一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置及其方法

1.本发明属于搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置及其方法。


背景技术：

2.摩擦搅拌焊是利用搅拌头高速旋转带来的摩擦热和搅拌作用，使焊接区域处于热塑性状态，最后焊接件形成固相连接。
3.现有的摩擦搅拌焊都是在背部有刚性支撑的条件下进行的，但对于结构复杂，体形庞大的工件在没办法提供刚性支撑的情况下，摩擦搅拌焊的实现就略显困难，例如轨道列车的立式车体焊接，常规条件下无法获得刚性支撑，在中间区域，车体强度降低，容易发生变形，影响焊接质量，焊接质量大幅度下降，会出现裂缝，甚至焊接不上等问题。
4.因此，如何提供一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置及其方法是本领域技术人员亟需解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置及其方法，解决大型车体在线修补的困难，可以为破损车体进行立式修补的同时，进行竖直方向上车体外壳的增材制造。解决了立式焊接破损车体，焊接后车体强度降低的问题；同时压力控制焊接方法保证搅拌针与焊接缝隙压紧并随着焊接铝板的移动而自动调整搅拌针的前进或后退，从而保证了焊接质量。
6.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其包括：
7.承载盘，所述承载盘为花瓣形结构，所述承载盘竖向布置且其的一侧中部固定连接有液压机构，所述承载盘的盘口与竖向布置的待修补铝板抵接；
8.搅拌头，所述搅拌头的一端与旋转主轴固连，所述搅拌头的另一端设有搅拌针，所述搅拌针转动位于所述焊接缝内；
9.散热套筒，所述散热套筒转动位于所述搅拌头的外侧，散热套筒与搅拌头是相对转动的，所述散热套筒的两端分别固定连接有静轴肩端盖和轴承压盖，所述静轴肩端盖靠近所述待修补铝板的一侧，所述静轴肩端盖的中部设有暂存焊接材料的锥形槽，所述锥形槽的槽底开设有工作孔，所述搅拌针穿过所述工作孔并伸入焊接缝内；
10.安装支架，所述安装支架上设有弧形安装槽，所述散热套筒固定连接在所述弧形安装槽内，所述安装支架上可拆卸连接有用于检测焊接缝宽度的缝隙检测头和用于给焊接缝填丝的填料头，粉末状的焊材通过填料机构送入填料头的填料孔。
11.本发明的有益效果是：承载盘可以承载待破损铝板，花瓣式结构能将承载力平均分配到每一个与铝板接触支撑点，保证铝板受力均匀，利用液压机构提供承载力，防止焊接过程中静轴肩结构给铝板的压力过大导致铝板变形，从而保证焊接质量，在静轴肩端盖上
设有暂存焊接材料的锥形槽，解决残留焊接材料储存问题，同时减少残留焊接材料与搅拌头的接触面积，进一步地解决了焊接过程中搅拌针因残留焊接材料划伤而寿命缩短的问题，散热套筒便于排出搅拌头高速旋转产生的热量，整体结构简单，方便拆卸和装配，清理方便，有效提高搅拌头的使用寿命。
12.优选的，所述搅拌头为回转体结构，所述搅拌头的中部设有轴肩，所述搅拌头的一端设有便于连接主轴电机的圆台结构，所述轴肩的两侧分别固定连接有轴承套和开口套，所述轴承套靠近所述搅拌针的一侧，所述轴承套上连接有圆锥滚子轴承，所述开口套有两组且配套连接在所述搅拌头上，所述开口套的外侧壁上连接有角接触轴承，所述角接触轴承与圆锥滚子轴承分别适配安装在散热套筒的内侧壁上。
13.优选的，所述散热套筒的外侧壁上开设有多个腰型的散热孔，多个所述散热孔在周向上间隔分布，所述散热孔位于角接触轴承和圆锥滚子轴承之间。
14.优选的，所述散热套筒靠近待修补铝板的一端设有滚珠槽，所述滚珠槽内嵌入有滚珠，所述静轴肩端盖的边缘对应滚珠布置有多个定位球槽，所述滚珠穿过定位球槽并与待修补铝板接触，所述滚珠槽与定位球槽内涂抹润滑脂。
15.优选的，所述轴承压盖为环形结构，所述轴承压盖螺栓连接在所述散热套筒的另一端并限位角接触轴承的安装位置，所述静轴肩端盖螺栓连接在所述散热套筒的一端。
