本發(fā)明涉及基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，屬于攪拌摩擦焊領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項(xiàng)技術(shù)因其焊接變形小、殘余應(yīng)力小，無需保護(hù)氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等，同時(shí)能顯著降低成本、節(jié)省材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量等特點(diǎn)受到各國科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于這項(xiàng)技術(shù)具有很多其他方法所不具備的顯著特點(diǎn)，它很快就被用于航天領(lǐng)域，新一代運(yùn)載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質(zhì)量的焊接接頭，但在對鋼管的進(jìn)行焊接時(shí)，仍然存在很多難點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，在焊接過程中，可根據(jù)焊具軸向壓力作為反饋及時(shí)調(diào)整電阻產(chǎn)熱大小，從而通過對攪拌區(qū)域之外的局部金屬進(jìn)行加熱，保證焊接區(qū)域處于合適的溫度狀態(tài)。
技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，包括動(dòng)力室外殼，所述動(dòng)力室外殼內(nèi)依次設(shè)有蓋板、第一支撐板和第二支撐板，第一支撐板上安裝有主電機(jī)，蓋板鉸接在殼體上，蓋板上設(shè)有圓弧槽，通過鎖緊蓋板，蓋板的圓弧槽將主電機(jī)固定在第一支撐板上，所述主電機(jī)與主軸連接，主軸與攪拌摩擦頭連接，主軸外套有同步回轉(zhuǎn)套，同步回轉(zhuǎn)套外套有軸承，軸承位于支撐室外殼內(nèi)，支撐室外殼固定在第二支撐板上，通過主電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)動(dòng)；所述第二支撐板與下方的電阻絲固定套連接，電阻絲固定套內(nèi)安裝有對攪拌摩擦頭進(jìn)行加熱的輔熱裝置。
作為優(yōu)選，所述輔熱裝置包含一對導(dǎo)熱塊和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套與位于電阻絲固定套邊沿的導(dǎo)熱塊連接，攪拌摩擦頭位于兩個(gè)導(dǎo)熱塊之間。
作為優(yōu)選，所述支撐室外殼內(nèi)設(shè)有冷卻裝置。
作為優(yōu)選，所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼內(nèi)的水管通道，水管通道內(nèi)有循環(huán)冷卻液。
作為優(yōu)選，所述主軸外設(shè)有軸向壓力檢測單元，所述軸向壓力檢測單元包含支撐座和角接觸軸承，所述主軸外設(shè)有臺(tái)階，角接觸軸承套在臺(tái)階上，角接觸軸承外設(shè)有軸承 座，軸承座與第二支撐板之間設(shè)有中空的不旋轉(zhuǎn)的壓力傳感器，軸承座通過長螺桿安裝在第二支撐板上，螺桿上套有彈簧。
作為優(yōu)選，所述主軸上套有匯流環(huán)，匯流環(huán)與軸向壓力檢測單元信號連接。
一種上述的基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，包括以下步驟：
(1)將整個(gè)焊具固定在攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)頭上，攪拌摩擦頭固定安裝于主軸上，通過蓋板將主電機(jī)安裝在第一支撐板上；
(2)將壓力傳感器通電，讀取空載時(shí)的壓力輸出并保存，記為F0；
(3)啟動(dòng)焊機(jī)主電機(jī)，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時(shí)設(shè)定壓力閾值F1；
(4)整個(gè)焊具開始下降，當(dāng)攪拌摩擦頭開始接觸工件時(shí)，開始記錄壓力傳感器的輸出F，當(dāng)下壓深度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，進(jìn)入預(yù)熱階段；
(5)預(yù)熱階段結(jié)束后，電阻絲通電，正式開始焊接；
(6)焊接過程中，不斷計(jì)算F-F0，記為F2，如F2超過1.1倍的閾值F1，則減小電阻絲的通過電流；如F2小于閾值F1，則增大電阻絲的通過電流；如果F2介于1～1.1倍閾值F1之間，保持不變；
(7)焊接結(jié)束后，提升焊具，使攪拌摩擦頭脫離工件，然后切斷電阻絲8的電源；
(8)數(shù)分鐘后，關(guān)斷冷卻液停止冷卻，拆下攪拌摩擦頭。有益效果：本發(fā)明的基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)這是一種新式的單軸肩攪拌摩擦焊工具，可根據(jù)軸向壓力的大小，調(diào)整攪拌頭外圍焊接金屬的預(yù)熱程度，調(diào)整軸向壓力也可以減少鋼管變形。
