專利名稱:摩擦焊的制作方法
本發(fā)明涉及摩擦焊方法和設(shè)備。
在傳統(tǒng)的摩擦焊中，一對工件相互壓緊下，使它們相對旋轉(zhuǎn)運動。一般地說，一旦兩工件的接合面產(chǎn)生足夠熱以后，停止相對轉(zhuǎn)動，使工件在頂鍛壓力下相互壓緊，頂鍛壓力可以相等于或大于原始壓緊力。
傳統(tǒng)摩擦焊的問題之一是在兩工件初始接觸時發(fā)生的。這時，兩工件之間發(fā)生顯著的干摩擦，需要顯著增加能量以克服干摩擦。例如，焊接直徑為10mm的螺柱時，初始摩擦扭矩的范圍是30-40牛頓米。過去解決這個問題的方法是設(shè)計一種驅(qū)動馬達，能夠提供足夠的驅(qū)動扭矩來克服干摩擦。這種驅(qū)動馬達在固定式摩擦焊設(shè)備中是可以容許的，但是對于設(shè)計可移動式摩擦焊設(shè)備則不是一種滿意的解決方法。目前要求在使用焊接工件的工地上完成摩擦焊。這和過去的生產(chǎn)方法正相反，過去是把工件帶到摩擦焊設(shè)備上進行焊接，然后再運回使用地點。但是，適合于移動式摩擦焊設(shè)備的驅(qū)動馬達，一般只有8牛頓米的驅(qū)動扭矩。因此，在上面提到的實例中，在焊接10mm直徑的螺柱時，在觸地時的凈抵抗扭矩超過20牛頓米。馬達迅速減速，使摩擦熱減少，不能形成表面熔化。這樣，在開始焊接以前，馬達停轉(zhuǎn)。因此，馬達額定功率需要增加兩三倍，使其輕便性不可行。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，摩擦焊的方法包括啟動驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置和一個主能源連接，使一對工件相對轉(zhuǎn)動，它還和一個輔助能源連接;使工件在壓力下相互接觸，輔助能源能夠提供供驅(qū)動裝置以足夠的附加能量，使驅(qū)動裝置克服工件之間在初始接觸時產(chǎn)生的抵抗扭矩的作用。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，摩擦焊設(shè)備包括驅(qū)動裝置，它和一個使用的主能源連接，使一對工件相對轉(zhuǎn)動;一個輔助的儲能器和驅(qū)動裝置連接。還有擠壓工件使其相互接觸的裝置。輔助儲能器能夠提供驅(qū)動裝置以足夠的附加能量，使驅(qū)動裝置克服工件之間在初始接觸時產(chǎn)生的抵抗扭矩的作用。
本發(fā)明可以獲得緊湊、更有效率和更加廉價的焊接方法和設(shè)備，并且可以設(shè)計出移動式摩擦焊設(shè)備。
克服初始接觸時產(chǎn)生的高抵抗扭矩的問題，可以通過使驅(qū)動裝置和一個輔助能源連接來解決，輔助能源在接觸階段提供附加能源。足夠的附加能源使驅(qū)動裝置在工件初始接觸時的減速被限制在允許的界限內(nèi)，一直到抵抗扭矩下降到基本上等于或小于驅(qū)動裝置的容量為止。換句話說，在驅(qū)動裝置停轉(zhuǎn)以前，驅(qū)動裝置的驅(qū)動扭矩和工件之間的抵抗扭矩達到平衡。此后，驅(qū)動裝置就可以根據(jù)主能源能量提供出焊接循環(huán)所需要的獨立能量。
本發(fā)明和傳統(tǒng)的摩擦焊設(shè)備相反，后者采用了諸如飛輪之類的輔助能源。在傳統(tǒng)設(shè)備中，附加慣量是用來提供整個焊接能量的，因此需要非常笨重的飛輪。但是，在本發(fā)明的場合下，該附加慣量只用于在焊接初期階段增加能量的供應(yīng)。按照此方法，本焊機和那些在焊接時其輸入能量全部依靠馬達功率設(shè)備相比，其容量顯著增大。
