基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具的制作方法

本發明涉及基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，屬于攪拌摩擦焊領域。

背景技術：

自英國焊接研究所(TWI)于1991年發明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項技術因其焊接變形小、殘余應力小，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產生弧光、煙塵、噪音污染等，同時能顯著降低成本、節省材料、優化結構、減輕飛行器的結構重量等特點受到各國科研機構的關注。由于這項技術具有很多其他方法所不具備的顯著特點，它很快就被用于航天領域，新一代運載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質量的焊接接頭，但在對鋼管的進行焊接時，仍然存在很多難點。

專利(申請號201410792391.5)通過輔助熱源對需要焊接區域進行預加熱，直至焊接材料達到塑化或者合金化狀態后，摩擦攪拌頭再沿輔助熱源加熱路徑前進進行摩擦焊接，即這個方法需要首先使用輔助熱源將焊接材料完全塑化，然后攪拌頭再進行焊接，但這個專利沒有提出如何調節焊接過程中的輔助熱源；專利(申請號201210564760.6)使用了具有加熱絲的加熱箱體，將需要進行攪拌摩擦焊接的鋼板進行焊接前的加熱和焊接后的冷卻，但顯然這個方法所需要的加熱裝置巨大且適用性不強；此外還有專利(申請號201210592979.7)將激光和攪拌摩擦焊這種復合焊接技術應用于材質較硬的焊接板，在焊接板的背面和正面設置激光束，但激光系統成本較高且能量過于集中，難以對焊接前方的較大區域進行整體預熱。因此設計出一種既具備傳統攪拌摩擦頭焊接功能、又能最大程度地避免攪拌頭受力過度磨損、又能夠減少鋼管變形的焊具及其方法成為了一個迫在眉睫的重要任務。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，在焊接過程中，可根據焊具軸向壓力作為反饋及時調整電阻產熱大小，從而通過對攪拌區域之外的局部金屬進行加熱，保證焊接區域處于合適的溫度狀態。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，包括動力室外殼，所述動力室外殼內依次設有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上設有主電機，所述主電機與主軸連接，主軸與攪拌摩擦頭連接，主軸外套有同步回轉套，同步回轉套外套有軸承，軸承位于支撐室外殼內，支撐室外殼固定在第二支撐板上，通過主電機轉動帶動攪拌摩擦頭轉動；所述第二支撐板與下方的電阻絲固定套連接，電阻絲固定套內安裝有對攪拌摩擦頭進行加熱的輔熱裝置。

作為優選，所述輔熱裝置包含一對導熱塊和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套與位于電阻絲固定套邊沿的導熱塊連接，攪拌摩擦頭位于兩個導熱塊之間。

作為優選，所述支撐室外殼內設有冷卻裝置。

作為優選，所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼內的水管通道，水管通道內有循環冷卻液。

作為優選，所述主軸外設有軸向壓力檢測單元，所述軸向壓力檢測單元包含支撐座和角接觸軸承，所述主軸外設有臺階，角接觸軸承套在臺階上，角接觸軸承外設有軸承座，軸承座與第二支撐板之間設有中空的不旋轉的壓力傳感器，軸承座通過長螺桿安裝在第二支撐板上。

作為優選，所述長螺桿上套有彈簧再穿過軸承座。

作為優選，所述主軸上套有匯流環，匯流環與軸向壓力檢測單元信號連接。

有益效果：本發明的基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，具有以下優點：

(1)這是一種新式的單軸肩攪拌摩擦焊工具，可根據軸向壓力的大小，調整攪拌頭外圍焊接金屬的預熱程度，調整軸向壓力也可以減少鋼管變形。

(2)結構簡單、實用性強。該焊具部件較少、成本低廉、容易實現且裝配方便，這對于其推廣與應用具有重要的現實意義。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為圖1中軸向壓力檢測單元的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1和圖2所示，本發明的一種基于壓力反饋和電阻輔熱的鋼管攪拌摩擦焊具，包括動力室外殼，所述動力室外殼內依次設有第一支撐板和第二支撐板4-2，所述第一支撐板上設有主電機1，所述主電機1與主軸7連接，主軸7與攪拌摩擦頭9連接，主軸7外套有同步回轉套10，同步回轉套10外套有軸承11，軸承11為滾珠軸承，軸承11位于支撐室外殼5內，軸承11通過軸承擋圈12固定在同步回轉套10上，支撐室外殼5固定在第二支撐板4-2上，通過主電機1轉動帶動攪拌摩擦頭9轉動；所述第二支撐板4-2與下方的電阻絲固定套6連接，電阻絲固定套6內安裝有對攪拌摩擦頭9進行加熱的輔熱裝置。

