承，采用背对背或面对面地成对安装；所述轴承包括至少三个角接触球轴承，任意相邻两个角接触球轴承背对背或面对面安装。
[0064]
优选地，所述袖套2的材质硬度高于所述衬套5的材质，以保护袖套2不受损伤以及确保袖套2和衬套5之间能够顺利地沿轴向相对移动。例如袖套2和搅拌针3的材质为钢，衬套5的材质为铜。
[0065]
所述衬套5为石墨铜套、带滚珠的导套或者直线轴承，其可大大降低袖套和衬套之间的摩擦力，使得袖套在轴向运动过程中受很小的摩擦力；可替代地，轴承也可以是其他的普通轴承，通过成对安装消除单个轴承的游隙，例如背对背安装和面对面安装的方式。
[0066]
轴承件包括但不限于上述组件，还可包括其他组件。
[0067]
所述多模式搅拌摩擦焊焊具可配置在焊接系统中，所述焊具与焊接系统的主轴相连接，所述焊接系统还包括驱动组件，所述驱动组件驱动所述焊具的袖套2和搅拌针3进行旋转和/或沿轴向运动；所述焊接系统可采用单个双回抽式搅拌摩擦焊主轴，调节夹套1、袖套2和搅拌针3的沿轴向的相对位置，实现不同模式的搅拌摩擦焊方法。
[0068]
本实施例提供的多模式搅拌摩擦焊焊具，根据不同的焊接需要，可以调节袖套和搅拌针与夹套配合，使得同一个搅拌摩擦焊焊具适用于多种不同的搅拌摩擦焊接模式；通
过焊具内部集成轴承件结构，使袖套及搅拌针先穿过轴承件后进入通孔，增加多模式焊具的同轴度，大大减小袖套和搅拌针在缝焊过程中的力臂，使得袖套和搅拌针在缝焊过程中所受弯矩较小，从而能够保证搅拌针和袖套的小变形和大刚性，避免其受到阻力后产生较大的变形而损坏，并且在袖套和搅拌针在旋转过程中能够实现沿轴向的运动以完成缝焊，并实现多模式搅拌摩擦焊焊具的耐久性。
[0069]
实施例2
[0070]
本实施例提供一种搅拌摩擦点焊焊接方法，其采用实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具。如图2a和2b分别示出了两种不同的搅拌摩擦点焊实现方式。
[0071]
焊接时，主轴相对于待焊工件10在平行于工件表面的方向上不移动，即水平方向相对静止，主轴沿垂直于工件表面的方向运动，远离待焊工件表面为向上，靠近待焊工件表面为向下。
[0072]
如图2a所示，为袖套2下扎模式点焊。主轴向下运动，保持夹套1与待焊工件10上表面接触，并压紧待焊工件10；袖套2向下扎入待焊工件10内部，同时搅拌针3向上回抽，袖套2和搅拌针3同时进行轴向移动，下扎入待焊工件内部的体积与向上回抽产生的空腔体积相等。
[0073]
优选地，袖套2和搅拌针3同时进行轴向移动，且速度满足以下关系式：v2
×
s2＝v3
×
s3；式中，v2、v3分别为袖套和搅拌针的轴向移动速度的大小；s2和s3分别为袖套和搅拌针的端部面积。
[0074]
如图2b所示，为搅拌针3下扎模式点焊。主轴向下运动，保持夹套1与待焊工件10上表面接触，并压紧待焊工件10；搅拌针3向下扎入待焊工件10内部，同时袖套2向上回抽，袖套2和搅拌针3同时进行轴向移动，下扎入待焊工件内部的体积与向上回抽产生的空腔体积相等。且二者的速度满足以下关系式：v2
×
s2＝v3
×
s3，s2和s3分别为袖套和搅拌针的端部面积。
[0075]
实施例3
[0076]
本实施例提供一种动轴肩搅拌摩擦缝焊焊接方法，其采用实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具。图3示出了动轴肩焊接中袖套和搅拌针沿轴向的位置关系，图4示出了动轴肩焊接中变焊深焊接方式。
[0077]
如图3所示，夹套1下端面与待焊工件10表面不接触；袖套2下端面与待焊工件表面接触，压紧所述待焊工件10；搅拌针3向下扎入待焊工件10内部；启动主轴，主轴沿待焊工件10表面在水平方向上相对运动，袖套2和搅拌针3同时同向旋转，从而实现动轴肩搅拌摩擦缝焊。
[0078]
如图4所示，当待焊工件10的厚度不均匀时，保持夹套1下端面与待焊工件10表面不接触，保持袖套2的下端面与待焊工件10表面的压力恒定，根据待焊工件10的厚度调节搅拌针3的扎入深度从而实现变焊深动轴肩搅拌摩擦缝焊。
[0079]
实施例4
[0080]
本实施例提供一种静轴肩搅拌摩擦缝焊焊接方法，其采用实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具。图5示出了静轴肩焊接中袖套和搅拌针沿轴向的位置关系，图4示出了静轴肩焊接中变焊深焊接方式。
[0081]
