CN108015405B - 一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，包括支撑架、焊接平台、调速送丝系统、角度调整系统、定位轮组系统和施焊系统。其能够实现异种金属材料在对接条件下进行搅拌摩擦焊，同时能够不间断向焊件间隙送入中间层，使得搅拌摩擦焊顺利进行，获得具有优良力学综合性能的焊接接头。

Description

一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置

技术领域

本发明涉及焊接技术，具体涉及一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置。

背景技术

由于铝合金和钢两种异种金属在对接条件下采用搅拌摩擦焊技术进行焊接可获得性能优异的焊接接头，被认为是较适合两者材料的焊接方法，因此在航天、航空结构件、发动机耐热和耐磨部件等方面具有广大的应用前景，并正在逐步在实际生产中应用于车辆制造、船舶生产等越来越多工业生产部门。若焊接工艺控制不当，会生成Fe-Al金属间化合物，并有较大残余应力，限制接头强度的进一步提高。目前，常常采用搭接进行铝合金和钢的搅拌摩擦焊，在搭接情况下，焊接时需要性能较好的搅拌头，且由于搅拌头深入待焊件，极大地加剧了设备的磨损，降低其使用寿命，若通过加入中间层的方法减少磨损，则会因中间层被挤开而形成孔洞等缺陷，并减薄可焊厚度。

CN106514271A公开了一种铜带或铜合金带搅拌摩擦焊设备，其在焊接过程中，将两铜待焊带件对接放置，随后进行搅拌摩擦焊，以满足现有铜带或铜合金带间相互连接的需求，但是仅为将两份铜带或铜合金带同种材料焊接连接，且无加入带状中间层的装置。

综上所述，目前异种金属连接多采用搭接方式，所以焊接设备也多为搭接条件设计，针对异种金属材料在搭接条件下搅拌摩擦焊焊接效果不足的问题，亟待研发一种可满足减少界面金属间化合物厚度和降低界面应力等要求的搅拌摩擦焊设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其能够实现异种金属材料在对接条件下进行搅拌摩擦焊，同时能够不间断向焊件间隙送入中间层，使得搅拌摩擦焊顺利进行，获得具有优良力学综合性能的焊接接头。

本发明所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：包括支撑架、焊接平台、调速送丝系统、角度调整系统、定位轮组系统和施焊系统；所述支撑架包括基座，基座的左、右端竖直设有相对布置的两个立柱，基座的上方设有与基座平行的横梁，横梁的两端分别与两个立柱连接；所述焊接平台包括间隙调整平台和X-Y移动平台；所述X-Y移动平台设于基座上，由两个滑动方向垂直的平台组成，由X-Y移动变速控制器控制；X-Y移动平台一侧设有丝杠导轨立柱；所述间隙调整平台设于X-Y移动平台上，两个焊件通过装夹块相对设置于间隙调整平台上；所述调速送丝系统设于支撑架左方，包括能够沿Z向升降的底座、设于底座上的送丝盘和送丝机，所述送丝机位于送丝盘右方，送丝盘用于装焊接用中间层；所述角度调整系统通过三维调整机构固定于基座左端的立柱上，包括与三维调整机构连接的角度调节器、固定于角度调节器上的送丝枪和固定于送丝枪上、下侧的激光发射器，所述激光发射器的激光射出方向与送丝枪送丝方向平行；所述定位轮组系统包括连接板、校直轮组、预埋轮和校平轮，所述连接板横向连接于横梁上；沿着X向，所述校直轮组、预埋轮和校平轮通过连接杆从左至右依次并列设于连接板上，且能够沿Z向移动；所述施焊系统包括机头角度旋转装置、搅拌头转速控制器、齿轮箱、电机、搅拌头安装夹具；齿轮箱的外壳通过机头角度旋转装置与丝杠导轨立柱相连；电机由转速控制器控制，其输出端连接齿轮箱，齿轮箱的输出端连接搅拌头安装夹具，搅拌头安装夹具位于焊接平台的上方；送丝盘内的中间层的运动路线为：从送丝盘引出经送丝机调速后，进入送丝枪，然后通过校直轮组校直，再由预埋轮作用使得中间层进入焊件之间的间隙，再通过校平轮压紧在间隙内。