在本發明中，所述輔熱裝置包含一對導熱塊8和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套6與位于電阻絲固定套6邊沿的導熱塊8連接，攪拌摩擦頭9位于兩個導熱塊8之間，兩根電阻絲分別于第一電極3和第二電極13連接。

在本發明中，所述支撐室外殼5內設有冷卻裝置，所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼5內的水管通道，水管通道設有冷卻液進口2和冷卻液出口14，水管通道內有循環冷卻液。

在本發明中，所述主軸7外設有軸向壓力檢測單元4，所述軸向壓力檢測單元4包含支撐座和角接觸軸承4-5，所述主軸7外設有臺階，角接觸軸承4-5套在臺階上，角接觸軸承4-5外設有軸承座4-3，軸承座4-3與第二支撐板4-2之間設有中空的不旋轉的壓力傳感器4-6，軸承座4-3通過長螺桿4-1安裝在第二支撐板4-2上，長螺桿4-1上套有彈簧4-4再穿過軸承座4-3，所述主軸7上套有匯流環，匯流環與軸向壓力檢測單元4信號連接。當軸向壓力超過閾值，則減小電阻絲的通過電流；如小于閾值，則增大電阻絲的通過電流。

在本發明中，主電機1可采用結構緊湊、輸出力矩較大的永磁電動機；冷卻液進口2、冷卻液出口13可選擇銅合金，冷卻液可選擇常用的純凈水或常用機加工冷卻液；第一電極3和第二電極13可采用導電較好的銅合金，支撐室外殼5、同步回轉套10可采用普通碳鋼制作；電阻絲固定套6則需要采用耐熱、絕緣材料制作；攪拌摩擦頭9則采用高溫合金進行加工；壓力傳感器4-6則可選用市面上常用的圓環形壓力傳感器。為了減少未焊接時軸向壓力傳感器4-6承受過大的預緊力，利用彈簧4-4頂緊軸承座4-3和壓力傳感器4-6；主軸7在穿過軸承4-5、中空的壓力傳感器后，往上與主電機1的輸出軸相連，所以在焊接過程中，軸向力傳感器4-6是不旋轉的。電阻絲固定套6位于支撐室外殼5的外圍，但與支撐室外殼5之間存在間隙。

如圖2所示，確定彈簧4-4壓縮量的原則：彈簧4-4所產生的彈力稍大于軸向壓力檢測單元4的自重即可，例如可以為1.05倍的軸向壓力檢測單元4的自重。這樣做，可以避免軸向力傳感器在未焊接的時候，也有輸出，從而影響實際焊接過程中壓力的精確性。

該使用攪拌摩擦焊具進行焊接的主要流程與步驟：

(1)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上，攪拌摩擦頭9固定安裝于主軸7上；

(2)將壓力傳感器4-6通電，讀取空載時的壓力輸出并保存，記為F₀；

(3)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉，同時設定壓力閾值F₁；

(4)整個焊具開始下降，當攪拌摩擦頭9開始接觸工件時，開始記錄壓力傳感器4-6的輸出F，當下壓深度達到目標值時，進入預熱階段；

(5)預熱階段結束后，電阻絲通電，正式開始焊接；

(6)焊接過程中，不斷計算F-F₀，記為F₂，如F₂超過閾值F₁，則減小電阻絲的通過電流；如F₂小于閾值F₁，則增大電阻絲的通過電流。

(7)焊接結束后，提升焊具，使攪拌摩擦頭9脫離工件，然后切斷電阻絲8的電源；

(8)數分鐘后，關斷冷卻液停止冷卻，拆下攪拌摩擦頭9。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。