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，這項技術(shù)因其焊接變形小、殘余應(yīng)力小，無需保護氣體和填充材料，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)重量等特點受到各國科研機構(gòu)的關(guān)注。由于這項技術(shù)具有很多其他方法所不具備的顯著特點，它很快就被用于航天領(lǐng)域，新一代運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，但在對鋼管的進行焊接時，仍然存在很多難點。

技術(shù)實現(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，包括動力室外殼，所述動力室外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上安裝有主電機，第一支撐板通過一對卡箍固定主電機，所述卡箍包含安裝板，安裝板上設(shè)有夾持主電機的圓弧板，圓弧板的兩端延伸有凸耳，兩個卡箍通過凸耳夾持主電機，安裝板安裝在第一支撐板上從而固定主電機，所述主電機與主軸連接，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，通過主電機轉(zhuǎn)動帶動攪拌摩擦頭轉(zhuǎn)動；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)有臺階，角接觸軸承套在臺階上，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，包括以下步驟：

(1)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上，攪拌摩擦頭固定安裝于主軸上；

(2)將壓力傳感器通電，讀取空載時的壓力輸出并保存，記為F₀；

(3)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時設(shè)定壓力閾值F₁；

(4)整個焊具開始下降，當攪拌摩擦頭開始接觸工件時，開始記錄壓力傳感器的輸出F，當下壓深度達到目標值時，進入預(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，不斷計算F-F₀，記為F₂，如F₂超過1.2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1～1.2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，具有以下優(yōu)點：

(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、實用性強。該焊具部件較少、成本低廉、容易實現(xiàn)且裝配方便，這對于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中軸向壓力檢測單元的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進一步的說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于壓力反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，包括動力室外殼，所述動力室外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐板和第二支撐板，所述第一支撐板上安裝有主電機，第一支撐板通過一對卡箍15固定主電機，所述卡箍15包含安裝板151，安裝板151上設(shè)有夾持主電機的圓弧板152，圓弧板152的兩端延伸有凸耳，兩個卡箍15通過凸耳夾持主電機1，安裝板安裝在第一支撐板上從而固定主電機，可以很好的將主電機固定在第一支撐板上，所述主電機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1轉(zhuǎn)動帶動攪拌摩擦頭9轉(zhuǎn)動；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)有臺階，角接觸軸承套在臺階上，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1可采用結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力矩較大的永磁電動機；冷卻液進口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行焊接的主要流程與步驟：

(1)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上，攪拌摩擦頭9固定安裝于主軸7上，通過兩個卡箍將主電機固定在第一支撐板上；

(2)將壓力傳感器16通電，讀取空載時的壓力輸出并保存，記為F₀；

(3)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時設(shè)定壓力閾值F₁；

(4)整個焊具開始下降，當攪拌摩擦頭9開始接觸工件時，開始記錄壓力傳感器16的輸出F，當下壓深度達到目標值時，進入預(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，不斷計算F-F₀，記為F₂，如F₂超過1.2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1～1.2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)選實施方式，應(yīng)當指出：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和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。