CN110899952A - 带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括由同轴嵌套的中心内旋转轴和外旋转空心轴构成的中心旋转轴；中心内旋转轴的顶部设有与旋转联轴器连接的液压缸部件、外旋转空心轴上设有皮带轮；中心内旋转轴的底端连接有摩擦塞棒，摩擦塞棒通过与外旋转空心轴固定的旋转轴肩定位，内外旋转轴之间设有可上下滑动的键联接；外旋转空心轴在带动中心内旋转轴和摩擦塞棒高速旋转的同时，液压缸部件驱动中心内旋转轴沿轴向施加拉伸和压缩载荷，从而实现带轴肩加热的摩擦塞补焊过程。本发明结构紧凑、操作简便，采用本发明可以提高拉拔式摩擦塞补焊缝质量与可靠性，可实现10mm厚度以上铝合金板拉拔式摩擦塞补焊过程。

Description

带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，具体涉及一种带有旋转轴肩的拉拔式摩擦塞补焊工艺的主轴头装置。

背景技术

摩擦塞补焊(Friction Taper Plug Welding-FTPW)工艺是英国焊接研究所(TWI)于1995年基于摩擦焊原理提出的一种焊接修复技术，主要用于铝合金焊缝缺陷的修复补焊。与传统的熔焊工艺比较，由于FTPW过程中基体和塞棒母材不会发生熔化、能有效地避免传统熔焊工艺中的气孔、夹渣及裂纹等各种冶金凝固缺陷；所形成的焊缝组织细小致密具有优异的力学性能；且焊缝区残余应力变形低、焊接过程效率高并易于实现自动控制等特点，因而在铝合金结构焊缝缺陷修复中受到工业领域普遍关注。摩擦塞补焊工艺首先在美国洛克希德·马丁公司的航天飞机外贮箱箱底焊接缺陷修复补焊中获得成功应用，后续许多试验表明：FTPW工艺可修复铝合金各种焊接缺陷如点状缺陷、线状缺陷或熔焊工艺缺陷、搅拌摩擦焊凹孔缺陷等，在航空航天铝合金结构补焊修复领域具有广泛应用前景。

摩擦塞补焊工艺过程中主要是采用一种高速旋转的可消耗的摩擦塞棒，在轴向顶锻压力或拉力的作用下，快速挤压进入预制好的基板母材塞孔中，由于旋转塞棒与塞孔侧壁相互摩擦挤压作用产生剧烈摩擦热，使得摩擦接触界面两侧铝合金达到热塑性状态，在轴向顶锻压力或拉力的作用下实现摩擦塞棒与塞孔侧壁的冶金连接。根据对摩擦塞棒所施加的轴向顶锻压力或拉力的不同，摩擦塞补焊工艺过程具体可分为：顶锻式摩擦塞补焊和拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。这两种焊接工艺的本质区别在于：顶锻式摩擦塞补焊工艺需要在塞孔背面事先安装刚性支撑夹具、以抵消焊接过程中的轴向顶锻压力才能实现摩擦塞补焊过程；而拉拔式摩擦塞补焊工艺不需要背面刚性支撑夹具就可以实现补焊过程。由此可见，拉拔式摩擦塞补焊工艺在大直径在运载火箭贮箱焊缝修复中具有明显优势，它不需要固定安装复杂繁琐的背面刚性支撑夹具，就可以实现封闭贮箱结构的焊缝缺陷修复补焊过程，从而有效降低大直径铝合金贮箱结构制造成本。

为了实现拉拔式摩擦塞补焊工艺过程，必须研制开发能驱动摩擦塞棒高速旋转并同时实现施加轴向拉拔力的主轴头装置，这是制造拉拔式摩擦塞补焊设备的关键所在。但目前实现拉拔式摩擦塞焊工艺的主轴头装置存在以下问题：

(1)目前的主轴头装置只驱动拉拔式摩擦塞棒高速旋转，塞焊缝根部没有摩擦热源作用，因而导致摩擦热沿焊接板厚度方向不均匀分布，这使得摩擦塞焊缝根部很容易产生未连接缺陷；尤其是对厚度10mm以上铝合金板的塞补焊无法消除塞焊缝根部缺陷，从而很难保证拉拔式摩擦塞补焊缝质量与可靠性。

