[发明专利]一种轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头及焊接方法

说明书

一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，包括搅拌针和对称设置于搅拌针上、下两端的上轴肩组件、下轴肩组件。通过焊接过程在线检测当前焊接厚度以及上下液压腔的压力，利用液压系统驱动上下轴肩轴向运动以调节上下轴肩的距离，实现上下轴肩距离根据板厚波动的自适应调节，提高双轴肩搅拌摩擦焊接工艺稳定性，避免焊接过程中因为装配及工件加工精度导致上下轴肩对工件压入不均匀甚至与型面分离而导致的焊接质量问题。

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接技术领域，具体涉及一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头及方法。

背景技术

搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，通过旋转的轴肩和搅拌针与被焊金属之间的摩擦热及搅拌针的挤压、搅拌作用，使被焊金属发生塑性流动，从而形成牢固连接。搅拌摩擦焊被广泛地应用到铝合金和镁合金等高性能的金属材料焊接中，避免了传统熔化焊接气孔、裂纹等缺陷，增强了焊缝质量，综合力学性能良好，减小焊接变形，节省了焊材，在造船、航空航天及轨道交通等领域得到广泛的推广和应用。其中双轴肩搅拌摩擦焊接是通过上下轴肩夹持工件，下轴肩代替了常规搅拌摩擦焊的垫板装置，上下轴肩的结构形式使上下轴肩的顶锻力大小相当但相反，实现自支撑焊接，对设备的负载要求较小，对焊接工装的要求较小，尤其能够实现背部不能施加支撑工装结构的搅拌摩擦焊接；同时，由于搅拌针穿过整个板厚进行焊接，可以从根本上消除常规单轴肩搅拌摩擦焊根部焊缝弱连接及未焊透缺陷。

目前，双轴肩搅拌摩擦焊接采用的搅拌头在焊接过程中上下轴肩距离固定不变，对焊接工件的板厚波动没有适应性，使得上、下轴肩压入量不同而影响焊接质量，甚至导致上轴肩或下轴肩(尤其是后者)与工件表面分离而产生焊接缺陷导致焊接失败。现有的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头是通过在上轴肩设置导向槽结构，再与导向套配合来实现焊接时搅拌头整体轴向运动，但依然不能实现上下轴肩距离随板厚波动的自适应调节。实际生产中，焊前根据本次焊接的工件理论厚度选定对应上下轴肩距离的双轴肩搅拌头，焊接过程中不能更换、也不能调节上下轴肩距离，但工件受型面及壁厚加工误差等因素影响，导致原本设计厚度相同的整条焊缝其焊接厚度存在波动(对于诸如火箭燃料贮箱、轨道列车车体以及船舶等大型焊接结构，一条焊缝长达数米至十数米甚至更长，受加工精度影响，整条焊缝不同部位以及不同批次同一零部件焊缝的焊接厚度存在0.1～0.5mm的波动，实际生产中这类情况不可避免)，由于上下轴肩距离不能适应板厚波动且自动调节，导致焊缝产生严重的飞边而减小焊缝厚度使得接头承载能力降低，甚至导致搅拌头断裂；此外，同一产品上往往存在大量焊接厚度相差仅2mm以内的焊接结构，为了解决搅拌头对焊接厚度波动的适应性问题，当前实际生产中，对搅拌针长每间隔0.2mm制备对应一个搅拌头，导致搅拌头数量庞大、成本高、管理繁琐。上述问题是制约双轴肩搅拌摩擦焊接过程稳定性以及推广应用的关键瓶颈。

发明内容

基于以上问题，本发明的目的在于提供一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头及方法，实现搅拌摩擦焊接过程中上下轴肩距离不能根据焊接厚度自适应调节。

为了实现以上目的，本发明采用的技术方案为：一种焊接过程轴肩间距自适应调节的双轴肩搅拌头，包括搅拌针和对称设置于搅拌针上、下两端的上轴肩组件、下轴肩组件；

所述上轴肩组件包括上腔体、上轴肩，所述上腔体、上轴肩从上向下依次套设于搅拌针上端外部，其中，上腔体与搅拌针固连，上轴肩分别与上腔体、搅拌针滑动且密封连接；上轴肩与上腔体之间的空间构成上液压腔，所述搅拌针上带有与所述上液压腔连通的上注液孔；

所述下轴肩组件包括下腔体、下轴肩，所述下腔体、下轴肩从下向上依次套设于搅拌针下端外部，其中，下腔体与搅拌针固连，下轴肩分别与下腔体、搅拌针滑动且密封连接；下轴肩与下腔体之间的空间构成下液压腔，所述搅拌针上端带有与所述下液压腔连通的下注液孔；

所述上注液孔、下注液孔通过接头与液压系统连接。

采用上述双轴肩搅拌头进行产品焊接的方法如下：