16.优选的，所述搅拌针固定在搅拌针安装轴上，所述搅拌针安装轴转动位于所述工作孔内，所述工作孔的孔径大于所述搅拌针安装轴的直径0.8mm。
17.优选的，所述静轴肩端盖的硬度小于搅拌针安装轴的硬度。
18.优选的，所述待修补铝板上设有圆形缺口，所述圆形缺口内装填有修补板，所述修补板与待修补铝板之间具有焊接缝，所述承载盘的盘口与待修补铝板的接触范围构成圆环，所述焊接缝位于圆环内。
19.本发明还公开了一种使用增材制造装置的方法，其包括以下步骤：
20.步骤一：安装液压机构及承载盘，并将承载盘放置在待修补铝板焊接缝区域外围，安装主轴及搅拌头，并在搅拌头上安装散热套筒，在散热套筒上固定安装支架，在安装支架上连接缝隙检测头及填料头；
21.步骤二：在主轴上安装压力传感器，当静轴肩端盖与待修补铝板接触时，主轴压力为正值，在主轴进给压力下，待修补铝板后退，主轴自动轴向进给，直到压力传感器检测主轴压力是否符合设定的压力范围值，主轴自动停止轴向进给；若焊接过程中主轴压力值出现变化，程序自动检测并自动重复上述的主轴轴向位移的调节；
22.步骤三：缝隙检测头检测缝隙宽度并将信号反馈给控制系统控制填料机构的供料量。
23.由此产生的技术效果是：本发明利用的压力控制焊接方法，可有效解决实际焊接过程中焊接板材产生变形，搅拌头无法完全焊透焊缝的问题，通过预先设定好的主轴压力范围值，系统压力传感器实时检测主轴压力值，并反馈给进给机构自动调整主轴位置，保证搅拌针完全焊透焊缝，从而保证焊接质量。
附图说明
24.图1为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的应用图；
25.图2为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的静轴肩结构爆炸图；
26.图3为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的散热套筒、搅拌头装配图；
27.图4为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的搅拌头示意图；
28.图5为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的散热套筒示意图；
29.图6为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的待修补铝板与修补铝板结构图；
30.图7为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的承载盘结构图；
31.图8为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置轴承压盖示意图；
32.图9为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的静轴肩端盖示意图；
33.图10为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的安装支架示意图；
34.图11为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的缝隙检测头示意图；
35.图12为本发明一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置的填料头示意图。
36.1承载盘、2待修补铝板、3搅拌头、4焊接缝、5散热套筒、6静轴肩端盖、7轴承压盖、8锥形槽、9工作孔、10安装支架、11缝隙检测头、12填料头、13轴肩、14轴承套、15开口套、16角接触轴承、17圆锥滚子轴承、18滚珠槽、19滚珠、20定位球槽、21搅拌针安装轴、22修补板、23搅拌针、24散热孔。
具体实施方式
37.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，所描述的实施例仅仅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。
