CN111098017A - 一种搅拌摩擦焊接装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊接装置和方法，涉及搅拌摩擦焊接技术领域，通过支架；底板，所述底板焊接于所述支架上；两个第一压板，两个所述第一压板相向设置在所述底板上；两个第二压板，两个所述第二压板设置在两个所述第一压板之间，且，所述第二压板与所述第一压板首尾依次连接，形成一焊接区域；多个夹紧器，所述多个夹紧器通过所述螺纹孔分别设置在所述第一压板和所述第二压板上；搅拌头，所述搅拌头固定设置在搅拌摩擦焊机上。达到了便于实施，焊缝质量稳定可靠，不仅可以提高原材料的利用率、提高加工效率，还可节约成本，扩大设备应用范围的技术效果。

Description

一种搅拌摩擦焊接装置和方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊接装置和方法。

背景技术

传统搅拌摩擦焊焊接过程是以有倾角的方式实现的，搅拌工具时刻与工件表面法向保持2°-5°倾角并沿焊缝的切线方向进行跟随；除了机床本身X、Y、Z三个轴以外，设备还需实现倾角轴和周向随动轴运动。倾角的存在使搅拌工具前方材料可以进入工具轴肩下方而被拘束，使搅拌摩擦焊接过程得以实现。采用无倾角方式无需倾角轴和周向随动C轴，仅仅基于三轴联动***就可以实现搅拌摩擦焊过程，不仅大大降低了设备的复杂程度，而且对提高设备运转的稳定性也具有极其重要的意义。

但现有技术至少存在如下技术问题：

现有技术中的平面曲线焊缝无倾角焊接时，因曲线焊接时，焊接速度会产生沿焊接方向和垂直于焊接方向的分量，金属流动实时动态变化，且前轴肩对金属同样出现挤压作用，搅拌头包覆作用变差，会加剧金属溢出，有可能形成内部空腔，故对于搅拌头结构设计提出了更高的要求。

常见的平面曲线零件焊缝多为搭接或T接焊缝，T型接头的水平界面与搅拌头主轴垂直，若舱体的装配以及搅拌头的结构、工艺参数选择不合适时，T型接头的水平界面不易破碎，以致T型接头的焊合程度较差，超声C扫检测时出现缺陷，从而导致舱体的焊缝强度降低。

发明内容

本申请实施例通过提供一种搅拌摩擦焊接装置和方法，解决了现有技术中平面曲线焊缝受到搅拌摩擦焊周向随动轴及倾角轴的限制，造成焊缝成形困难，焊接质量差的技术问题，达到了结构简单，便于实施，实现了无倾角搅拌摩擦焊成形，且焊缝质量稳定可靠，提高加工效率，扩大设备应用范围的技术效果。

一方面，本发明实施例提供了一种搅拌摩擦焊接装置，包括：支架；底板，所述底板焊接于所述支架上；两个第一压板，两个所述第一压板相向设置在所述底板上；两个第二压板，两个所述第二压板设置在两个所述第一压板之间，且，所述第二压板与所述第一压板首尾依次连接，形成一焊接区域；多个夹紧器，两个所述第一压板和两个所述第二压板上均螺栓连接有多个所述夹紧器；搅拌头，所述搅拌头固定设置在搅拌摩擦焊机上，通过所述搅拌头对设置在所述焊接区域的待焊工件进行焊接。

优选的，所述支架与焊接平台螺栓连接。

优选的，所述搅拌头包括轴肩和搅拌针，且所述搅拌针设置在所述搅拌头远离与搅拌摩擦焊机的一端，其中，所述搅拌针表面设置有锥形螺纹，所述轴肩与所述搅拌针相连接的一端面设置有与所述锥形螺纹相配合的螺纹槽。

优选的，所述第一压板包括第一部分和第二部分，且，所述第一部分和第二部分垂直设置；所述第二压板包括第三部分和第四部分，且，所述第三部分和第四部分垂直设置；其中，多个所述螺纹孔分别设置在所述第一部分和第三部分上，所述第二部分和第四部分上均开设有多个凹槽。

优选的，所述第一部分的厚度大于所述第二部分的厚度，所述第三部分的厚度大于所述第四部分的厚度。

另一方面，本发明实施例还提供了一种搅拌摩擦焊接方法，包括：将制备好的底板焊接在支架上，并将所述支架固定在搅拌摩擦焊焊接平台上；将待焊工件放置在所述底板上，调整位置后利用两个第一压板和两个第二压板分别设置在所述待焊工件的外侧边缘处；将多个夹紧器分别固定在所述第一压板和第二压板上；将搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上，获得正中心位置，并根据待焊工件尺寸及焊接顺序获得焊接程序；将密封盖板安装在所述待焊工件上，调节所述夹紧器的螺杆长度之后，将所述待焊工件压紧；通过所述搅拌头对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接。