(2)目前的拉拔式摩擦塞补焊过程只采用摩擦塞棒产生摩擦热源，为了获得更好的摩擦界面加热效果，必须采用很高旋转速度及大轴向拉拔力工艺参数，但高转速和大轴向拉力下将导致摩擦热集中于摩擦塞棒区域，使得摩擦塞棒区材料发生软化强度降低、这将导致摩擦塞棒施加的摩擦旋转扭矩降低，从而使得塞棒与塞孔摩擦界面容易产生弱连接缺陷降低连接界面强度，其结果导致拉拔式摩擦塞焊接头整体力学性能降低；在某些情况下将使摩擦塞棒发生断裂，其结果导致摩擦塞补焊工艺失败。

此外，目前拉拔式摩擦塞棒与旋转轴之间缺乏快速方便转接夹头，这使得拉拔式摩擦塞补焊工艺过程操作复杂并降低焊接加工效率。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提出一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，该主轴头装置带有非消耗旋转轴肩，可实现旋转轴肩与摩擦塞棒对塞焊缝的同时摩擦加热作用，使得摩擦热源沿板厚度均匀分布，从而有效消除拉拔式摩擦塞焊缝根部缺陷、提高塞棒和塞孔摩擦界面的连接强度，并改善和提高拉拔式摩擦塞补焊接头的整体力学性能。此外采用非消耗旋转轴肩的摩擦热源，可获得更高摩擦热输入并使得塞孔附近母材整体软化，这样可以降低摩擦塞棒所需要的旋转速度和拉拔轴向力，提高摩擦塞棒施加的摩擦旋转扭矩，从而获得更好的摩擦界面连接性能、并能实现厚度10mm以上铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊工艺过程，为拉拔式摩擦塞补焊工艺的广泛应用提供关键设备基础。

为了解决上述技术问题，克服目前拉拔式摩擦塞补焊技术的上述局限性，本发明提出的一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括中心旋转轴，所述中心旋转轴由同轴嵌套的中心内旋转轴和外旋转空心轴构成；所述中心内旋转轴的顶部设有与旋转联轴器连接的液压缸活塞部件；所述液压缸缸活塞部件包括后置液压缸体、液压缸顶盖和与液压缸活塞杆连接的液压缸内活塞，所述液压缸活塞杆与所述旋转联轴器配合；所述旋转联轴器通过旋转联轴器轴承部件与所述中心内旋转轴转动连接；所述外旋转空心轴上设有皮带轮和外层固定套筒；所述中心内旋转轴的底端连接有摩擦塞棒，所述摩擦塞棒通过与所述外旋转空心轴固定的旋转轴肩定位；所述外旋转空心轴设有轴向键槽，所述中心内旋转轴设有与所述轴向键槽配合的轴向键；所述皮带轮带动外旋转空心轴，所述外旋转空心轴在带动摩擦塞棒高速旋转的同时，所述液压缸体活塞杆驱动所述中心内旋转轴沿轴向移动，并施加拉伸和压力载荷，从而控制摩擦塞棒的工况。

进一步讲，本发明所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其中，所述旋转轴肩采用螺栓固定连接在所述外旋转空心轴的底端。

所述旋转轴肩与安装摩擦塞棒的中心内旋转轴具有相同旋转速度。

所述皮带轮带动外旋转空心轴的转速为1000-6000rpm。

所述旋转轴肩底部外直径为20-40mm。

所述轴向键与所述轴向键槽的相对移动距离为±10mm。

所述摩擦塞棒中部直径小于20mm，所述摩擦塞棒的长度由不同厚度铝合金板确定，以实现4-20mm厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊过程。

本发明提出的主轴头装置是一种实现拉拔式摩擦塞补焊设备的关键机构***。采用本发明主轴头装置研制开发的拉拔式摩擦塞补焊设备，与目前已有的摩擦塞补焊设备比较具有以下有益效果：

(1)目前实现拉拔式摩擦塞补焊的主轴头机构只是驱动摩擦塞棒高速旋转，塞焊缝根部没有摩擦热源作用，因而导致摩擦热沿焊接板厚度方向明显不均匀分布，这使得摩擦塞焊缝根部很容易产生未连接缺陷。本发明采用非消耗旋转轴肩和摩擦塞棒同时摩擦加热塞棒和塞孔周围母材，这使得沿板厚度方向摩擦加热均匀分布，从而有效消除拉拔式摩擦塞焊缝根部缺陷、提高塞棒和塞孔摩擦界面的连接强度，并改善和提高拉拔式摩擦塞补焊接头的整体力学性能。