(2)結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)。該焊具部件較少、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)且裝配方便，這對于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
如圖1所示，本發(fā)明的一種基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，包括動(dòng)力室外殼，所述動(dòng)力室外殼內(nèi)依次設(shè)有蓋板15、第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上設(shè)有主電機(jī)1，蓋板15鉸接在殼體上，蓋板15上設(shè)有圓弧槽，通過鎖緊蓋板，蓋板的圓弧槽將主電機(jī)固定在第一支撐板上，所述主電機(jī)1與主軸7連接，主軸7與攪拌摩擦頭9連接，主軸7外套有同步回轉(zhuǎn)套10，同步回轉(zhuǎn)套10外套有軸承11，軸承11為滾珠軸承，軸承11位于支撐室外殼5內(nèi)，軸承11通過軸承擋圈12固定在同步回轉(zhuǎn)套10上，支撐室外殼5固定在第二支撐板上，通過主電機(jī)1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)攪拌摩擦頭9轉(zhuǎn) 動(dòng)；所述第二支撐板與下方的電阻絲固定套6連接，電阻絲固定套6內(nèi)安裝有對攪拌摩擦頭9進(jìn)行加熱的輔熱裝置。
在本發(fā)明中，所述輔熱裝置包含一對導(dǎo)熱塊8和一對電阻絲，兩根電阻絲分別穿過電阻絲固定套6與位于電阻絲固定套6邊沿的導(dǎo)熱塊8連接，攪拌摩擦頭9位于兩個(gè)導(dǎo)熱塊8之間，兩根電阻絲分別于第一電極3和第二電極13連接。
在本發(fā)明中，所述支撐室外殼5內(nèi)設(shè)有冷卻裝置，所述冷卻裝置包含位于支撐室外殼5內(nèi)的水管通道，水管通道設(shè)有冷卻液進(jìn)口2和冷卻液出口14，水管通道內(nèi)有循環(huán)冷卻液。
在本發(fā)明中，所述主軸7外設(shè)有軸向壓力檢測單元，所述軸向壓力檢測單元包含支撐座和角接觸軸承，所述主軸7外設(shè)有臺(tái)階，角接觸軸承套在臺(tái)階上，角接觸軸承外設(shè)有軸承座，軸承座與第二支撐板之間設(shè)有中空的不旋轉(zhuǎn)的壓力傳感器16，軸承座通過長螺桿17安裝在第二支撐板上，長螺桿上套有彈簧再穿過軸承座，所述主軸7上套有匯流環(huán)，匯流環(huán)與軸向壓力檢測單元信號連接。當(dāng)軸向壓力超過閾值，則減小電阻絲的通過電流；如小于閾值，則增大電阻絲的通過電流。
在本發(fā)明中，主電機(jī)1可采用結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力矩較大的永磁電動(dòng)機(jī)；冷卻液進(jìn)口2、冷卻液出口13可選擇銅合金，冷卻液可選擇常用的純凈水或常用機(jī)加工冷卻液；第一電極3和第二電極13可采用導(dǎo)電較好的銅合金，支撐室外殼5、同步回轉(zhuǎn)套10可采用普通碳鋼制作；電阻絲固定套6則需要采用耐熱、絕緣材料制作；攪拌摩擦頭9則采用高溫合金進(jìn)行加工；壓力傳感器16則可選用市面上常用的圓環(huán)形壓力傳感器。為了減少未焊接時(shí)軸向壓力傳感器16承受過大的預(yù)緊力，利用彈簧頂緊軸承座和壓力傳感器16；主軸7在穿過軸承、中空的壓力傳感器后，往上與主電機(jī)1的輸出軸相連，所以在焊接過程中，軸向壓力傳感器16是不旋轉(zhuǎn)的。電阻絲固定套6位于支撐室外殼5的外圍，但與支撐室外殼5之間存在間隙。
該使用攪拌摩擦焊具進(jìn)行焊接的主要流程與步驟：
(1)將整個(gè)焊具固定在攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)頭上，攪拌摩擦頭9固定安裝于主軸7上；
(2)將壓力傳感器16通電，讀取空載時(shí)的壓力輸出并保存，記為F0；
(3)啟動(dòng)焊機(jī)主電機(jī)，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時(shí)設(shè)定壓力閾值F1；
(4)整個(gè)焊具開始下降，當(dāng)攪拌摩擦頭9開始接觸工件時(shí)，開始記錄壓力傳感器16的輸出F，當(dāng)下壓深度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，進(jìn)入預(yù)熱階段；
(5)預(yù)熱階段結(jié)束后，電阻絲通電，正式開始焊接；
(6)焊接過程中，不斷計(jì)算F-F0，記為F2，如F2超過閾值F1，則減小電阻絲的通過電流；如F2小于閾值F1，則增大電阻絲的通過電流；如果F2介于1～1.1倍閾值F1之間，保持 不變；
(7)焊接結(jié)束后，提升焊具，使攪拌摩擦頭9脫離工件，然后切斷電阻絲8的電源；
(8)數(shù)分鐘后，關(guān)斷冷卻液停止冷卻，拆下攪拌摩擦頭9。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。