一種柔性攪拌頭及其攪拌摩擦焊裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及攪拌摩擦焊設備領域，特別涉及一種柔性攪拌頭及其攪拌摩擦焊裝置。
【背景技術】
[0002]攪拌摩擦焊是英國焊接研究所于1991年發明的焊接技術。攪拌摩擦焊工藝最初主要用于解決鋁合金等低熔點材料的焊接。作為一種先進的固相連接技術，攪拌摩擦焊廣泛應用于航空航天、軌道交通、國防軍工、輪船汽車等領域。攪拌摩擦焊過程中，使用攪拌頭插入工件的待焊接部位，通過攪拌頭與工件間的攪拌摩擦，摩擦熱使該部位金屬處于熱塑性狀態并在攪拌頭的壓力作用下從其前端向后部塑性流動，從而使待焊件焊接為一個整體。
[0003]現有的攪拌摩擦焊裝置在焊接過程中主軸發生高速旋轉、并完成Z軸移動、X軸移動和Y軸移動，即工作臺不動，通過攪拌頭的運動來實現焊接，設備體積大。傳統的攪拌摩擦焊裝置采用剛性攪拌針，焊接過程中需要較大的頂鍛力才能為焊縫金屬提供足夠能量使其發生塑化，從而實現良好的焊接，所以傳統的攪拌摩擦焊設備上部用于驅動主軸運動的驅動結構比較復雜，而且比較笨重，使得攪拌摩擦焊裝置難以小型便攜化，從而限制了攪拌摩擦焊的應用范圍，阻礙了攪拌摩擦焊技術的發展。
[0004]在攪拌摩擦焊過程中，焊縫處的金屬受到攪拌頭軸肩和底面剛性墊板的雙重限制作用。當攪拌頭旋轉引起塑化金屬沿攪拌針螺紋表面軸向流動時，會形成一個入口端和一個出口端。在入口端，有可能形成一個瞬時空腔，周圍塑化金屬將被吸向此空腔，形成所謂“抽吸效應”;在出口端，塑化金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成所謂“擠壓效應”。在攪拌摩擦焊過程中前進側和后退側的材料流動是非對稱的，在攪拌針后退側的大部分材料僅僅發生了簡單的擠壓，并在攪拌針的后方發生了沉淀，常常導致焊接質量不高。為了改善前進側和后退側材料的流動，專利(公開號CN101474718)提出了一種利用電阻熱的攪拌摩擦復合焊接裝置及焊接方法，但是該裝置需要在攪拌頭附近安裝類似于集流環或滑環的裝置，增加了裝置的復雜性和控制難度，而且由于接觸電阻的變化使得攪拌頭內部產熱影響使用壽命。
【發明內容】
[0005]鑒于以上所述現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種柔性攪拌頭及其攪拌摩擦焊裝置，簡化結構，促進攪拌摩擦焊過程中前進側和后退側材料的流動，減小焊接所需的頂鍛力，提高攪拌頭的焊接性能，使裝置輕量化、小型化、便攜化。
[0006]為實現上述目的及其他相關目的，本發明提供一種柔性攪拌頭，包括用于夾持的攪拌頭主體以及連接在攪拌頭主體下端的軸肩和攪拌針，所述攪拌針與攪拌頭主體一體成型或可拆卸連接，所述攪拌針整體或攪拌針下部由耐高溫柔性金屬材料制成。
[0007]采用上述結構的攪拌頭，由于采用柔性金屬制成的攪拌針，在攪拌摩擦焊過程中可以傳遞給塑化流動金屬更多的能量，明顯提升塑化金屬的流動速度；促進堅實緊密的渦旋結構體發生松散，使塑化流動金屬具有更高、更均衡的湍流性能，更有效的利用塑化流動金屬內部的能量，增大攪拌效率；更有效的強化軸向塑化金屬的軸向流動，更利于前進側和后退側的塑化金屬混合和物質能量交換，從而提高焊接接頭的性能。
