[發明專利]一種壓力控制攪拌摩擦焊主軸頭裝置

有效

• 申請號: 201310254255.6
• 申請日: 2013-06-24
• 公開（公告）號: CN103350278A
• 公開（公告）日: 2013-10-16
• 發明（設計）人: 楊新岐;崔雷;侯曉鵬
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李麗萍

技術領域

本發明屬于金屬材料加工的焊接設備制造工程領域，具體講是針對鋁、鎂等有色金屬及其合金焊接的一種壓力控制攪拌摩擦點焊和攪拌摩擦縫焊主軸頭裝置。

背景技術

攪拌摩擦焊(Friction?Stir?Welding-FSW)是英國焊接研究所(The?Welding?Institute-TWI)于1991年發明的一項固相摩擦焊接技術，主要用于鋁及鎂合金、銅及鈦合金等有色金屬合金的連接。FSW與傳統熔焊方法無法相比的許多優勢：如焊接過程不需要坡口準備、填充金屬及保護氣體；焊接接頭質量及力學性能獲得明顯改善；焊接變形小、缺陷水平低及生產效率高等。FSW可以成功地實現各種鋁合金、鎂合金等輕合金的連接，尤其是能夠可靠連接熔焊方法很難焊接的Al-Cu(2000系列)和Al-Zn(7000系列)等高強鋁合金。在航空航天、汽車工業、高速客車與船舶建造等結構制造領域，FSW技術具有廣泛的應用前景。

FSW過程采用一種非消耗與高速旋轉的具有特殊幾何形狀的攪拌工具插入被連接工件連接界面處，通過攪拌工具沿連接界面的旋轉橫向移動、和與被連接工件之間的擠壓摩擦熱實現材料的冶金連接。由于采用非消耗的攪拌工具，FSW可以實現各種形式的焊接，如對接接頭、搭接接頭、角接接頭及T型接頭等。目前在工業領域中鋁合金FSW對接接頭與搭接接頭已獲得廣泛應用。

FSW自動化機床設備是實現和完成FSW焊接過程的基礎，其中承受高載荷的主軸頭設計制造是FSW焊接設備的關鍵裝置。根據FSW焊接工藝過程要求，主軸頭裝置在高速旋轉的同時還必須承受巨大軸向頂鍛壓力和側向移動力，而施加軸向頂鍛壓力可以通過軸向位移控制或載荷控制兩種模式實現。

目前在國外市場上公開的壓力控制攪拌摩擦焊接設備，采用施加載荷裝置與主軸頭分離的結構方式，其FSW設備結構與控制機構都比較復雜；而國內攪拌摩擦焊接設備制造單位：北京賽福斯特技術有限公司(2002獲得TWI授權)、上海航天設備制造總廠(2010獲得TWI授權)在市場上公開的攪拌摩擦焊設備均為位移控制模式施加軸向頂鍛壓力，其焊接工藝過程均建立在位移控制模式的攪拌摩擦焊接設備基礎上，這導致國內FSW焊接設備自動化程度、工藝過程及焊接加工效率與焊縫質量控制等研究具有明顯局限性。

發明內容

針對上述現有技術中位移控制攪拌摩擦點焊及攪拌摩擦焊設備的局限性，本發明提出一種壓力控制攪拌摩擦焊主軸頭裝置。該主軸頭裝置可將焊接所需的主軸旋轉功能與施加軸向壓力過程集成在一體，形成一種專用的額實現恒定焊接壓力控制的攪拌摩擦焊和攪拌摩擦點焊主軸頭裝置。與現有公開的攪拌摩擦焊設備中所使用的主軸的結構相比較，本發明提出的主軸頭裝置具有尺寸小、結構緊湊、集成度高、旋轉驅動方式可旋轉方式靈活以及壓力控制原理簡單、精確等特點。

為了解決上述技術問題，本發明壓力控制攪拌摩擦焊主軸頭裝置予以實現的技術方案是：包括液壓系統、液壓控制系統和主軸油缸外殼及設置在所述主軸油缸外殼內的主軸活塞機構，所述主軸油缸外殼由同軸連接的前殼體和后殼體構成，所述主軸油缸外殼的后端依次設有后軸承座和后端蓋，沿所述主軸油缸外殼的軸向上設有第一油口和第二油口，所述主軸油缸外殼的內回轉面上、且在第一油口和第二油口的軸向外側處分別設有軸向行程限位臺階，所述主軸活塞機構包括主軸油缸內殼和設置在主軸油缸內殼中的轉軸，所述轉軸的后端通過一花鍵軸與一滑動聯軸器連接，所述主軸油缸內殼與所述轉軸之間、所述主設有滾動軸承組及其定位組件，所述主軸油缸內殼的外回轉面上、且在軸向上位于所述主軸油缸外殼回轉面上的兩個軸向行程限位臺階之間設有油口封堵環；所述主軸油缸外殼與所述主軸油缸內殼之間設有位移傳感器，所述主軸油缸外殼與所述主軸油缸內殼之間設有限位塊；所述滑動聯軸器上設有轉速傳感器；所述位移傳感器與所述轉速傳感器的接線均連接至所述液壓控制系統；所述花鍵軸的長度大于兩個軸向行程限位臺階的距離與花鍵連接段的長度之和。

進一步講，本發明壓力控制攪拌摩擦焊主軸頭裝置，所述液壓系包括油箱、油路A和油路B，所述油路A的構成是自油箱依次連接有濾油器、液壓泵、第一溢流閥和換向閥，最終連接至主軸油缸外殼的第一油口，在所述換向閥和第一油口之間的管段上設有第一壓力傳感器；所述油路B的構成是自主軸油缸外殼的第二油口通過第二溢流閥和所述換向閥后連接至油箱，所述第二油口與所述第二溢流閥之間的管段上設有第二壓力傳感器；還包括一平衡閥組，所述平衡閥組設在油路A與油路B之間，所述第一壓力傳感器、所述第二壓力傳感器和所述平衡閥組均與所述液壓控制系統連接。

與現有技術相比，本發明的有益效果是：