优选的，将螺栓从所述底板下方贯穿之后，通过与螺母相配合将两个第一压板和两个第二压板固定。

优选的，所述通过所述搅拌头对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接，还包括：焊接工艺参数具体为：旋转速度为300rpm，焊接速度为150mm/min。

优选的，所述通过所述搅拌头对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接，还包括：当所述搅拌头移动位置的前方与所述夹紧器存在干涉时，抬起所述夹紧器，当所述搅拌头经过所述夹紧器的位置后，压下所述夹紧器后进行焊接。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明实施例提供的一种搅拌摩擦焊接装置和方法，通过将底板焊接在支架上，然后将支架固定在搅拌摩擦焊焊接平台上，将待焊工件放置在所述底板上，调整位置后利用两个第一压板和两个第二压板分别顶住所述待焊工件的外侧边缘；接着将螺栓从所述底板下方贯穿之后，通过与螺母相配合将两个第一压板和两个第二压板固定，进一步将搅拌头固定设置在搅拌摩擦焊机上，通过搅拌头对设置在焊接区域的待焊工件进行焊接，通过搅拌头可有效实现无倾角焊缝的焊接，进而解决了现有技术中平面曲线焊缝受到搅拌摩擦焊周向随动轴及倾角轴的限制，造成焊缝成形困难，焊接质量差的技术问题，达到了结构简单，便于实施，实现了无倾角搅拌摩擦焊成形，且焊缝质量稳定可靠，提高加工效率，扩大设备应用范围的技术效果。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

图1为本发明实施例的一种搅拌摩擦焊接装置的结构示意图；

图2为图1中底板的结构示意图；

图3为图2中底板另一角度的结构示意图；

图4为图1中第一压板的结构示意图；

图5为图1中第二压板的结构示意图；

图6为图1中搅拌头的结构示意图；

图7为图6中搅拌头的剖面图；

图8为一种待焊工件的示意图；

图9为本发明实施例的一种搅拌摩擦焊接方法的流程示意图。

附图标记说明：1-支架；2-底板；3-第一压板；4-第二压板；5-夹紧器，6-螺栓，61-流道；62-第一焊缝；63-第一位置；64-第二位置；65-第二焊缝；66-第三焊缝；7-搅拌头，71-轴肩；72-搅拌针。

具体实施方式

本申请实施例通过提供了一种搅拌摩擦焊接装置和方法，用以解决现有技术中平面曲线焊缝受到搅拌摩擦焊周向随动轴及倾角轴的限制，造成焊缝成形困难，焊接质量差的技术问题。

本发明实施例中的技术方案，总体思路如下：

本发明实施例提供的一种搅拌摩擦焊接装置和方法，通过支架；底板，所述底板焊接于所述支架上；两个第一压板，两个所述第一压板相向设置在所述底板上；两个第二压板，两个所述第二压板设置在两个所述第一压板之间，且，所述第二压板与所述第一压板首尾依次连接，形成一焊接区域；多个夹紧器，两个所述第一压板和两个所述第二压板上均螺栓连接有多个所述夹紧器；搅拌头，所述搅拌头固定设置在搅拌摩擦焊机上，通过所述搅拌头对设置在所述焊接区域的待焊工件进行焊接。达到了结构简单，便于实施，实现了无倾角搅拌摩擦焊成形，且焊缝质量稳定可靠，提高加工效率，扩大设备应用范围的技术效果。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种搅拌摩擦焊接装置，应用于平面曲线焊缝，请参考图1，包括：

支架1，所述支架1与焊接平台螺栓连接。

具体而言，所述支架1为梯形框架结构，为所述装置提供支撑，所述支架1采用方钢焊接而成，在所述支架1底部还开设有一开孔，所述开孔与搅拌摩擦焊平台相适应，且所述开孔与螺栓相配合之后，将所述支架1固定在焊接平台上。

底板2，所述底板2焊接于所述支架1上。

具体而言，如图2所示，所述底板2为一矩形结构，所述底板2的底面焊接在所述支架1上，焊接之后铣加工成平面，如图3所示，进而在平面上等分成若干通孔21，便于待焊工件进行定位。