所使用慣量的大小隨被焊工件的種類而變化。
一般地說，該焊接方法還包括在兩工件接合面上產(chǎn)生足夠熱量以后停止其相對轉(zhuǎn)動的步驟，并包括其后的在頂鍛壓力下使工件壓緊在一起。
輔助儲能器最好只儲存剛好足夠的(慣性)能量，用于克服驅(qū)動裝置運轉(zhuǎn)速度上的接觸摩擦阻力。這樣使輔助儲能器的尺寸盡量減小，而這對移動式摩擦焊設(shè)備是很重要的。
輔助儲能器最好和驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)動部分相連接。這種連接可以使用適當(dāng)?shù)膫鲃友b置來實現(xiàn)，例如儲能器(如安裝的可轉(zhuǎn)動件)和驅(qū)動裝置的可能動部分之間的一條或多條皮帶。但是，從更方便的角度來說，儲能器包括一個飛輪，和驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸相連接，并和驅(qū)動軸一起旋轉(zhuǎn)。飛輪可以更方便地同軸安裝到傳動軸上。
驅(qū)動裝置可以采用任何方便的驅(qū)動馬達，最好采用風(fēng)動馬達。
一般地說，該設(shè)備包括機殼，機殼支撐著驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸可相對于機殼軸向移動，飛輪也可相對于外殼軸向移動。
對于移動式摩擦焊設(shè)備，當(dāng)被焊工件是黑色金屬時，該設(shè)備可以用夾持裝置直接安裝到另一工件上。夾持裝置包含一個或多個磁性件。磁性夾持件可以是永久磁性件，也可以是由一個或多個電磁件組成的。后一種裝置有助于焊接后拆卸該設(shè)備。
當(dāng)工件是有色金屬時，焊接設(shè)備可以用一個密封裝置安裝到工件上，該密封裝置有一個真空閉合室。
下面參照附圖，對本發(fā)明的摩擦焊設(shè)備的一個實例進行描述，附圖中圖1 是處在收縮位置的可移動式焊接器械的局部縱向剖視圖;
圖2 是一個和圖1相似的視圖，但所表示的器械是處于其伸出位置;
圖3 是圖1和圖2所示的器械的俯視圖，某些局部用假想圖表示;
圖4 是氣動控制回路圖;
圖5 是在一個螺柱摩擦焊循環(huán)中，扭矩、壓力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖;
圖6 是圖1圖2中的器械在焊接循環(huán)中對驅(qū)動馬達驅(qū)動軸的能量供應(yīng)曲線圖;
圖7 是一個把器械夾緊到工件上的裝置(沿圖8的7-7線截取)的局部縱向剖視圖;
圖8 是夾緊裝置的俯視圖，其中省略了該器械。
圖中所示的移動式焊接器械有金屬機殼，其上部1用螺栓(圖中未示)固定到下部2上。該焊接器械通常具有以軸心3為中心的環(huán)形截面，而機殼的下部2以階梯形狀沿器械的長度向著軸心3延伸。在機殼上部1安裝有手柄4，還有第二手柄5從器械的一側(cè)向外延伸。手柄5是中空的，通過帶螺紋的插頭5′和壓縮空氣源連接。壓縮空氣通過機殼上部1上的開口6進入器械。
器械的上部有一個活塞-氣缸裝置。活塞包括一個盤形件7，和軸心3同軸，其軸向延伸的插頭部分8也和軸心3同軸。活塞安裝在器械機殼內(nèi)，用制動滑座81(見圖3)限制其轉(zhuǎn)動。插頭部分8上有兩個軸向間隔的孔9、10，共同形成了一個閥體，兩孔的連接處截頭錐體狀部分11形成了一個閥座。插頭部分8用0形密封圈13和機殼上部1的徑向腹板12密封。活塞7可相對于機殼1、2自由軸向移動，但不能轉(zhuǎn)動。