(2)目前实现拉拔式摩擦塞补焊的主轴头机构只是驱动摩擦塞棒产生摩擦热，而塞孔母材只能被动受到塞棒摩擦热传导作用，因而需要对塞棒施加更大转速及轴向力以产生足够摩擦热源，这将使得摩擦塞棒区发生明显软化并导致材料强度降低，在承受大轴向拉力作用使得摩擦塞棒容易发生断裂，导致摩擦塞焊工艺过程失败。本发明采用非消耗轴肩主动摩擦加热塞孔周围母材，使得母材被加热软化降低摩擦塞棒承受的轴向拉拔力，有效改善摩擦塞焊工艺过程并提高塞焊工艺成功率。

(3)目前的摩擦塞补焊铝合金板厚在4-10mm范围，当板厚超过10mm以上无法保证塞焊缝根部的焊接质量。而本发明的主轴头装置由于旋转轴肩对塞孔母材的摩擦加热作用，有效拓宽了摩擦塞补焊铝合金板的焊接厚度范围，可实现10mm厚度以上铝合金板拉拔式摩擦塞补焊过程。

(4)本发明主轴头机构结构紧凑、操作简便，非消耗轴肩与主轴头旋转轴采用分离结构，轴肩与摩擦塞棒安装拆卸方便，有效拓宽现有拉拔式摩擦塞补焊的工艺范围。采用伺服电机驱动主轴头方式降低摩擦塞补焊设备制造成本低，摩擦塞补焊过程操作简单工艺稳定，为拉拔式摩擦塞补焊工艺广泛应用提供关键设备基础。

附图说明

图1是拉拔式摩擦塞补焊主轴头整体结构；

图2是拉拔式摩擦塞补焊主轴头整体结构剖视图；

图3(a)是中心内旋转轴与外空心旋转轴的安装配合剖视主视图；

图3(b)是图3(a)所示中心内旋转轴与外空心旋转轴的安装配合剖视侧视图；

图4(a)是外旋转空心轴与内旋转轴结构外观结构示意图；

图4(b)是外旋转空心轴与内旋转轴结构剖视图；

图4(c)是图4(b)中所示中心内旋转轴结构示意图；

图5(a)是摩擦塞棒的固定结构的剖视示意图；

图5(b)是摩擦塞棒的固定结构的外观示意图；

图5(c)是摩擦塞棒与摩擦塞棒内螺母套的外观示意图。

图中：

1-液压缸顶盖 2-后置液压缸体

3-液压缸体活塞杆 4-旋转联轴器

5-旋转联轴器轴承套 6-外旋转轴顶端固定螺母

7-皮带轮 8-外层固定套筒

9-套筒底端盖 10-外旋转空心轴

11-旋转轴肩 12-摩擦塞棒

13-液压缸内活塞 14-角接触球轴承

15-中心内旋转轴 16-主轴内部的角接触球轴承

17-轴承内部支撑筒 18-轴承外部支撑套筒

19-滑动键 20-轴向键槽

21-摩擦塞棒外固定螺帽 22-摩擦塞棒内螺母套

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的说明，但下述实施例绝非对本发明有任何限制。

针对目前拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置容易产生根部焊接缺陷、摩擦界面连接强度低及不适合大厚度铝合金塞补焊过程的局限性，本发明提出一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，

本发明提出的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，如图1和图2所示，主要由后置液压缸体2、液压缸活塞杆3、旋转联轴器4(内部安装有角接触球轴承14)、由同轴嵌套的中心内旋转轴15和外旋转空心轴10构成中心旋转轴，用于驱动旋转的皮带轮7、外层固定套筒及拉拔式的摩擦塞棒12及其固定夹头部件。由于采用旋转轴肩11与摩擦塞棒12自适应加持过程：即连接摩擦塞棒12的中心内旋转轴15在高速旋转同时可沿轴向上下移动，这使得摩擦塞棒12具有大直径的端部与旋转轴肩11之间加持板厚的尺寸可自适调整变化，从而可实现大厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。