[0008]作為優選:所述耐高溫柔性金屬材料為進行了表面耐磨處理的鈦鎳系高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的鈷鎳系高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的鎳錳系高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的銅鋁基高溫形狀記憶合金。
[0009]所述的表面耐磨處理，為采用激光熔敷、高速電弧噴涂、等離子噴涂、刷鍍、火焰噴涂中的一種方法，將WC-ColOCr4合金粉末、Cr3C2_NiCr合金粉末、WC_Col7合金粉末、WC-Co 12合金粉末、Ni60CuMo合金粉末、Co42合金粉末、Co50合金粉末、Co55合金粉末、Cr50合金粉末、Ni25ffC35合金粉末、Ni45ffC35合金粉末中的一種或多種合金粉末涂覆在材料表面形成耐磨層，耐磨層厚度為5?200 μ m ;所述的表面耐磨處理，還包括采用滲碳、滲氮、碳氮共滲中的一種方法進行表面處理獲得耐磨滲層，耐磨滲層厚度為10?500 μπι。
[0010]作為優選:所述攪拌針外周面上設置有多組螺紋，所述軸肩下端面設有多個凹槽。
[0011]作為優選:所述攪拌針包括位于上方的針頸部和位于下方的針尖部，所述針頸部和針尖部焊接或螺紋連接。
[0012]作為優選:所述攪拌針針頸部為錐形臺，所述針尖部的縱截面為矩形、梯形或三角形。針頸部按現有攪拌針技術制備而成，所述針尖部由進行了表面耐磨處理的合金粉末布制成。所述針尖部的合金粉末柔性布是一種由WC或WC-Co、經機械合金化的N1-30Cr合金粉末、橡膠、硬脂酸和樹脂，通過輥壓成型制備而成的金屬絲網柔性復合布。所述的合金粉末布的表面耐磨處理與上述的表面耐磨處理相同。
[0013]本發明同時提供一種攪拌摩擦焊裝置，包括上述的柔性攪拌頭。
[0014]采用上述的柔性攪拌頭后，不必再依賴主軸較大的頂鍛力才能為焊縫金屬提供足夠能量使其發生塑化，從而可以使得攪拌摩擦焊裝置的主軸驅動部分結構更簡單，質量減輕，做到小型化便于移動等。
[0015]作為優選:攪拌摩擦焊裝置還包括底座、主軸支座、左右推進機構、前后推進機構和工作臺，所述左右推進機構安裝在底座上，所述前后推進機構通過第一滑動機構安裝在左右推進機構上，所述工作臺通過第二滑動機構安裝在前后推進機構上；所述主軸支座上沿豎直方向設置有第一導軌和上下推進機構，第一導軌上滑動安裝有第一支撐座，該第一支撐座與上下推進機構連接，所述第一支撐座上設置有旋轉電機和主軸，主軸與旋轉電機輸出端相連，所述柔性攪拌頭連接在主軸上，并位于工作臺上方。
[0016]上述結構，主軸驅動部分只需要旋轉和在豎直方向運動，而通過工作臺的前后左右移動來實現焊接位置的調整，從而使得設備主軸部分輕量化，裝置整體實現小型化。
[0017]作為優選:所述前后推進機構和左右推進機構均包括電機和絲桿螺母副，絲桿水平設置并與電機相連，所述第一滑動機構和第二滑動機構均包括相配合滑軌和滑座，滑軌與絲杠平行布置，滑座通過螺母與絲杠連接。
[0018]作為優選:所述上下推進機構為氣缸或者液壓缸或者電機與絲桿的組合。
[0019]作為優選:所述工作臺包括剛性的支撐臺以及設置在支撐臺上的壓緊機構，所述支撐臺面上開設有多個安裝孔，所述壓緊機構安裝在安裝孔內。
[0020]作為優選:所述導軌和第一導軌上均設置有光電限位開關裝置；所述旋轉電機和主軸分別通過第一支撐板和第二支撐板安裝在第一支撐座上，旋轉電機與主軸通過聯軸器連接，所述主軸與第二支撐板之間設置有軸承。
[0021]如上所述，本發明的有益效果是:
[0022]與采用傳統剛性攪拌針進行攪拌摩擦焊接相比，采用柔性攪拌針可以傳遞給塑化流動金屬更多的能量，明顯提升塑化金屬的流動速度；促進堅實緊密的渦旋結構體發生松散，使塑化流動金屬具有更高、更均衡的湍流性能，更有效的利用塑化流動金屬內部的能量，增大攪拌效率；更有效的強化軸向塑化金屬的軸向流動，更利于前進側和后退側的塑化金屬混合和物質能量交換，從而提高焊接接頭的性能，并減小焊接所需的頂鍛力，使設備易于小型化。采用左右推進機構、前后推進機構的方式，通過移動工作臺來改變焊接位置，簡化主軸結構，使裝置整體輕量化，小型化，節省材料和成本。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明中柔性攪拌頭的結構示意圖；
[0024]圖2、圖3、圖4、圖5為本發明中柔性攪拌頭其他形狀的結構示意圖；
[0025]圖6為本發明中攪拌摩擦焊裝置的結構示意圖；
[0026]圖7為本發明中攪拌摩擦焊裝置工作臺部分的平面視圖；
[0027]圖8為本發明中攪拌摩擦焊裝置主軸支座上的安裝結構示意圖。
[0028]零件標號說明
[0029]1 底座
[0030]2主軸支座
[0031]3上下推進機構
[0032]31液壓缸
[0033]32第一導軌
[0034]33第一支撐座
[0035]4柔性攪拌頭
[0036]41攪拌頭主體
[0037]42 軸肩
[0038]43針頸部
[0039]44針尖部
[0040]5左右推進機構
[0041]51第一電機
[0042]52第一絲桿
[0043]53第一滑軌
[0044]54第一滑座
[0045]6前后推進機構
[0046]61第二電機
[0047]62第二絲桿
[0048]63第二滑軌
[0049]64第一安裝座
[0050]65第二滑座
[0051]7工作臺
[0052]71安裝孔
[0053]81旋轉電機
[0054]82第一支撐板
[0055]83聯軸器
[0056]84第二支撐板
[0057]85主軸
[0058]9光電限位開關裝置
【具體實施方式】
[0059]以下由特定的具體實施例說明發明的實施方式，熟悉此技術的人士可由本說明書所揭露的內容輕易地了解發明的其他優點及功效。
[0060]如圖1所示，本發明提供一種柔性攪拌頭，包括用于夾持的攪拌頭主體41以及連接在攪拌頭主體41下端的軸肩42和攪拌針，攪拌針與攪拌頭主體41 一體成型或采用螺紋連接、銷軸固定等可拆卸連接，可拆卸連接便于磨損后更換攪拌針。所述攪拌針包括位于上方的針頸部43和位于下方的針尖部44，針頸部43和針尖部44焊接或螺紋連接，至少針尖部44由耐高溫柔性金屬材料制成。
[0061]本例中，所述耐高溫柔性金屬材料為進行了表面耐磨處理的鈦鎳系高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的鈷鎳系高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的鎳錳系高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的銅鋁基高溫形狀記憶合金、進行了表面耐磨處理的合金粉末柔性布中的一種。
[0062]所述的表面耐磨處理，為采用激光熔敷、高速電弧噴涂、等離子噴涂、刷鍍、火焰噴涂中的一種方法，將WC-ColOCr4合金粉末、Cr3C2_NiCr合金粉末、WC_Col7合金粉末、WC-Co 12合金粉末、Ni60CuMo合金粉末、Co42合金粉末、Co50合金粉末、Co55合金粉末、Cr50合