进一步，所述送丝机的送丝速度为1～220mm/min。

进一步，所述三维调整机构包括X向移动模块、Y向移动模块和Z向移动模块，X向移动模块滑动连接于基座左端的立柱上，Y移动模块滑动连接于X向移动模块上，Z向移动模块滑动连接于Y向移动模块上，角度调节器固定于Z向移动模块上。

进一步，所述X向移动模块、Y向移动模块和Z向移动模块的调节范围为0～100mm，送丝枪与间隙调整平台的夹角的调整范围为0°～10°。

进一步，所述连接板通过三个三角形支架固定于横梁上，设有多个与连接杆对应配合的条形孔，条形孔走向为Y向，通过条形孔能够调节校直轮组、预埋轮和校平轮的Y向位置。条形孔的设置便于调节校直轮组、预埋轮和校平轮的Y向位置，使得定位轮组系统位于焊件间隙的正上方，进而在焊接时，保证中间层送入流畅，提高焊接效率。

进一步，所述校直轮组由两个水平异向旋转的转轮组成，转轮的直径为10～30mm，校直轮组的数量为1～3组。异向旋转的转轮通过轧制方式对中间层进行校直，使其能够通过预埋轮平滑进入焊件间隙。

进一步，所述预埋轮的直径为10～30mm，校平轮的直径为5～15mm；所述校直轮组与预埋轮之间的距离为5～20mm，预埋轮与校平轮之间的距离为60～150mm。根据不同的中间层类型和中间层厚度调整相应数值，保证中间层顺利平滑地进入焊件间隙。

进一步，所述间隙调整平台包括固定模块和移动模块，两个焊件分别固定于固定模块和移动模块上，所述移动模块能够沿Y向移动以调整两个焊件间隙。

进一步，所述移动模块上设有焊件间隙刻度值，方便读数定位。

进一步，所述固定模块和移动模块相对的一侧分别设有对应配合的凸起和缺口，当调整焊件间隙时，凸起和缺口形成与焊件间隙相对应的凹槽。移动模块沿Y向移动时，在Y向接触的凸起和缺口分开形成凹槽，中间层底部能够置于凹槽内，使得焊件上、下两侧均有足够的中间层进行补偿，提高焊缝均匀性，增强焊缝性能。

进一步，所述X-Y移动平台的移动速度为15～144mm/min，所述机头角度旋转装置的旋转角度为﹣40°～40°，转速控制器控制电机的转速为65～4500r/min。

采用本装置的异种金属材料对接的搅拌摩擦焊方法，其包含如下步骤：

步骤一，将间隙调整平台合拢置中，焊件通过装夹块相对设置于间隙调整平台上，根据中间层厚度的不同，滑动间隙调整平台移动侧至对应刻度，锁紧；

步骤二，调整Y向移动平台位移量控制搅拌头的位移量，使得搅拌头位于焊件之间的间隙正上方；

步骤三，打开送丝枪上的激光发射器，通过三维调整机构和角度调节器调整送丝枪的空间位置，使得两个激光发射器射出的光斑均位于间隙调整平台的凹槽内，且所连成线段与凹槽无夹角，完成送丝枪位置固定与对中；

步骤四，由送丝盘引出带状中间层，穿过送丝机和送丝枪，经校直轮组、预埋轮和校平轮作用后，置于焊件之间，且位于搅拌头正下方，中间层底部位于凹槽内；

步骤五，设置搅拌头转速和焊接速度，开始焊接，当搅拌头移动至焊缝终端，停止旋转，升起搅拌头，再停止送丝，切断带状中间层，完成异种金属材料在对接条件下的搅拌摩擦焊。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述装置实现了异种金属材料在对接条件下顺利进行搅拌摩擦焊，获得了成形美观、脆性Fe-Al系金属间化合物较少、无孔洞、强度等力学性能得到较大改善的焊接接头