本发明提出的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置的整体结构及局部构件如附图所示，其中，图1示出了该主轴头装置的外观结构，图2示出了其结构的内部剖视图；图3(a)和图3(b)示出了去掉后置液压缸体部分的内部结构；图4(a)、图4(b)和图4(c)分别示出了为中心旋转轴部分的内外结构；图5(a)、图5(b)和图5(c)示出了摩擦塞棒与中心内旋转轴固定部分的结构。

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

附图中具体零部件的功能是；如图1和图2所示，液压缸顶盖1用于密封后置液压缸；后置液压缸体2用于施加轴向拉力实现拉拔式摩擦塞焊工艺过程；液压缸体活塞杆3连接旋转联轴器4，施加拉拔轴向力；旋转联轴器4的上部与液压缸体活塞杆3刚性固定，其下部余中心内旋转轴15刚性固定，从而将高速旋转的中心内旋转轴15与非旋转的液压缸体活塞杆3连接在一起，实现旋转与非旋转运动的转换；旋转联轴器轴承套5用于固定中心内旋转轴15的角接触球轴承14、并承受轴向拉拔力；外旋转轴顶端固定螺母6用于固定外旋转空心轴的皮带轮；皮带轮7用于连接伺服电机动力源，实现该主轴头装置的旋转运动；外层固定套筒8为该主轴头装置的整体固定框架；套筒底端盖9用于固定主轴内部的角接触球轴承16；外旋转空心轴10用于连接伺服电机和非消耗轴肩，并将扭矩传递给中心内旋转轴15和摩擦塞棒12；旋转轴肩11与外旋转空心轴10刚性连接，实现带旋转轴肩摩擦塞焊工艺过程；旋转联轴器内部的角接触球轴承14该轴承将旋转运动转换为非旋转运动、并承受轴向拉拔力；中心内旋转轴15用于安装摩擦塞棒12、并传递扭矩和轴向拉拔力给摩擦塞棒12；轴承内部支撑筒17和轴承外部支撑套筒18用于主轴内部的角接触球轴承16的定位；如图3(a)和图3(b)、图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，轴向键19用于传递扭矩给中心内旋转轴15、同时能沿轴向键槽20上下滑动，通过可以上下滑动的轴向键19传递扭矩给中心内旋转轴15；图5(a)、图5(b)和图5(c)所示，拉拔式的摩擦塞棒12的外固定螺帽21和拉拔式的摩擦塞棒12的内螺母套22将摩擦塞棒12与中心内旋转轴15固定。

本发明提出的一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，是实现拉拔式摩擦塞焊工艺及提高塞焊设备效益的关键机械机构。该主轴头装置的整体外观结构如图1所示，主要由后置液压缸体2、液压缸活塞杆3、旋转联轴器4、中心内旋转轴15、外旋转空心轴10、外层固定套筒8、旋转轴肩11和拉拔式的摩擦塞棒12的固定加持零件组成。其中的关键部件是旋转轴肩11和可沿轴向移动的中心内旋转轴15，将其安装在摩擦塞焊机床框架上，可实现带旋转轴肩摩擦塞补焊工艺过程。

本发明的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置的具体结构如图1和图2所示，同轴嵌套的中心内旋转轴15和外旋转空心轴10构成中心旋转轴；所述中心内旋转轴15的顶部设有与旋转联轴器4连接的液压缸活塞部件；所述液压缸缸活塞部件包括后置液压缸体2、液压缸顶盖1和与液压缸活塞杆3连接的液压缸内活塞13，所述液压缸活塞杆3与所述旋转联轴器4配合；所述旋转联轴器4通过旋转联轴器轴承部件与所述中心内旋转轴15转动连接；所述外旋转空心轴10上设有皮带轮7和外层固定套筒8；所述皮带轮7带动外旋转空心轴10的转速为1000-6000rpm。所述中心内旋转轴15的底端连接有摩擦塞棒12，所述摩擦塞棒12通过与所述外旋转空心轴10固定的旋转轴肩11定位，所述旋转轴肩11采用螺栓固定连接在所述外旋转空心轴10的底端，所述旋转轴肩11的底部外直径为20-40mm，即旋转轴肩11的一端带有螺栓孔是固定在所述外旋转空心轴10上的，底部最小端的外部直径是旋转轴肩直径。所述旋转轴肩11与安装摩擦塞棒12的中心内旋转轴15具有相同旋转速度。所述摩擦塞棒12中部的直径小于20mm，该摩擦塞棒12有一个大头端，其余为塞棒体是一个圆柱体，摩擦塞棒12的直径是指该圆柱体的直径；所述摩擦塞棒12的长度由不同厚度铝合金板确定，以实现4-20mm厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊过程。