38.参阅本发明附图1至12，根据本发明实施例一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其包括：
39.承载盘1，承载盘1为花瓣形结构，是具有36瓣的花瓣形结构，每瓣之间的空隙约为2mm，承载盘1竖向布置且其的一侧中部固定连接有液压机构，承载盘1的盘口与竖向布置的待修补铝板2抵接；花瓣式承载盘通过液压机构提供承载力，与待修补铝板接触，防止焊接过程中静轴肩结构给铝板的压力过大导致铝板变形，从而保证焊接质量；花瓣式承载盘结构能够保证液压机构提供的力平均分配到每一个与铝板接触的支撑点，保证铝板受力均匀；
40.搅拌头3，搅拌头3的一端与旋转主轴固连，搅拌头3的另一端设有搅拌针23，搅拌针23转动位于焊接缝4内，实际操作中，要保证搅拌针的长度与焊接缝的深度匹配，以保证焊接缝全部焊透，本实施例焊缝深度为6mm，搅拌针的长度为6mm；
41.散热套筒5，散热套筒5位于搅拌头3的外侧，搅拌头与散热套筒是相对转动连接的，散热套筒5的两端分别固定连接有静轴肩端盖6和轴承压盖7，静轴肩端盖6靠近待修补铝板2的一侧，静轴肩端盖6的中部设有暂存焊接材料的锥形槽8，锥形槽8的槽底开设有工作孔9，搅拌针23穿过工作孔9并伸入焊接缝4内，也就是说，焊接过程中，部分焊材会经过工作孔暂时存放在锥形草内；
42.安装支架10，安装支架10上设有弧形安装槽，散热套筒5固定连接在弧形安装槽内，安装支架10上可拆卸连接有用于检测焊接缝宽度的缝隙检测头11和用于给焊接缝填丝的填料头12，粉末状的焊材通过填料机构送入填料头12的填料孔。
43.在另一些实施例中，搅拌头3为回转体轴结构，搅拌头3的中部设有轴肩13，搅拌头3的一端设有便于连接主轴电机的圆台结构，轴肩13的两侧分别设有轴承套14和开口套15，轴肩便于轴承套和开口套的定位，轴承套与搅拌头过盈配合，轴承套14上连接有圆锥滚子轴承17，圆锥滚子轴承的内圈与轴承套的外侧壁过盈配合，开口套15有两组且配套连接在搅拌头3上，开口套15的外侧壁上连接有角接触轴承16，角接触轴承的内圈与开口套外侧壁过盈配合，角接触轴承16与圆锥滚子轴承17分别适配在散热套筒5的内侧壁上，本实例中选型圆锥滚子轴承17型号为gb
╱
t 297-2015[圆锥滚子轴承[30000]32204]；该类型圆锥滚子轴承可以承受较大的轴向力，即垂直于待修补铝板的力，保证静轴肩结构在较大主轴压力下仍能正常工作；
[0044]
实例中选用的角接触轴承16型号为gb
╱
t 292-1994[角接触球轴承[s70000]s7204]，该型号轴承可以承受较大的径向力，在静轴肩结构横向移动时，可以承载较大的横向力，保证静轴肩结构的正常运转。
[0045]
在另一些具体实施例中，散热套筒5的外侧壁上开设有多个腰型散热孔24，多个散热孔24在周向上间隔分布，散热孔24位于角接触轴承16和圆锥滚子轴承17之间，散热孔能更好的散热搅拌轴高速旋转产生的热，利于延长静轴肩结构的使用寿命。
[0046]
在其他一些实施例中，散热套筒5靠近待修补铝板2的一端间隔设有4个滚珠槽18，滚珠槽18内嵌入有直径为16mm的滚珠19，静轴肩端盖6的边缘对应滚珠布置有4个定位球槽20，滚珠19穿过定位球槽20并与待修补铝板2接触，焊接过程中主轴压力作用较大，静轴肩结构横向移动时会与铝板接触产生较大的摩擦力，滚珠的作用即降低产生的摩擦力，将滑动摩擦转变为滚动摩擦，滚珠槽与定位球槽内加入润滑脂，有利于减少滚珠与球型槽的干摩擦，提高滚珠等其他零部件的使用寿命。
[0047]
在其他一些具体实施例中，轴承压盖7为环形结构，轴承压盖7螺栓连接在散热套筒5的另一端，轴承压盖限制角接触轴承的安装位置，静轴肩端盖6螺栓连接在散热套筒5的一端。
[0048]
在另一些实施例中，搅拌针23固定在搅拌针安装轴21上，搅拌针安装轴21转动位于工作孔9内，工作孔9的孔径大于搅拌针安装轴21的直径0.8mm，有利于减少焊接材料进入到静轴肩内部影响静轴肩零部件的使用寿命，即使进入也有锥形槽暂存，减少搅拌头与焊材的接触面积，维护时，拆卸静轴肩端盖清理即可。