閥件14的截頭錐體形狀和部分11的形狀相似，閥件14在部分8的孔9內(nèi)，位于軸向延伸的指桿15上，該指桿15可移動地安裝在機殼部分1上。
活塞7用螺栓固定在馬達外殼16上，馬達外殼有一個內(nèi)圓筒部分17，圓筒上有徑向向內(nèi)伸出的環(huán)形凸緣18?；钊?通過圓筒部分17和葉片式風(fēng)動馬達20的座板19接合。馬達20可以采用任何通用的葉片風(fēng)動馬達，在速度高達12000轉(zhuǎn)/分時提供4KW的功率。
風(fēng)動馬達20包含轉(zhuǎn)子21，可轉(zhuǎn)動地支承在一個雙列斜面接觸軸承22和一個滾針軸承23上。轉(zhuǎn)子21包含一個軸向延伸的整體部分24，有一個盲孔25。部分24端頭26上加工有外螺紋，使夾具27能夠安裝在其上。
馬達20還有一個調(diào)速器28。
軸向載荷通過轉(zhuǎn)子21傳給軸承22，再通過馬達座板19和馬達外殼16傳給活塞7。
飛輪29用螺栓固定到盤狀支撐件30上，后者固定到馬達20的可轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸20′上。在另一種裝置(圖中未示)中，飛輪支撐件可用花鍵配合和馬達20連接，它們相互間可以軸向移動。飛輪支撐件30上有三個開口，在繞軸心3的圓周上間隔配置，其中一個開口31表示在圖中。
馬達外殼16用一個0形密封圈32密封在外殼部分2內(nèi)。
從圖1中可以看到，馬達外殼16被壓縮彈簧33向上推動，該彈簧是作用在外殼部分2的內(nèi)臺階34和從內(nèi)圓筒部分17整體地徑向向外伸出的凸緣35之間的。
轉(zhuǎn)子本身可以相對于馬達外殼16的內(nèi)圓筒部分17軸向滑動一個小的距離。該轉(zhuǎn)子被一個作用在圓筒部分17的凸緣37和馬達20的部分38上的外伸凸緣之間的片簧36所推動，推到如圖1所示的位置。
設(shè)備的操過程如下述。把螺栓70(見圖7)裝在有適當(dāng)傳動構(gòu)造的夾具27上。例如，夾具可以有六邊形的結(jié)構(gòu)。螺柱穿過夾具27，安放在部分24的盲孔25內(nèi)。在盲孔25內(nèi)可以安放裝配套筒(圖中未示)以適應(yīng)不同長度的螺柱?？梢园烟鎿Q的夾具擰到轉(zhuǎn)子21的部分24上，以適應(yīng)不同的傳動。
用磁性夾持器72把器械夾持在碳鋼板工件71上，螺柱將被焊到該工件上，而器械是通過一個卡口連接器39固定到夾持器上。在其他裝置中，可以使用管式夾持器，梁式夾持器和真空夾持器等。
磁性夾持器72(見圖7和8)包括一對條形磁鐵73，通過馬蹄形滑座74連接在一起。和卡口連接器39夾緊的卡口座75，用螺栓82固定到夾持器頂板76上，后者又用螺栓79固定到支腿78上。使支腿沿著滑座74上的兩平行榫槽83滑動，就可以調(diào)節(jié)板76相對于滑座的位置，使焊頭在電磁鐵73勵磁以后可以進行對位。該位置可以用鎖緊螺絲80固定住。
器械和壓縮空氣源，例如150立方英尺/分的壓縮機連接，壓縮空氣直接從壓縮機提取，或者使用170升容積8巴壓力容器中的儲能空氣。
