[发明专利]一种压力控制搅拌摩擦焊主轴头装置

说明书

技术领域

本发明属于金属材料加工的焊接设备制造工程领域，具体讲是针对铝、镁等有色金属及其合金焊接的一种压力控制搅拌摩擦点焊和搅拌摩擦缝焊主轴头装置。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding-FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute-TWI)于1991年发明的一项固相摩擦焊接技术，主要用于铝及镁合金、铜及钛合金等有色金属合金的连接。FSW与传统熔焊方法无法相比的许多优势：如焊接过程不需要坡口准备、填充金属及保护气体；焊接接头质量及力学性能获得明显改善；焊接变形小、缺陷水平低及生产效率高等。FSW可以成功地实现各种铝合金、镁合金等轻合金的连接，尤其是能够可靠连接熔焊方法很难焊接的Al-Cu(2000系列)和Al-Zn(7000系列)等高强铝合金。在航空航天、汽车工业、高速客车与船舶建造等结构制造领域，FSW技术具有广泛的应用前景。

FSW过程采用一种非消耗与高速旋转的具有特殊几何形状的搅拌工具插入被连接工件连接界面处，通过搅拌工具沿连接界面的旋转横向移动、和与被连接工件之间的挤压摩擦热实现材料的冶金连接。由于采用非消耗的搅拌工具，FSW可以实现各种形式的焊接，如对接接头、搭接接头、角接接头及T型接头等。目前在工业领域中铝合金FSW对接接头与搭接接头已获得广泛应用。

FSW自动化机床设备是实现和完成FSW焊接过程的基础，其中承受高载荷的主轴头设计制造是FSW焊接设备的关键装置。根据FSW焊接工艺过程要求，主轴头装置在高速旋转的同时还必须承受巨大轴向顶锻压力和侧向移动力，而施加轴向顶锻压力可以通过轴向位移控制或载荷控制两种模式实现。

目前在国外市场上公开的压力控制搅拌摩擦焊接设备，采用施加载荷装置与主轴头分离的结构方式，其FSW设备结构与控制机构都比较复杂；而国内搅拌摩擦焊接设备制造单位：北京赛福斯特技术有限公司(2002获得TWI授权)、上海航天设备制造总厂(2010获得TWI授权)在市场上公开的搅拌摩擦焊设备均为位移控制模式施加轴向顶锻压力，其焊接工艺过程均建立在位移控制模式的搅拌摩擦焊接设备基础上，这导致国内FSW焊接设备自动化程度、工艺过程及焊接加工效率与焊缝质量控制等研究具有明显局限性。

发明内容

针对上述现有技术中位移控制搅拌摩擦点焊及搅拌摩擦焊设备的局限性，本发明提出一种压力控制搅拌摩擦焊主轴头装置。该主轴头装置可将焊接所需的主轴旋转功能与施加轴向压力过程集成在一体，形成一种专用的额实现恒定焊接压力控制的搅拌摩擦焊和搅拌摩擦点焊主轴头装置。与现有公开的搅拌摩擦焊设备中所使用的主轴的结构相比较，本发明提出的主轴头装置具有尺寸小、结构紧凑、集成度高、旋转驱动方式可旋转方式灵活以及压力控制原理简单、精确等特点。

为了解决上述技术问题，本发明压力控制搅拌摩擦焊主轴头装置予以实现的技术方案是：包括液压系统、液压控制系统和主轴油缸外壳及设置在所述主轴油缸外壳内的主轴活塞机构，所述主轴油缸外壳由同轴连接的前壳体和后壳体构成，所述主轴油缸外壳的后端依次设有后轴承座和后端盖，沿所述主轴油缸外壳的轴向上设有第一油口和第二油口，所述主轴油缸外壳的内回转面上、且在第一油口和第二油口的轴向外侧处分别设有轴向行程限位台阶，所述主轴活塞机构包括主轴油缸内壳和设置在主轴油缸内壳中的转轴，所述转轴的后端通过一花键轴与一滑动联轴器连接，所述主轴油缸内壳与所述转轴之间、所述主设有滚动轴承组及其定位组件，所述主轴油缸内壳的外回转面上、且在轴向上位于所述主轴油缸外壳回转面上的两个轴向行程限位台阶之间设有油口封堵环；所述主轴油缸外壳与所述主轴油缸内壳之间设有位移传感器，所述主轴油缸外壳与所述主轴油缸内壳之间设有限位块；所述滑动联轴器上设有转速传感器；所述位移传感器与所述转速传感器的接线均连接至所述液压控制系统；所述花键轴的长度大于两个轴向行程限位台阶的距离与花键连接段的长度之和。

进一步讲，本发明压力控制搅拌摩擦焊主轴头装置，所述液压系包括油箱、油路A和油路B，所述油路A的构成是自油箱依次连接有滤油器、液压泵、第一溢流阀和换向阀，最终连接至主轴油缸外壳的第一油口，在所述换向阀和第一油口之间的管段上设有第一压力传感器；所述油路B的构成是自主轴油缸外壳的第二油口通过第二溢流阀和所述换向阀后连接至油箱，所述第二油口与所述第二溢流阀之间的管段上设有第二压力传感器；还包括一平衡阀组，所述平衡阀组设在油路A与油路B之间，所述第一压力传感器、所述第二压力传感器和所述平衡阀组均与所述液压控制系统连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：