如图3(a)和图3(b)、图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，所述外旋转空心轴10设有轴向键槽20，所述中心内旋转轴15设有与所述轴向键槽20配合的轴向键19，所述轴向键19与所述轴向键槽20的相对移动距离为±10mm。所述皮带轮7带动外旋转空心轴10，所述外旋转空心轴10在带动摩擦塞棒12高速旋转的同时，所述液压缸体活塞杆3驱动所述中心内旋转轴15沿轴向移动，并施加拉伸和压力载荷，从而控制摩擦塞棒12的工况。

图2表示主轴头装置各个零部件的装配关系，可以看出，外层固定套筒8与底部端盖9组成主轴装置的整体框架，上部加工有法兰盘与螺孔，这是确定主轴头外观尺寸的主要零部件，是主轴头装置中其它零部件的固定框架，也是连接摩擦塞焊机床的固定框架。在该固定框架内部安装有主轴头装置的运动零部件，包括角接触球轴承16、轴承内部支撑筒17和外部支撑筒18；安装有外旋转空心轴10和中心内旋转轴15；其中外旋转空心轴10和内旋转轴15通过可以上下滑动的轴向键19和用于上下滑动的轴向键槽20配合装配在一起，伺服电机(未画出)通过皮带轮7驱动外旋转空心轴10高速度旋转，并通过轴向键19和轴向键槽20的配合，再驱动中心内旋转轴15高速旋转；后置液压缸2由液压泵站(未画出)驱动液压缸内活塞13动作，并带动液压缸体活塞杆3上下移动，通过旋转联轴器4与中心内旋转轴15固定连接；这样中心内旋转轴15在高速旋转的同时可沿轴向上下移动，从而实现高速旋转条件下拉拔轴向力控制的摩擦塞补焊工艺过程。

图3(a)和图3(b)示出了去掉外部固定套筒8及后置液压缸体2的内部结构，进一步地说明各个零部件的装配关系及运动过程。其中，主轴头装置的主要旋转部件由外旋转空心轴10和中心内旋转轴15构成，底部旋转轴肩11固定连接在外旋转空心轴10端部，而拉拔式的摩擦塞棒12固定连接在中心内旋转轴15端部；在此，底部的旋转轴肩11不仅产生摩擦热加热塞孔周围母材，而且作为塞孔底部支撑平台实现拉拔式摩擦塞焊工艺过程。外旋转空心轴10只能实现高速旋转运动，但中心内旋转轴15通过可以上下滑动的轴向键19和轴键槽20相互滑动配合，不仅能实现高速旋转、而且能实现中心内旋转轴15沿轴向的上下滑动，这是实现中心内旋转轴15高速旋转同时又能实现轴向移动的关键结构形式，也是实现拉拔式摩擦塞补焊工艺的关键结构形式。

由于中心内旋转轴15高速旋转，而后置液压缸活塞杆3是不能旋转的，为了通过后置液压缸2施加拉拔轴向力，就需要采用旋转联轴器4将内旋转轴15与液压缸体活塞杆3固定连接在一起，从而实现旋转与非旋转运动的转换，实现拉拔式摩擦塞补焊的轴向力控制过程。此外，旋转轴肩11采用螺栓固定连接在外旋转空心轴10端部，与外旋转空心轴10同步高速旋转，不仅摩擦加热塞孔周围母材，而且具有塞孔底部支撑平台作用，是实现拉拔式母材塞焊工艺过程的关键零件。旋转轴肩11容易拆卸分离，为在中心内旋转轴15端部快速安装与拆卸拉拔式摩擦塞棒12提供基础。

