用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备

摘要

本发明公开了一种用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备，包括外壳体（6），所述外壳体（6）顶部设有握把（7），所述外壳体（6）内安装动力电机（1）；所述动力电机（1）通过套筒联轴器（11）连接主动齿轮轴（8），所述主动齿轮轴（8）通过其上齿轮与从动齿轮轴（9）上的齿轮啮合，所述从动齿轮轴（9）通过轴节（12）与主轴（10）上端连接，所述轴节（12）和主轴（10）之间安装导线平键（30）。本发明设计合理，该设备采用双齿轮齿条同步反向进给机构及快速感应预热机构，大大增加了设备的联动性和便携性，并适应于高熔点材料的搅拌摩擦点焊。

说明书

技术领域

本发明属于点焊连接技术领域，具体为一种适用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备。

背景技术

随着安全性和燃油经济性需求的增长，汽车及航空航天工业对高强度、轻质材料的需求越来越大。在轻量化的推动下，汽车及航天航空领域中铝合金、镁合金等零部件的使用比例逐年增加，钢铁在材料中主导地位也受到了威胁。为提高零部件的安全性并应对来自其他材料的挑战，目前钢铁材料的开发重点是超高强度钢。超高强度钢不仅可在不降低安全性的前提下通过厚度减薄达到减重目的，且超高强度钢在抗碰撞性能、耐腐蚀性能和成本方面相比其他材料也具有较大的优势。电阻点焊是工业制造过程中一项关键的、同时也是符合轻量化制造要求的连接技术。然而，高熔点材料尤其是超高强度钢的电阻点焊却面临着一些难题：超高强度钢电阻点焊时容易产生飞溅、缩孔和裂纹等内部缺陷，工艺参数不当时也会出现未熔合、压痕过深、板间翘曲、表面裂纹等问题。这些缺陷易造成接头承载能力的降低，成为生产中的不稳定因素。

搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊技术基础上发展起来的一项极具应用前景的新型固相点焊连接技术。与电阻点焊技术相比较，搅拌摩擦点焊方法具有如下优点：接头质量高、缺陷少、工艺简单、耗能小、设备投资低、搅拌头寿命长和绿色环保。

目前，搅拌摩擦点焊设备有两种：一种是德国GKSS研究所和Riftic公司开发的无匙孔搅拌摩擦点焊设备，其特点是设备体积庞大、控制系统复杂、价格昂贵；一种是日本川崎和马自达公司开发的有匙孔搅拌摩擦点焊设备，其搅拌头的搅拌针和轴肩一体式设计，对焊接厚度的适应性不强，不能够应对范围较广的焊接材料。

由于现有的搅拌摩擦点焊设备普遍应用于低熔点材料的连接，且体积庞大，工作区间及工作维度有限，因而无法满足高熔点材料高效连接的要求，也无法满足一些小区域或大型复杂结构件的点焊灵活性要求。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明目的在于提供一种适用于高熔点材料连接、便携、同时可实现无匙孔焊接、并对焊接工件形状及焊接位置具有较高适应性的搅拌摩擦点焊设备，以满足制造领域的焊接需求。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备， 包括外壳体，所述外壳体顶部设有握把，所述外壳体内安装动力电机；所述动力电机通过套筒联轴器连接主动齿轮轴，所述主动齿轮轴通过其上齿轮与从动齿轮轴上的齿轮啮合，所述从动齿轮轴通过轴节与主轴上端连接，所述轴节和主轴之间安装导线平键；所述主轴下端通过螺纹安装探针；所述主轴上部通过角接触球轴承套装主轴套筒，所述主轴套筒两侧对称设有主轴套筒齿条；所述主轴下部活动套装有袖筒，所述袖筒底部外套装压紧套筒，所述压紧套筒由陶瓷加工而成、通过螺钉固定在外壳体内底端，所述压紧套筒底面开有环形槽口，所述压紧套筒的环形槽口内绕制有高频感应线圈；所述袖筒上表面位于主轴两侧对称设有袖筒齿条；所述外壳体内位于主轴两侧通过深沟球轴承对称安装有两根步进齿轮轴，所述步进齿轮轴通过凸缘联轴器与步进电机联接，其上小齿轮与袖筒齿条啮合、大齿轮与主轴套筒齿条啮合。

该设备包括：动力电机、传动机构、进给机构、焊接机构，快速感应预热机构、壳体和手持握把。传动机构由齿轮副及主轴组成，与动力电机通过套筒联轴器联接。进给机构由步进电机及进给装置（齿轮与齿条）组成，步进电机与进给装置主轴通过凸缘联轴器联接，进给装置通过两对齿轮齿条来实现探针、袖筒的同步反方向运动。传动机构与进给机构通过角接触球轴承相关联，末端与焊接机构通过螺纹联接。快速感应预热机构是将感应加热线圈绕制在袖筒四周，并安装在压紧套筒的槽口中，而压紧套筒通过螺钉与外壳体固定。

使用时，适用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备外壳体上设置有操作面板，通过数字电路控制，以便根据工艺要求进行操作编程。

本发明设计合理，该设备采用双齿轮齿条同步反向进给机构及快速感应预热机构，大大增加了设备的联动性和便携性，并适应于高熔点材料的搅拌摩擦点焊。

附图说明

图1表示适用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备示意图。

图2表示传动机构的示意图。

图3表示进给机构的正面示意图。

图4表示进给机构的侧面示意图。

图5表示焊接机构的示意图。

图6表示快速感应预热机构的示意图。

图中：1-动力电机，2-传动机构，3-进给机构，4-焊接机构，5-快速感应预热机构，6-外壳体，7-手持握把，8-主动齿轮轴，9-从动齿轮轴，10-主轴，11-套筒联轴器，12-轴节，13-步进电机，14-小齿轮，15-大齿轮，16-袖筒齿条，17-凸缘联轴器，18-深沟球轴承，19-主轴套筒，20-角接触球轴承，21-袖筒，22-齿条连接杆，23-探针，24-压紧套筒，25-螺钉，26-高频感应线圈，27-步进齿轮轴，28-主轴套筒齿条，29-导向套，30-导向平键。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