如图5所示，夹套1下端面与待焊工件表面接触，压紧所述待焊工件10；袖套2和搅
拌针3一起向下扎入待焊工件内部，启动主轴，主轴沿待焊工件10表面在水平方向上相对运动，袖套2和搅拌针3同时同向旋转，从而实现静轴肩搅拌摩擦缝焊。
[0082]
如图6所示，当待焊工件10的厚度不均匀时，保持夹套1下端面与待焊工件10表面的恒定压力，根据待焊工件10的厚度调节袖套2和搅拌针3的扎入深度从而实现变焊深静轴肩搅拌摩擦缝焊。
[0083]
实施例5
[0084]
本实施例提供一种混合模式搅拌摩擦缝焊焊接方法，其采用实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具。图7示出了动静混合轴肩焊的焊接方式。
[0085]
如图7所示，夹套1和袖套2下端面与待焊工件10表面接触，压紧所述待焊工件10；搅拌针3向下扎入待焊工件10内部，启动主轴，主轴沿待焊工件表面在水平方向上相对运动，袖套2和搅拌针3同时同向旋转，从而实现动静混合轴肩混焊接。
[0086]
当待焊工件10的厚度不均匀时，保持夹套1和袖套2的下端面与待焊工件10表面的恒定压力，根据待焊工件10的厚度调节搅拌针3的扎入深度从而实现变焊深动静混合轴肩搅拌摩擦缝焊。
[0087]
实施例6
[0088]
本实施例提供一种中空式无减薄搅拌摩擦焊接方法，其采用实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具。具体焊接步骤如下：
[0089]
在初始状态时，调节搅拌针3、袖套2和夹套1下端面处于同一水平高度，该水平高度为原点位置；主轴带动所述焊具向下靠近待焊工件10表面，使得夹套1与待焊工件表面接触，压紧所述待焊工件；
[0090]
启动主轴，搅拌针3和袖套2同时旋转；袖套2和搅拌针3二者之一沿轴线向下扎入待焊工件10内部，同时另一者沿向上回抽，始终保持向下扎入待焊工件内部的体积与向上回抽产生的空腔体积相等；具体地，袖套2和所述搅拌针3同时运动且二者沿轴向移动速度满足以下关系式：v2
×
s2＝v3
×
s3；式中，v2、v3分别为袖套和搅拌针的轴向移动速度的大小；s2和s3分别为袖套和搅拌针的端部面积，如图8所示。
[0091]
主轴沿待焊工件10表面进行水平运动，当待焊工件10的厚度不均匀时，根据待焊工件10的厚度调节向下扎入的深度，并保持向下扎入待焊工件10内部的体积与向上回抽产生的空腔体积相等，从而实现变焊深的无减薄搅拌摩擦缝焊。
[0092]
由于向上回抽形成空腔，待焊工件10的材料会进入所述空腔中，从而实现中空式搅拌摩擦焊接。本实用新型的中空式搅拌摩擦焊可增加焊具与被焊材料的接触面积，增加摩擦产热和材料的塑性流动，从而能够提升焊接效率。
[0093]
实施例7
[0094]
本实施例提供一种实现匙孔填充的搅拌摩擦焊接方法，其采用实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具，包括：
[0095]
保持夹套1与待焊工件10表面接触，压紧所述待焊工件10；
[0096]
袖套2和搅拌针3中的二者之一向下扎入待焊工件内部，同时另一者向上回抽；
[0097]
在焊接过程中保持下扎入待焊工件内部的体积与向上回抽产生的空腔体积相等；
[0098]
当焊接接近终点位置时，主轴沿待焊工件10的表面水平运动靠近终点的同时，控制搅拌针3和袖套2二者中下扎入待焊工件10内部的一者向上匀速运动，同时另一者向下匀
速运动，使得空腔里面的进入的焊接材料向下回填，当主轴到达终点时，同时完成焊接材料的回填，如图8所示
[0099]
或者，当焊接到达终点位置时，主轴相对于待焊工件10在水平方向上不运动，控制搅拌针3和袖套2二者中下扎入待焊工件10内部的一者向上匀速运动，同时另一者向下匀速运动，使得空腔里面的进入的焊接材料向下回填，直到回填完成。
[0100]
实施例8
[0101]
本实施例提供一种搅拌摩擦焊接系统，其包含实施例1所述的多模式搅拌摩擦焊焊具。该搅拌摩擦焊接系统，其可在焊接过程中根据需要实时切换多种搅拌摩擦焊接方法，而无需停止焊接过程和更换焊具。其采用的多种搅拌摩擦焊接方法可选择为实施2-7中描述的任一种或几种焊接方法，并且能够在任一种模式的搅拌摩擦焊接方法下，均能够保证搅拌摩擦焊焊具的耐久性。
[0102]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。