[發(fā)明專利]帶旋轉(zhuǎn)軸肩拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊主軸頭裝置

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201911073283.1
• 申請(qǐng)日: 2019-11-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110899952A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-03-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫轉(zhuǎn)平;楊新岐;秦紅珊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號(hào): B23K20/12
• 分類號(hào): B23K20/12;B23K20/26
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所 12201
• 代理人: 曹玉平

本發(fā)明公開(kāi)了一種帶旋轉(zhuǎn)軸肩拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊主軸頭裝置，包括由同軸嵌套的中心內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸和外旋轉(zhuǎn)空心軸構(gòu)成的中心旋轉(zhuǎn)軸；中心內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸的頂部設(shè)有與旋轉(zhuǎn)聯(lián)軸器連接的液壓缸部件、外旋轉(zhuǎn)空心軸上設(shè)有皮帶輪；中心內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸的底端連接有摩擦塞棒，摩擦塞棒通過(guò)與外旋轉(zhuǎn)空心軸固定的旋轉(zhuǎn)軸肩定位，內(nèi)外旋轉(zhuǎn)軸之間設(shè)有可上下滑動(dòng)的鍵聯(lián)接；外旋轉(zhuǎn)空心軸在帶動(dòng)中心內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸和摩擦塞棒高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，液壓缸部件驅(qū)動(dòng)中心內(nèi)旋轉(zhuǎn)軸沿軸向施加拉伸和壓縮載荷，從而實(shí)現(xiàn)帶軸肩加熱的摩擦塞補(bǔ)焊過(guò)程。本發(fā)明結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便，采用本發(fā)明可以提高拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊縫質(zhì)量與可靠性，可實(shí)現(xiàn)10mm厚度以上鋁合金板拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊過(guò)程。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于固相摩擦焊接技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶有旋轉(zhuǎn)軸肩的拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊工藝的主軸頭裝置。

背景技術(shù)

摩擦塞補(bǔ)焊(Friction Taper Plug Welding-FTPW)工藝是英國(guó)焊接研究所(TWI)于1995年基于摩擦焊原理提出的一種焊接修復(fù)技術(shù)，主要用于鋁合金焊縫缺陷的修復(fù)補(bǔ)焊。與傳統(tǒng)的熔焊工藝比較，由于FTPW過(guò)程中基體和塞棒母材不會(huì)發(fā)生熔化、能有效地避免傳統(tǒng)熔焊工藝中的氣孔、夾渣及裂紋等各種冶金凝固缺陷；所形成的焊縫組織細(xì)小致密具有優(yōu)異的力學(xué)性能；且焊縫區(qū)殘余應(yīng)力變形低、焊接過(guò)程效率高并易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)，因而在鋁合金結(jié)構(gòu)焊縫缺陷修復(fù)中受到工業(yè)領(lǐng)域普遍關(guān)注。摩擦塞補(bǔ)焊工藝首先在美國(guó)洛克希德·馬丁公司的航天飛機(jī)外貯箱箱底焊接缺陷修復(fù)補(bǔ)焊中獲得成功應(yīng)用，后續(xù)許多試驗(yàn)表明：FTPW工藝可修復(fù)鋁合金各種焊接缺陷如點(diǎn)狀缺陷、線狀缺陷或熔焊工藝缺陷、攪拌摩擦焊凹孔缺陷等，在航空航天鋁合金結(jié)構(gòu)補(bǔ)焊修復(fù)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

摩擦塞補(bǔ)焊工藝過(guò)程中主要是采用一種高速旋轉(zhuǎn)的可消耗的摩擦塞棒，在軸向頂鍛壓力或拉力的作用下，快速擠壓進(jìn)入預(yù)制好的基板母材塞孔中，由于旋轉(zhuǎn)塞棒與塞孔側(cè)壁相互摩擦擠壓作用產(chǎn)生劇烈摩擦熱，使得摩擦接觸界面兩側(cè)鋁合金達(dá)到熱塑性狀態(tài)，在軸向頂鍛壓力或拉力的作用下實(shí)現(xiàn)摩擦塞棒與塞孔側(cè)壁的冶金連接。根據(jù)對(duì)摩擦塞棒所施加的軸向頂鍛壓力或拉力的不同，摩擦塞補(bǔ)焊工藝過(guò)程具體可分為：頂鍛式摩擦塞補(bǔ)焊和拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊工藝過(guò)程。這兩種焊接工藝的本質(zhì)區(qū)別在于：頂鍛式摩擦塞補(bǔ)焊工藝需要在塞孔背面事先安裝剛性支撐夾具、以抵消焊接過(guò)程中的軸向頂鍛壓力才能實(shí)現(xiàn)摩擦塞補(bǔ)焊過(guò)程；而拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊工藝不需要背面剛性支撐夾具就可以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)焊過(guò)程。由此可見(jiàn)，拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊工藝在大直徑在運(yùn)載火箭貯箱焊縫修復(fù)中具有明顯優(yōu)勢(shì)，它不需要固定安裝復(fù)雜繁瑣的背面剛性支撐夾具，就可以實(shí)現(xiàn)封閉貯箱結(jié)構(gòu)的焊縫缺陷修復(fù)補(bǔ)焊過(guò)程，從而有效降低大直徑鋁合金貯箱結(jié)構(gòu)制造成本。

為了實(shí)現(xiàn)拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊工藝過(guò)程，必須研制開(kāi)發(fā)能驅(qū)動(dòng)摩擦塞棒高速旋轉(zhuǎn)并同時(shí)實(shí)現(xiàn)施加軸向拉拔力的主軸頭裝置，這是制造拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊設(shè)備的關(guān)鍵所在。但目前實(shí)現(xiàn)拉拔式摩擦塞焊工藝的主軸頭裝置存在以下問(wèn)題：

(1)目前的主軸頭裝置只驅(qū)動(dòng)拉拔式摩擦塞棒高速旋轉(zhuǎn)，塞焊縫根部沒(méi)有摩擦熱源作用，因而導(dǎo)致摩擦熱沿焊接板厚度方向不均勻分布，這使得摩擦塞焊縫根部很容易產(chǎn)生未連接缺陷；尤其是對(duì)厚度10mm以上鋁合金板的塞補(bǔ)焊無(wú)法消除塞焊縫根部缺陷，從而很難保證拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊縫質(zhì)量與可靠性。

(2)目前的拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊過(guò)程只采用摩擦塞棒產(chǎn)生摩擦熱源，為了獲得更好的摩擦界面加熱效果，必須采用很高旋轉(zhuǎn)速度及大軸向拉拔力工藝參數(shù)，但高轉(zhuǎn)速和大軸向拉力下將導(dǎo)致摩擦熱集中于摩擦塞棒區(qū)域，使得摩擦塞棒區(qū)材料發(fā)生軟化強(qiáng)度降低、這將導(dǎo)致摩擦塞棒施加的摩擦旋轉(zhuǎn)扭矩降低，從而使得塞棒與塞孔摩擦界面容易產(chǎn)生弱連接缺陷降低連接界面強(qiáng)度，其結(jié)果導(dǎo)致拉拔式摩擦塞焊接頭整體力學(xué)性能降低；在某些情況下將使摩擦塞棒發(fā)生斷裂，其結(jié)果導(dǎo)致摩擦塞補(bǔ)焊工藝失敗。

此外，目前拉拔式摩擦塞棒與旋轉(zhuǎn)軸之間缺乏快速方便轉(zhuǎn)接夾頭，這使得拉拔式摩擦塞補(bǔ)焊工藝過(guò)程操作復(fù)雜并降低焊接加工效率。

發(fā)明內(nèi)容