2、本发明通过激光对中，结合三维调整机构的作用，极大地提高了送丝枪的对中可靠性。

3、本发明通过定位轮组系统对中间层运动进行限制，使得进行搅拌摩擦焊时中间层运动路线固定，可靠性高，从而进一步提高焊接接头性能。

4、采用本发明所述装置能够在大气环境条件下，实现了异种金属材料的焊接，焊件表面无需特殊处理，焊接周期短，效率高，成本低，焊接接头可靠性高。

5、本发明所述装置适合精密及较大焊接表面铝合金及其复合材料构件的焊接。

采用本装置焊的材料，其性能指标可以达到：接头填充率：≥90％。

具体实施方式

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明送丝机的结构示意图；

图3是本发明角度调整系统的结构示意图；

图4是本发明焊接平台的结构示意图；

图5是图4的局部放大图；

图6是本发明定位轮组系统的结构示意图；

图7是图6的A向示意图；

图8是图6的B向示意图；

图9是发明施焊系统的结构示意图。

图中，1—支撑架，11—立柱，12—横梁，13—基座，2—焊接平台，21—间隙调整平台，211—固定模块，212—移动模块，213—装夹块，214—缺口，215—凸起，216—凹槽，22—X-Y移动平台，221—丝杠导轨立柱，3—调速送丝系统，31—底座，32—送丝盘，33—送丝机，331—送丝机外壳，332—主动轮，333—L形压紧器，334—从动轮，335—调节旋钮，4—角度调整系统，41—三维调整机构，42—角度调节器，43—送丝枪，44—激光发射器，5—定位轮组系统，51—连接板，511—条形孔，52—连接杆，53—校直轮组，531—转轮，54—预埋轮，55—校平轮，56—三角形支架，6—施焊系统，61—机头角度旋转装置，62—齿轮箱，63—搅拌头安装夹具，64—电机，65—搅拌头，7—中间层，8—控制面板，9—焊件；

θ—送丝枪与间隙调整平台的夹角，a—间隙宽度，b—中间层厚度，e—凹槽深度，

—转轮直径，—预埋轮直径，—校平轮直径，L1—校直轮组与预埋轮之间的距离，L2—预埋轮与校平轮之间的距离。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

参见图1至图9，所示的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：包括支撑架1、焊接平台2、调速送丝系统3、角度调整系统4、定位轮组系统5和施焊系统6。

所述支撑架1包括基座13，基座13的左、右端竖直设有相对布置的两个立柱11，基座13的上方设有与基座13平行的横梁12，横梁12的两端分别与两个立柱11连接。

所述焊接平台2包括间隙调整平台21和X-Y移动平台22。所述间隙调整平台21包括固定模块211和移动模块212，两个焊件9通过装夹块213相对固定于固定模块211和移动模块212上，移动模块212通过丝杠调节，能够沿Y向移动以调整两个焊件9的间隙，移动模块212上设有焊件间隙刻度值，方便读数定位。所述固定模块211和移动模块212相对的一侧分别设有对应配合的凸起215和缺口214，当调整焊件9间隙时，凸起215和缺口213形成与焊件9间隙相对应的凹槽216，凹槽深度e根据实际焊接需要进行选择。所述X-Y移动平台22设于基座13上，由两个滑动方向垂直的平台组成，由X-Y移动变速控制器控制；X-Y移动平台22一侧设有丝杠导轨立柱221。所述间隙调整平台21设于X-Y移动平台22上，X-Y移动平台22的两个平台的的移动速度均为15～144mm/min。

所述调速送丝系统3设于支撑架1左方，包括能够沿Z向升降的底座31、设于底座31上的送丝盘32和送丝机33，所述送丝机33位于送丝盘32右方，送丝盘32用于装焊接用中间层7；所述送丝机33包括外壳331，外壳331内设有L形压紧器333，所述压紧器333一端连接有主动轮332，另一端连接有调节旋钮335，所述主动轮332上方设有与其对应配合的从动轮334，中间层7置于主动轮332与从动轮334之间，主动轮332和从动轮334上设有行进纹路，通过摩擦力驱动中间层7，主动轮332通过电机驱动，调节旋钮335能够调节电机转速，进而调节送丝机33的送丝速度，送丝速度的调节范围为1～220mm/min。

所述角度调整系统4通过三维调整机构41固定于基座13左端的立柱11上，其包括与三维调整机构41连接的角度调节器42、固定于角度调节器42上的送丝枪43和固定于送丝枪43上、下侧的激光发射器44，所述激光发射器44的激光射出方向与送丝枪43送丝方向平行。所述三维调整机构41包括X向移动模块、Y向移动模块和Z向移动模块，X向移动模块滑动连接于基座13左端的立柱11上，Y移动模块滑动连接于X向移动模块上，Z向移动模块滑动连接于Y向移动模块上，角度调节器42固定于Z向移动模块上，所述X向移动模块、Y向移动模块和Z向移动模块的调节范围为0～100mm，送丝枪与间隙调整平台的夹角θ的调整范围为0°～10°。