两个第一压板3，两个所述第一压板3相向设置在所述底板2上。

两个第二压板4，两个所述第二压板4设置在两个所述第一压板3之间，且，所述第二压板4与所述第一压板1首尾依次连接，形成一焊接区域。

进一步的，所述第一压板3和所述第二压板4的尺寸不同。

进一步的，所述第一压板3包括第一部分和第二部分，且，所述第一部分和第二部分垂直设置；所述第二压板4包括第三部分和第四部分，且，所述第三部分和第四部分垂直设置；其中，多个所述螺纹孔分别设置在所述第一部分和第三部分上，所述第二部分和第四部分上均开设有多个凹槽。

进一步的，所述第一部分的厚度大于所述第二部分的厚度，所述第三部分的厚度大于所述第四部分的厚度。

具体而言，两个所述第一压板3和两个第二压板4围城一矩形结构，其中，两个所述第一压板3平行设置，构成矩形的两条边，两个所述第二压板4平行设置，构成矩形的另外两条边，也就是说，由两个所述第一压板3和两个第二压板4形成了一个矩形区域，且该区域为容置待焊工件的焊接区域。

进一步的，根据实际需要，所设置的第一压板3和第二压板4尺寸不同，其中，如图4所示，所述第一压板3为L形压板，包括第一部分和第二部分，所述第二部分与所述底板2相贴合，所述第一部分与所述底板2相垂直，且所述第二部分的厚度小于所述第一部分的厚度，进而在所述第二部分上对称开设有两个凹槽31，所述凹槽31的形状为腰形孔，所述第一部分上均匀分布有多个螺纹孔32，且多个所述螺纹孔32四个为一组，且螺纹孔尺寸与所述夹紧器5的装配尺寸匹配。

进一步的，所述第二压板4与所述第一压板3结构相同但尺寸不相同，并且只是长度有所变化，以达到适应零件尺寸的目的。具体的，如图5所示，所述第二压板4同样为L形压板，包括第三部分和第四部分，所述第四部分与所述底板2相贴合，所述第三部分与所述底板2相垂直，且所述第四部分的厚度小于所述第三部分的厚度，进而在所述第四部分上对称开设有三个凹槽41，所述凹槽41的形状为腰形孔，所述第三部分上均匀分布有多个螺纹孔42，且多个所述螺纹孔42四个为一组，且螺纹孔尺寸与所述夹紧器5的装配尺寸匹配。

进一步的，所述装置在工作时，将待焊工件放置在所述底板2上，然后通过分别通过所述第一压板3的第一部分和所述第二压板4的第三部分顶住所述待焊工件的外侧边缘，即，将所述待焊工件容置在所述第一压板3和所述第二压板4所形成的焊接区域内部，然后从所述底板2的下方穿入螺栓6，采用螺母拧紧，将第一压板3和第二压板4固定。

多个夹紧器5，两个所述第一压板3和两个所述第二压板4上均螺栓连接有多个所述夹紧器5。

具体而言，所述第一压板3的第一部分和所述第二压板4的第三部分根据零件实际焊缝距离选用多个所述夹紧器5固定。通过本发明实施例所提供的焊接装置，可达到拆装方便、装配牢固可靠，可有效固定待焊接零部件的技术效果。

搅拌头，所述搅拌头7固定设置在搅拌摩擦焊机上，通过所述搅拌头7对设置在所述焊接区域的待焊工件进行焊接。

进一步的，所述搅拌头包括轴肩71和搅拌针72，且所述搅拌针72设置在所述搅拌头远离与搅拌摩擦焊机的一端，其中，所述搅拌针72表面设置有锥形螺纹，所述轴肩71与所述搅拌针72相连接的一端面设置有螺纹槽。

具体而言，如图6和图7所示，所述搅拌头7为无倾角搅拌头形貌，所述搅拌针72的长度根据焊接材料厚度及焊接接头形式来选择，所述搅拌针72表面刻有锥形螺纹，且所述轴肩71与所述搅拌针72结合的一端面上刻与所述搅拌针72相同旋向的螺纹槽，其中所述轴肩71上凸起位置与所述搅拌针72螺纹凹槽长度相同，下凹位置与所述搅拌针72螺纹凸起尺寸相同，台阶深度为0.5mm，本发明提供的焊接搅拌头，结构合理，可有效实现无倾角焊缝的焊接，且所述装置简单实用、实施方便，通过控制零部件的装配、工装与零部件的装配、搅拌头结构的选择等因素，有效地实现了平面二维曲线焊缝的搅拌摩擦焊可靠连接，焊接质量稳定可靠，三条焊缝经超声及水密检测均未发现缺陷，截取环缝T型接头的金相组织，未发现界面压接线缺陷。