[0049]
在其他一些实施例中，静轴肩端盖6的硬度小于搅拌针安装轴21的硬度，防止焊接过程中搅拌头与静轴肩端盖产生接触划伤搅拌头。
[0050]
在另一些实施例中，待修补铝板2上设有圆形缺口，圆形缺口内装填有修补板22，
修补板22与待修补铝板2之间具有焊接缝4，承载盘1的盘口与待修补铝板的接触范围构成圆环，焊接缝4位于圆环内，便于焊接增材制造。
[0051]
本发明还公开了一种使用增材制造装置的方法，其包括以下步骤：
[0052]
步骤一：安装液压机构及承载盘，并将承载盘放置在待修补铝板焊接缝区域外围，安装主轴及搅拌头，并在搅拌头上安装散热套筒，在散热套筒上固定安装支架，在安装支架上连接缝隙检测头及填料头；
[0053]
步骤二：在主轴上安装压力传感器，当静轴肩端盖与待修补铝板接触时，主轴压力为正值，在主轴进给压力下，待修补铝板后退，主轴自动轴向进给，直到压力传感器检测主轴压力是否符合设定的压力范围值，主轴自动停止轴向进给；若焊接过程中主轴压力值出现变化，程序自动检测并自动重复上述的主轴轴向位移的调节；
[0054]
步骤三：缝隙检测头检测缝隙宽度并将信号反馈给控制系统控制填料机构的供料量。
[0055]
本发明针对轨道车辆车体侧墙壁的搅拌摩擦焊接装置，考虑焊接板材的刚度问题，利用花瓣式承载盘结构对焊接板材支撑，保证焊接板材的平整；静轴肩结构设计，可完成整个静轴肩结构的单侧装配；静轴肩端盖设计材料属性的选择以及结构设计，可有效提高搅拌头的使用寿命，同时静轴肩端盖的锥形空腔可暂时储存少量进入静轴肩结构的焊接材料；
[0056]
本发明装置利用缝隙检测头可自动检测焊缝的宽度，同时自动完成自动填丝动作，实现顺利的焊接过程；
[0057]
本发明利用的压力控制焊接方法，可有效解决实际焊接过程中焊接板材产生变形，搅拌头无法完全焊透焊缝的问题，通过预先设定好的主轴压力范围值，系统压力传感器实时检测主轴压力值，并反馈给进给机构自动调整主轴位置，保证搅拌针完全焊透焊缝，从而保证焊接质量。
[0058]
对于实施例公开的装置和使用方法而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0059]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，包括：承载盘(1)，所述承载盘(1)为花瓣形结构，所述承载盘(1)竖向布置且其的一侧中部固定连接有液压机构，所述承载盘(1)的盘口与竖向布置的待修补铝板(2)抵接；搅拌头(3)，所述搅拌头(3)的一端与旋转主轴固连，所述搅拌头(3)的另一端设有搅拌针(23)，所述搅拌针(23)转动位于焊接缝(4)内；散热套筒(5)，所述散热套筒(5)转动位于所述搅拌头(3)的外侧，所述散热套筒(5)的两端分别固定连接有静轴肩端盖(6)和轴承压盖(7)，所述静轴肩端盖(6)靠近所述待修补铝板(2)的一侧，所述静轴肩端盖(6)的中部设有暂存焊接材料的锥形槽(8)，所述锥形槽(8)的槽底开设有工作孔(9)，所述搅拌针(23)穿过所述工作孔(9)并伸入焊接缝(4)内；安装支架(10)，所述安装支架(10)上设有弧形安装槽，所述散热套筒(5)固定连接在所述弧形安装槽内，所述安装支架(10)上可拆卸连接有用于检测焊接缝宽度的缝隙检测头(11)和用于给焊接缝填丝的填料头(12)，粉末状的焊材通过填料机构送入填料头(12)的填料孔。2.根据权利要求1所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述搅拌头(3)为回转体结构，所述搅拌头(3)的中部设有轴肩(13)，所述搅拌头(3)的一端设有便于连接主轴电机的圆台结构，所述轴肩(13)的两侧分别固定连接有轴承套(14)和开口套(15)，所述轴承套(14)靠近所述搅拌针(23)的一侧，所述轴承套(14)上连接有圆锥滚子轴承(17)，所述开口套(15)有两组且配套连接在所述搅拌头(3)上，所述开口套(15)的外侧壁上连接有角接触轴承(16)，所述角接触轴承(16)与圆锥滚子轴承(17)分别适配安装在散热套筒(5)的内侧壁上。