所述定位轮组系统5包括连接板51、校直轮组53、预埋轮54和校平轮55，所述校直轮组52由两个水平异向旋转的转轮531组成，其数量为1～3组，所述连接板51通过三个三角形支架56固定于横梁12上，连接板51上设有多个条形孔511，条形孔511走向为Y向，所述校直轮组53、预埋轮54和校平轮55通过穿过条形孔511的连接杆52从左至右依次并列设于连接板51上，且能够根据需要沿Z向、Y向进行调节。为保证中间7层能够顺利地从送丝枪43按一定角度进入焊件9间隙，校直轮组53的转轮的直径

为10～30mm，校直轮组53的数量为1组，所述预埋轮的直径为10～30mm，校平轮的直径

为5～15mm；所述校直轮组与预埋轮之间的距离L1为5～20mm，预埋轮与校平轮之间的距离L2为60～150mm。

所述施焊系统6包括机头角度旋转装置61、搅拌头转速控制器、齿轮箱62、电机64、搅拌头安装夹具63；齿轮箱62的外壳通过机头角度旋转装置61与丝杠导轨立柱221相连；电机64由搅拌头转速控制器控制，其输出端连接齿轮箱62，齿轮箱62的输出端连接搅拌头安装夹具63，搅拌头65安装于搅拌头安装夹具63上，搅拌头安装夹具63位于焊接平台2的上方，所述机头角度旋转装置61的旋转角度为﹣40°～40°，转速控制器控制电机64的转速为65～4500r/min。

所述基座上设有控制面板8，所述控制面板8上集成有搅拌头转速控制器操作面板和X-Y移动变速控制器操作面板，便于操作。

送丝盘32内的中间层7的运动路线为：从送丝盘32引出经送丝机33调速后，进入送丝枪43，然后通过校直轮组53校直，再由预埋轮54作用使得中间层7进入焊件之间的间隙，再通过校平轮55压紧在间隙内。

采用本装置对铝合金和钢在对接条件下进行搅拌摩擦焊，其包含如下步骤：

步骤一，用砂轮机打磨6061铝合金焊件的表面，并在丙酮中进行超声波清洗，晾干；

步骤二，将间隙调整平台21合拢置中，再将钢质焊件和步骤一处理后的6061铝合金焊件通过装夹块213相对设置于间隙调整平台21上，根据中间层厚度b的不同，即保证间隙宽度a大于中间层厚度b，滑动间隙调整平台21移动侧至对应刻度，锁紧；

步骤三，调整Y向移动平台位移量控制搅拌头65的位移量，使得搅拌头65位于焊件9间隙正上方；

步骤四，打开送丝枪43上的激光发射器44，通过三维调整机构41和角度调节器42调整送丝枪43的空间位置，使得两个激光发射器44射出的光斑均位于间隙调整平台21的凹槽216内，且所连成线段与凹槽216无夹角，完成送丝枪43位置固定与对中；

步骤五，调节校直轮组53、预埋轮54和校平轮55的Z向、Y向位置，保证其位于焊件9间隙的正上方，再由送丝盘32引出0.25mm厚度的AlSi5带状中间层9，穿过送丝机33和送丝43枪，经校直轮组53、预埋轮54和校平轮55作用后，置于焊件9之间，且位于搅拌头65正下方，中间层7底部位于凹槽216内；

步骤六，设置搅拌头65转速为660r/min，开始焊接，通过X-Y移动平台22中的X向平台的移动控制焊接速度，焊接速度为144mm/min，当搅拌头65移动至焊缝终端，停止旋转，升起搅拌头65，再停止送丝，切断带状中间层7，完成焊接。

焊件除6061铝合金外，还能够是工业纯铝及其他铝合金。

所述中间层7类型为AlSi5、AlSi15、ZnAl5、ZnAl15、Cu和Ni中的一种。中间层为带状，其在焊接前预先引入焊件间隙，焊接时由调速送丝系统3自动填充。

所述X-Y移动速度控制器可以是齿轮变速器也可以是电子无级变速器。

Claims (10)

1.一种用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：包括支撑架（1）、焊接平台（2）、调速送丝系统（3）、角度调整系统（4）、定位轮组系统（5）和施焊系统（6）；