实施例二

另一方面，本实施例还提供了一种搅拌摩擦焊接方法，请参考图9，包括：

步骤110：将制备好的底板2焊接在支架1上，并将所述支架1固定在搅拌摩擦焊焊接平台上。

具体而言，在工作之前，首先将各个零部件进行清洗，具体的，将各组合件进行碱洗，碱洗时间为5～10min，再用清水将残留在各零部件上的碱液冲刷干净，最后用压缩空气将各零部件上的水迹吹干。进一步的，将支架1固定在搅拌摩擦焊焊接平台上，然后将底板2焊接到所述支架1上。

步骤120：将待焊工件放置在所述底板上，调整位置后利用两个第一压板和两个第二压板分别设置在所述待焊工件的外侧边缘处。

具体而言，将待焊工件摆放在焊接底板2上，调整合适的位置，将2件第一压板3及2件第二压板4放置在所述底板2上，并利用所述第一压板3的第一部分和所述第二压板4的第三部分顶住所述待焊工件外侧边缘。

步骤130：将多个夹紧器5分别固定在所述第一压板3和第二压板4上。

进一步的，将螺栓6从所述底板2下方贯穿之后，通过与螺母相配合将两个第一压板3和两个第二压板4固定。

具体而言，从所述底板2下方穿入所述螺栓6，并采用螺母拧紧，固定，然后将所述第一压板3的第一部分和所述第二压板4的第三部分根据零件实际焊缝距离选用多个所述夹紧器5固定。

步骤140：将搅拌头7安装到搅拌摩擦焊机上，获得正中心位置，并根据待焊工件尺寸及焊接顺序获得焊接程序。

具体而言，将所述搅拌头7安装到搅拌摩擦焊机上，找正中心位置，编程，按待焊工件的尺寸及焊接顺序编制焊接程序，使程序运行，且在程序运行的过程中确保程序的正确性。

步骤150：将密封盖板安装在所述待焊工件上，调节所述夹紧器5的螺杆长度之后，将所述待焊工件压紧。

具体而言，将密封盖板安装在待焊工件上，调整所述夹紧器5的螺杆长度，压下所述夹紧器5之后压紧所述待焊工件。

步骤160：通过所述搅拌头7对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接。

进一步的，所述通过所述搅拌头7对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接，还包括：焊接工艺参数具体为：旋转速度为300rpm，焊接速度为150mm/min。

进一步的，所述通过所述搅拌头7对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接，还包括：当所述搅拌头7移动位置的前方与所述夹紧器5存在干涉时，抬起所述夹紧器5，当所述搅拌头7经过所述夹紧器5的位置后，压下所述夹紧器5后进行焊接。

具体而言，选择所述搅拌头7的搅拌针72的长度L比所述底板2的壁厚的实测值大0.2mm，选择所述搅拌头7的轴肩71直径D为15mm，所述搅拌针72直径M为7mm，所述搅拌针72表面刻锥形螺纹，且所述搅拌头7的轴肩71上刻有与所述搅拌针72相同旋向的螺纹槽，所述搅拌针72的顶面为平面，以图8所示的待焊工件为例，所述待焊工件为典型的平面曲线焊缝焊接零件，零件为长方形零件，所述流道61处有下陷，用于通水，从所述第一位置63入水，从所述第二位置64出水，出水及入水口焊后加工，焊缝共包含3道，即，第一焊缝62、第二焊缝65、第三焊缝66，用于隔开水流，其中密封盖板与第三焊缝66重叠(图中未示出，为一平板)，用于密封整体零件；然后在旋转速度为200-500rpm，焊接速度为100-200mm/min的工艺参数下，先焊接第一焊缝62，然后依次焊接第二焊缝65、第三焊缝66。

焊接时，当所述搅拌头7行进位置前方与所述夹紧器5存在干涉时，抬起所述夹紧器5，避免搅拌头与夹紧器相撞，当所述搅拌头7经过该位置后，压下所述夹紧器5，固定待焊工件，完成对所述待焊工件的焊接；

焊接完成后拆卸时，抬起所有的所述夹紧器5，松开一个第一压板3和与之相邻的第二压板4的螺栓，抬起并撤出第一压板3和第二压板4，将待焊工件取出，后续装配时直接将相同的待焊工件安装贴实在未卸下的另一个第一压板3和第二压板4处，然后安装松开的撤出第一压板3和第二压板4，避免了再次对中及编程的过程。