3.根据权利要求2所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述散热套筒(5)的外侧壁上开设有多个腰型的散热孔(24)，多个所述散热孔(24)在周向上间隔分布，所述散热孔(24)位于角接触轴承(16)和圆锥滚子轴承(17)之间。4.根据权利要求3所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述散热套筒(5)靠近待修补铝板(2)的一端面上设有滚珠槽(18)，所述滚珠槽(18)内嵌入有滚珠(19)，所述静轴肩端盖(6)的边缘对应滚珠布置有多个定位球槽(20)，所述滚珠(19)穿过定位球槽(20)并与待修补铝板(2)接触，所述滚珠槽(18)与定位球槽(20)内涂抹有润滑脂。5.根据权利要求4所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述轴承压盖(7)为环形结构，所述轴承压盖(7)螺栓连接在所述散热套筒(5)的另一端且限位角接触轴承(16)的安装位置，所述静轴肩端盖(6)螺栓连接在所述散热套筒(5)的一端。6.根据权利要求5所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述搅拌针(23)固定在搅拌针安装轴(21)上，所述搅拌针安装轴(21)转动位于所述工作孔(9)内，所述工作孔(9)的孔径大于所述搅拌针安装轴(21)的直径0.8mm。7.根据权利要求6所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述静轴肩端盖(6)的硬度小于搅拌针安装轴(21)的硬度。8.根据权利要求7所述的一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置，其特征在于，所述待修补铝板(2)上设有圆形缺口，所述圆形缺口内装填有修补板(22)，所述修补板
(22)与待修补铝板(2)之间具有焊接缝(4)，所述承载盘(1)的盘口与待修补铝板的接触范围构成圆环，所述焊接缝(4)位于圆环内。9.一种使用如权利要求1-8任意一项所述的增材制造装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：安装液压机构及承载盘，并将承载盘放置在待修补铝板焊接缝区域外围，安装主轴及搅拌头，并在搅拌头上安装散热套筒，搅拌头与散热套筒相对转动，在散热套筒上固定安装支架，在安装支架上连接缝隙检测头及填料头；步骤二：在主轴上安装压力传感器，当静轴肩端盖与待修补铝板接触时，主轴压力为正值，在主轴进给压力下，待修补铝板后退，主轴自动轴向进给，直到压力传感器检测主轴压力是否符合设定的压力范围值，主轴自动停止轴向进给；若焊接过程中主轴压力值出现变化，程序自动检测并自动重复上述主轴的轴向位移调节；步骤三：缝隙检测头检测缝隙宽度并将信号反馈给控制系统控制填料机构的供料量。

技术总结
本发明公开了一种适用于柔性结构的搅拌摩擦焊增材制造装置及其方法，其包括：承载盘，承载盘的一侧中部固定连接有液压机构，承载盘的盘口与竖向布置的待修补铝板抵接；搅拌头的一端与旋转主轴固连；散热套筒转动位于搅拌头的外侧，散热套筒的两端分别固定有静轴肩端盖和轴承压盖，静轴肩端盖的中部设有暂存焊接材料的锥形槽，锥形槽的槽底开设有工作孔，搅拌针穿过工作孔并伸入焊接缝内；散热套筒固定连接在安装支架上，安装支架上可拆卸连接有用于检测焊接缝宽度的缝隙检测头和用于给焊接缝填丝的填料头，粉末状的焊材通过填料机构送入填料头，本发明控制搅拌头的轴向进给，可解决焊接过程中焊接板材产生变形，搅拌头无法完全焊透焊缝的问题。焊透焊缝的问题。焊透焊缝的问题。


技术研发人员：金涛涛 崔秀慧 张军 马贺 宋春雨
受保护的技术使用者：北京建筑大学
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/10/11