所述支撑架（1）包括基座（13），基座的左、右端竖直设有相对布置的两个立柱（11），基座的上方设有与基座平行的横梁（12），横梁的两端分别与两个立柱连接；

所述焊接平台（2）包括间隙调整平台（21）和X-Y移动平台（22）；所述X-Y移动平台设于基座（13）上，由两个滑动方向垂直的平台组成，由X-Y移动变速控制器控制；X-Y移动平台一侧设有丝杠导轨立柱（221）；所述间隙调整平台设于X-Y移动平台上，两个焊件（9）通过装夹块（213）相对设置于间隙调整平台上；

所述调速送丝系统（3）设于支撑架（1）左方，包括能够沿Z向升降的底座（31）、设于底座上的送丝盘（32）和送丝机（33），所述送丝机位于送丝盘右方，送丝盘用于装焊接用中间层（7）；

所述角度调整系统（4）通过三维调整机构（41）固定于基座（13）左端的立柱（11）上，包括与三维调整机构连接的角度调节器（42）、固定于角度调节器上的送丝枪（43）和固定于送丝枪上、下侧的激光发射器（44），所述激光发射器的激光射出方向与送丝枪送丝方向平行；

所述定位轮组系统（5）包括连接板（51）、校直轮组（53）、预埋轮（54）和校平轮（55），所述连接板横向连接于横梁（12）上；沿着X向，所述校直轮组、预埋轮和校平轮通过连接杆（52）从左至右依次并列设于连接板上，且能够沿Z向移动；

所述施焊系统（6）包括机头角度旋转装置（61）、搅拌头转速控制器、齿轮箱（62）、电机（64）和搅拌头安装夹具（63）；齿轮箱的外壳通过机头角度旋转装置与丝杠导轨立柱（221）相连；电机由转速控制器控制，其输出端连接齿轮箱，齿轮箱的输出端连接搅拌头安装夹具，搅拌头安装夹具位于焊接平台（2）的上方；

送丝盘（32）内的中间层（7）的运动路线为：从送丝盘引出经送丝机（33）调速后，进入送丝枪（43），然后通过校直轮组（53）校直，再由预埋轮（54）作用使得中间层进入焊件（9）之间的间隙，再通过校平轮（55）压紧在间隙内。

2.根据权利要求1所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述送丝机（33）的送丝速度为1~220 mm/min。

3.根据权利要求1或2所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述三维调整机构（41）包括X向移动模块、Y向移动模块和Z向移动模块，X向移动模块滑动连接于基座（13）左端的立柱（11）上，Y移动模块滑动连接于X向移动模块上，Z向移动模块滑动连接于Y向移动模块上，角度调节器（42）固定于Z向移动模块上。

4.根据权利要求3所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述X向移动模块、Y向移动模块和Z向移动模块的调节范围为0~100mm，送丝枪与间隙调整平台的夹角（θ）的调整范围为0°~10°。

5.根据权利要求1或2所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述连接板（51）通过三个三角形支架（56）固定于横梁（12）上，设有多个与连接杆（52）对应配合的条形孔（511），条形孔走向为Y向，通过条形孔能够调节校直轮组（53）、预埋轮（54）和校平轮（55）的Y向位置。

6.根据权利要求1或2所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述校直轮组（53）由两个水平异向旋转的转轮（531）组成，转轮的直径为10~30mm，校直轮组的数量为1~3组。

7.根据权利要求1或2所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述预埋轮（54）的直径为10~30mm，校平轮（55）的直径为5~15mm；所述校直轮组与预埋轮之间的距离（L1）为5~20mm，预埋轮与校平轮之间的距离（L2）为60~150mm。

8.根据权利要求1或2所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述间隙调整平台（21）包括固定模块（211）和移动模块（212），两个焊件（9）分别固定于固定模块和移动模块上，所述移动模块能够沿Y向移动以调整两个焊件间隙。

9.根据权利要求8所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述固定模块（211）和移动模块（212）相对的一侧分别设有对应配合的凸起（215）和缺口（214），当调整焊件（9）间隙时，凸起和缺口形成与焊件间隙相对应的凹槽（216）。

10.根据权利要求1或2所述的用于异种金属材料对接的搅拌摩擦焊装置，其特征在于：所述X-Y移动平台（22）中X向移动平台和Y向移动平台的移动速度为15~144mm/min，所述机头角度旋转装置（61）的旋转角度为﹣40°~40°，转速控制器控制电机（64）的转速为65~4500r/min。

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