如图1所示，一种用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备，主要包括动力电机1、传动机构2、进给机构3、焊接机构4、快速感应预热机构5、外壳体6和手持握把7。

外壳体6顶部设有握把7，所述外壳体6内安装动力电机1；动力电机1为三相交流调速制动电机。

如图2所示，传动机构2由主动齿轮轴8、从动齿轮轴9及主轴10组成，主动齿轮轴8与动力电机1通过套筒联轴器11联接，主动齿轮轴8通过其上齿轮与从动齿轮轴9上的齿轮啮合，从动齿轮轴9与主轴10通过轴节12联接，轴节12和主轴10之间安装导线平键30；主轴10上设置有键槽，因而可以在转动的同时实现伸缩，提高设备内部器件工况的稳定性。

如图3所示，主轴10和袖筒21两侧各设置有一套进给机构3，进给机构3由步进电机13、步进齿轮轴27、主轴套筒19、主轴套筒齿条28、袖筒齿条16、凸缘联轴器17和深沟球轴承18等组成；如图4所示，步进齿轮轴7一端通过凸缘联轴器17与步进电机13联接，另一端通过深沟球轴承18与外壳体6联接；主轴套筒19通过一对角接触球轴承20与主轴10联接；齿条通过螺钉分别固定在主轴套筒19和袖筒21延伸出的齿条连接杆22上，主轴套筒齿条28下端位于袖筒21上表面的导向套29内。大齿轮15布置在步进齿轮轴27上，与主轴套筒齿条28啮合；步进齿轮轴27上的小齿轮14与袖筒齿条16啮合。当步进电机13带动步进齿轮轴27上的两个齿轮转动时，两齿轮分别带动两侧的齿条同步反向移动，从而实现主轴10与袖筒21的联动。

如图5所示，焊接机构4由探针23、袖筒21、压紧套筒24组成，探针23通过螺纹与主轴10联接；袖筒21通过进给机构3与主轴套筒19连接，从而实现袖筒21与探针23的联动，实现同步反向进给； 压紧套筒24由陶瓷加工而成、开有环形槽口、并通过螺钉25固定在外壳体6上，以满足安装快速感应预热机构5的需求；此外，为了更加适应高熔点材料的搅拌摩擦点焊，进一步提高适应性，尤其是汽车领域常用的超高强度钢，对搅拌工具（探针23、袖筒21）所用材料进行了针对性改进，如选用CBN材料或采用多弧等离子镀的陶瓷涂层。

如图5所示，快速感应预热机构5由高频感应线圈26、内部电路及控制装置组成；高频感应线圈26绕制在袖筒21周围且安装在压紧套筒24槽口中，如图6所示；通过外部的控制面板可以实现对预热温度、预热时间及保持时间等参数的调节，以适应于不同的高熔点材料点焊。

外壳体6采用高分子材料制造，外壳体6顶部设置有不锈钢手持握把7，以满足轻质、便携的要求；外壳体6上还设置有操作面板和感应预热控制面板，以便进行操作编程和预热参数调节。

前述的适用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备可通过数字电路控制，并根据工艺要求进行焊接程序编写

下面举例说明适用于高熔点材料连接的便携式无匙孔搅拌摩擦点焊设备的工作过程。

1、根据待焊工件的材料类别和厚度拟定焊接工艺，包括主轴转速、袖筒和探针在工件表面的驻留时间、探针的扎入速度和扎入深度、袖筒的上提速度和上提高度、探针在工件内部的驻留时间、探针的上提速度和上提高度、袖筒的下压速度和下压距离、不同厚度的不同材料所要求的焊前预热参数。

2、依据确定的焊接工艺进行焊接程序的编写，并储存于设备的控制器中。

3、将设备对准待焊位置，并准确定位固定。

4、打开电气开关，调入焊接程序，执行焊接命令。焊接前，探针端面、袖筒端面、压紧套筒端面和待焊工件表面处于同一平面，同时预热机构将待焊处加热至粘塑性状态。焊接开始后，压紧套筒维持静止状态，探针旋转下移，对待焊部位进行搅拌，袖筒同步上移，留出空腔来存储溢出金属，当探针下移到指定深度时，探针上移并留下空穴，与此同时袖筒同步下压，将溢出金属挤压至空穴中。最终，探针端面、袖筒端面、压紧套筒端面和工件表面又恢复至初始位置，同时探针滞后旋转一段时间，以消除表面搅拌纹路，完成整个焊接过程。

5、焊接过程结束，关闭电气控制开关，同时拆卸卡具，并移开设备。

本发明针对目前FSSW尚处于低熔点材料连接的背景，采用快速感应预热机构，焊前将高熔点材料快速预热至其力学熔点温度范围，再对其进行无匙孔搅拌摩擦点焊连接，使整个过程仍然保留固相焊的特点；针对搅拌工具所用材料进行了改进，如选用CBN材料或采用多弧等离子镀的陶瓷涂层，因此更加适应高熔点材料的搅拌摩擦点焊；设备的体积和重量大大减小，因而显著增强了设备使用的灵活性和便携性，从而可以应对各种工件形状和各种焊接位置的焊接需求，特别是对于大型焊件或形状尺寸复杂的焊件具有较大的应用潜力；该设备施焊时的焊接工艺采用数字控制，从而焊接质量稳定、重复性高，且允许配合其他工装实现自动化焊接生产。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。