图4(a)、图4(b)和图4(c)示出了外旋转空心轴10与中心内旋转轴15的结构，可清楚看出可以上下滑动的轴向键19与轴向键槽20的装配关系。其中，轴向键19的尺寸决定着传递扭矩的大小；而轴向键槽20的轴向尺寸要大于轴向键19的轴向尺寸，如轴向键19与轴向键槽20的相对移动为±10mm，表示拉拔式的轴向压力控制调整的轴向位移范围是0-20mm，与摩擦塞棒12长度配合可实现板厚度为4-20mm范围铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。

图5(a)、图5(b)和图5(c)示出了拉拔式的摩擦塞棒12与中心内旋转轴15的固定及装配是采用双螺母固定连接，其中，拉拔式的摩擦塞棒12端部加工有螺纹与摩擦塞棒内螺母套22连接，然后***中心内旋转轴15端部的凹孔中，通过事先套在摩擦塞棒12上的摩擦塞棒外固定螺帽21、再与中心内旋转轴15端部刚性固定在一起，摩擦塞棒外固定螺帽21和摩擦塞棒内螺母套22均在外侧加工有小平面，便于固定扳手施加扭矩。这种螺纹刚性连接方式可实现拉拔摩擦塞棒12的快速安装与拆卸；尤其是摩擦塞棒12发生断裂后，也很容易从中心内旋转轴15端部进行拆卸。

本发明主轴头机构是一种独立的机械装置，采用伺服电机驱动主轴头高速旋转、采用液压泵站驱动液压缸施加拉拔轴向力，与具体摩擦塞补焊机床相结合就可以实现大厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。其主轴头装置具有制造成本低、安装拆卸与操作维护方便、适用范围广及塞焊工艺过程稳定等优势，是研制开发拉拔式摩擦塞补焊设备的关键部件。

采用本发明主轴头装置进行拉拔式摩擦塞补焊工艺过程中，需要注意如下几点：

(1)首先根据需要进行塞补焊的产品形式设计研制开发拉拔式摩擦塞补焊设备的主体焊接机床框架，其次根据拉拔式摩擦塞补焊工艺参数要求设计制造本发明的主轴头装置，采用法兰安装固定在摩擦塞补焊机床框架上，主轴头装置由伺服电机提供独立动力源、液压缸体由液压泵站提供动力源，两者结合实现自适应夹持拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。

(2)主轴头上底部旋转轴肩及拉拔式摩擦塞棒的安装调试。由于拉拔式摩擦塞棒摩擦端直径大，而夹持端直径小，为实现摩擦塞补焊过程需要事先将摩擦塞棒穿入塞孔与旋转轴肩中，然后与主轴头前端刚性固定在一起。摩擦塞补焊接结束后直接切断塞棒，卸掉旋转轴肩才能安装新的拉拔式摩擦塞棒。

(3)采用本发明主轴头装置的拉拔式摩擦塞补焊设备，旋转轴肩和摩擦塞棒的最高旋转速度由伺服电机决定，轴向拉-压载荷由液压泵站决定，沿轴向最大位移由主轴头中滑动键槽长度决定。这些参数是实现拉拔式摩擦塞补焊工艺过程的关键参数，需要结合具体焊接工艺试验确定。

采用该主轴头装置的拉拔式摩擦塞补焊工艺的主要参数为：铝合金焊接板厚度为4-20mm，主轴旋转速度在1000-6000rpm，拉拔轴向力自适应夹持载荷控制范围为0-6吨，旋转轴肩底部外直径为20-40mm，轴向移动的最大位移为20mm，摩擦塞棒中部的最大直径是20mm，摩擦塞棒长度由不同厚度铝合金板确定，可实现4-20mm厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊过程。

根据铝合金板厚度、塞孔及摩擦塞棒直径尺寸，需要通过焊接工艺试验确定具体工艺参数。如对4mm厚度6061-T6铝合金板，在5000rpm旋转速度、旋转轴肩直径为20mm下可实现拉拔式摩擦塞补焊过程；如对12mm厚度2219-T8铝合金板，在6000rpm旋转速度、旋转轴肩直径为30mm下可实现拉拔式摩擦塞补焊过程，摩擦塞焊缝连接界面无焊接缺陷。