最后，对焊接好的工件进行后续处理步骤：将工件进行去应力时效处理，温度根据工件材料控制；对工件进行机械加工，去除焊缝加工余量；最后对工件进行超声检测；再对工件进行水密测试。

通过上述方法有效地实现了平面二维曲线焊缝的搅拌摩擦焊可靠连接，焊接质量稳定可靠，三条焊缝经超声及水密检测均未发现缺陷，截取环缝T型接头的金相组织，未发现界面压接线缺陷；不仅可以提高原材料的利用率、提高加工效率、而且还可以节约成本、扩大了设备应用范围，特别适用于平面曲线焊缝的无倾角搅拌摩擦焊成形。

本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

在本发明实施例提供的一种搅拌摩擦焊接装置和方法，通过将底板焊接在支架上，然后将支架固定在搅拌摩擦焊焊接平台上，将待焊工件放置在所述底板上，调整位置后利用两个第一压板和两个第二压板分别顶住所述待焊工件的外侧边缘；接着将螺栓从所述底板下方贯穿之后，通过与螺母相配合将两个第一压板和两个第二压板固定，进一步将搅拌头固定设置在搅拌摩擦焊机上，通过搅拌头对设置在焊接区域的待焊工件进行焊接，通过搅拌头可有效实现无倾角焊缝的焊接，进而解决了现有技术中平面曲线焊缝受到搅拌摩擦焊周向随动轴及倾角轴的限制，造成焊缝成形困难，焊接质量差的技术问题，达到了结构简单，便于实施，实现了无倾角搅拌摩擦焊成形，且焊缝质量稳定可靠，提高加工效率，扩大设备应用范围的技术效果。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明实施例的精神和范围。这样，倘若本发明实施例的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊接装置，应用于平面曲线焊缝，其特征在于，包括：

支架；

底板，所述底板焊接于所述支架上；

两个第一压板，两个所述第一压板相向设置在所述底板上；

两个第二压板，两个所述第二压板设置在两个所述第一压板之间，且，所述第二压板与所述第一压板首尾依次连接，形成一焊接区域；

多个夹紧器，两个所述第一压板和两个所述第二压板上均螺栓连接有多个所述夹紧器；

搅拌头，所述搅拌头固定设置在搅拌摩擦焊机上，通过所述搅拌头对设置在所述焊接区域的待焊工件进行焊接。

2.如权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述支架与焊接平台螺栓连接。

3.如权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述搅拌头包括轴肩和搅拌针，且所述搅拌针设置在所述搅拌头远离与搅拌摩擦焊机的一端，其中，所述搅拌针表面设置有锥形螺纹，所述轴肩与所述搅拌针相连接的一端面设置有与所述锥形螺纹相配合的螺纹槽。

4.如权利要求1所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一压板和所述第二压板的尺寸不同。

5.如权利要求4所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一压板包括第一部分和第二部分，且，所述第一部分和第二部分垂直设置；

所述第二压板包括第三部分和第四部分，且，所述第三部分和第四部分垂直设置；

其中，多个所述螺纹孔分别设置在所述第一部分和第三部分上，所述第二部分和第四部分上均开设有多个凹槽。

6.如权利要求5所述的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述第一部分的厚度大于所述第二部分的厚度，所述第三部分的厚度大于所述第四部分的厚度。

7.一种搅拌摩擦焊接方法，包括：

将制备好的底板焊接在支架上，并将所述支架固定在搅拌摩擦焊焊接平台上；

将待焊工件放置在所述底板上，调整位置后利用两个第一压板和两个第二压板分别设置在所述待焊工件的外侧边缘处；

将多个夹紧器分别固定在所述第一压板和第二压板上；

将搅拌头安装到搅拌摩擦焊机上，获得正中心位置，并根据待焊工件尺寸及焊接顺序获得焊接程序；

将密封盖板安装在所述待焊工件上，调节所述夹紧器的螺杆长度之后，将所述待焊工件压紧；

通过所述搅拌头对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接。

8.如权利要求7所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，将螺栓从所述底板下方贯穿之后，通过与螺母相配合将两个第一压板和两个第二压板固定。

9.如权利要求7所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述通过所述搅拌头对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接，还包括：

焊接工艺参数具体为：旋转速度为300rpm，焊接速度为150mm/min。

10.如权利要求7所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述通过所述搅拌头对所述待焊工件上的焊缝依次进行焊接，还包括：

当所述搅拌头移动位置的前方与所述夹紧器存在干涉时，抬起所述夹紧器，当所述搅拌头经过所述夹紧器的位置后，压下所述夹紧器后进行焊接。

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