采用该主轴头装置的拉拔式摩擦塞补焊工艺过程如下：

(1)拉拔式摩擦塞补焊设备研制。首先根据需要进行塞补焊的产品形式设计研制开发拉拔式摩擦塞补焊设备的主体焊接机床框架，其次根据拉拔式摩擦塞补焊工艺参数要求设计制造本发明的主轴头装置，采用法兰安装固定在摩擦塞补焊机床框架上，主轴头装置由伺服电机提供独立动力源、液压缸体由液压泵站提供动力源，两者结合实现自适应夹持拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。

(2)主轴头上底部旋转轴肩及拉拔式摩擦塞棒的安装调试。由于拉拔式摩擦塞棒摩擦端直径大，而夹持端直径小，为实现摩擦塞补焊过程需要事先将摩擦塞棒穿入塞孔与旋转轴肩中，然后与主轴头前端刚性固定在一起。摩擦塞补焊接结束后直接切断塞棒，卸掉旋转轴肩才能安装新的拉拔式摩擦塞棒。

(3)拉拔式摩擦塞补焊工艺试验。采用本发明主轴头装置的拉拔式摩擦塞补焊设备，旋转轴肩和摩擦塞棒的最高旋转速度由伺服电机决定，轴向拉-压载荷由液压泵站决定，沿轴向最大位移由主轴头中滑动键槽长度决定。这些参数是实现拉拔式摩擦塞补焊工艺过程的关键参数，需要结合具体焊接工艺试验确定。

综上，本发明提出的拉拔式主轴头装置，由于采用旋转轴肩和摩擦塞棒的高速旋转同时摩擦加热塞棒与塞孔的摩擦界面及塞焊缝根部区域，使得摩擦加热沿板厚度方向明显均匀分布，可有效消除塞焊缝根部的未连接缺陷并提高摩擦界面的连接强度。通过液压缸施加轴向拉伸和压力载荷，中心内旋转轴沿滑动键槽轴向移动，可实现拉拔式摩擦塞棒与旋转轴肩的自适应加持过程，实现大厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞焊过程。这与目前不带旋转轴肩的拉拔式摩擦塞焊主轴头机构相比具有本质区别。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括中心旋转轴，所述中心旋转轴由同轴嵌套的中心内旋转轴(15)和外旋转空心轴(10)构成；其特征在于，

所述中心内旋转轴(15)的顶部设有与旋转联轴器(4)连接的液压缸活塞部件；所述液压缸缸活塞部件包括后置液压缸体(2)、液压缸顶盖(1)和与液压缸活塞杆(3)连接的液压缸内活塞(13)，所述液压缸活塞杆(3)与所述旋转联轴器(4)配合；所述旋转联轴器(4)通过旋转联轴器轴承部件与所述中心内旋转轴(15)转动连接；

所述外旋转空心轴(10)上设有皮带轮(7)和外层固定套筒(8)；

所述中心内旋转轴(15)的底端连接有摩擦塞棒(12)，所述摩擦塞棒(12)通过与所述外旋转空心轴(10)固定的旋转轴肩(11)定位；

所述外旋转空心轴(10)设有轴向键槽(20)，所述中心内旋转轴(15)设有与所述轴向键槽(20)配合的轴向键(19)；

所述皮带轮(7)带动外旋转空心轴(10)，所述外旋转空心轴(10)在带动摩擦塞棒(12)高速旋转的同时，所述液压缸体活塞杆(3)驱动所述中心内旋转轴(15)沿轴向移动，并施加拉伸和压力载荷，从而控制摩擦塞棒(12)的工况。

2.根据权利要求1所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述旋转轴肩(11)采用螺栓固定连接在所述外旋转空心轴(10)的底端。

3.根据权利要求1所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述旋转轴肩(11)与安装摩擦塞棒(12)的中心内旋转轴(15)具有相同旋转速度。

4.根据权利要求1所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述皮带轮(7)带动外旋转空心轴(10)的转速为1000-6000rpm。

5.根据权利要求1所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述旋转轴肩(11)底部外直径为20-40mm。

6.根据权利要求1所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述轴向键(19)与所述轴向键槽(20)的相对移动距离为±10mm。

7.根据权利要求1所述的带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，其特征在于，所述摩擦塞棒(12)中部的直径小于20mm，所述摩擦塞棒(12)的长度由不同厚度铝合金板确定，以实现4-20mm厚度铝合金板的拉拔式摩擦塞补焊过程。

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