現(xiàn)在敘述一下，空氣從手柄5流向馬達20的通道的情況。空氣經(jīng)過開口6流入容腔40，再沿著第一通道進入活塞7軸向伸出部分8的孔10中?？諝庠俳?jīng)過孔9進入活塞7和飛輪支撐件30之間的空腔41中去。然后，空氣通過飛輪支撐件上的開孔31以及繞飛輪周邊流入飛輪支撐件30和從馬達外殼16徑向伸出的腹板43之間的第二空腔42中去。然后，空氣再通過馬達座板19和馬達安裝板44上的開孔(圖中未示)流入馬達殼體45內(nèi)。然后，空氣從馬達殼體45壁上的孔46排出，經(jīng)過回位彈簧33，并從外殼部分2壁上的排出口47排出外殼部分之外。
器械的全部控制是用單一的起動器自動觸發(fā)焊接循環(huán)的。按動一個安全起動器48，焊接循環(huán)就被啟動，起動器把閥(圖中未示)打開，使空氣流過手柄5，經(jīng)過前述的通道流入馬達20中去。馬達20被加速到其初始工作速度?？諝庖擦鬟^第二通道，從泄放孔49進入空腔50。對于小直徑的螺柱來說，適用于把空氣直接作用在活塞7上，克服彈簧33的力相對于外殼部分2推動馬達外殼16。但是，這個簡單的動作，并不增大機械能。在生產(chǎn)實踐中，把從泄放孔49流出的空氣用來做輔加控制，可以獲得更加滿意的效果?？刂葡到y(tǒng)在圖1中用51來示意表示，在圖4中則詳細表示出來。
在圖4中，壓縮空氣源52供氣給起動閥53。該閥由起動器48控制。運行時，如前所述從閥53進入空腔40的一部分空氣通過泄放孔49，在這里分叉。在圖4中同樣也表示了，施加給泄放孔49中的壓力通過孔10等直接施加給馬達20，如前面所述。一條支路54導(dǎo)引空氣經(jīng)過調(diào)壓器55，進入一個兩位三通氣動控制彈簧回位閥56的入口。另一條支路使壓縮空氣沿著管路57并經(jīng)過時間調(diào)節(jié)器58和三通閥56的控制口連通。起初，控制空氣壓力不夠大，不能克服回位彈簧的壓力，因此，空腔50(在圖4中只示意地表示)通過在螺栓59上形成的排出口和大氣壓力連通，該螺栓安裝在外殼上部1上并支撐著閥56。經(jīng)過大約兩秒種的延時以后，控制壓力克服回位彈簧的壓力，使空氣沿著管路54和空腔50連通，這個時間是由時間調(diào)節(jié)器確定的，足以使馬達20達到滿速，調(diào)壓器55的使用，可以使活塞免受供氣壓力波動的影響，并且可以根據(jù)不同的螺柱尺寸和條件來調(diào)節(jié)活塞壓力。
摩擦焊接方法依靠摩擦表面所產(chǎn)生的熱使材料熔化，然后在鍛壓下使兩表面之間產(chǎn)生整體接頭。在一個典型的摩擦焊接循環(huán)里，把螺柱在較小壓力下壓向工件，以較高速度旋轉(zhuǎn)一定時間，使產(chǎn)生足夠的熱以實現(xiàn)表面熔化狀態(tài)，然后使螺柱停止旋轉(zhuǎn)，以更大的鍛壓壓力把螺柱壓向工件。在本實例中，整個焊接過程只采用單一的鍛壓壓力。
圖5中的曲線60，61和62表示在焊接循環(huán)中，轉(zhuǎn)速、施加壓力和抵抗扭矩的一般變化情況。參見圖4，閥48被打開，把空氣提供給馬達，馬達就迅速提高到最高速度，并把能量儲存到飛輪中。一般延時兩秒以后，閥56動作，空氣從管路54經(jīng)過調(diào)壓器55提供給壓頭50，產(chǎn)生一個頂鍛壓力，它在整個焊接循環(huán)中基本上是恒定的。因此，工件和螺柱之間的初始接觸(觸地)只有在馬達加速到達工作速度以后才發(fā)生。在觸地時會受到很大的抵抗扭矩，可能會超出馬達的驅(qū)動扭矩。同時，馬達和飛輪的轉(zhuǎn)速減小，而飛輪中的動能被取出，用來在兩磨損表面上建立一個熔化區(qū)。達到熔化后，抵抗扭矩下降，和馬達的驅(qū)動容量相等，經(jīng)過這段時間之后，轉(zhuǎn)速基本保持恒定，而馬達單獨提供能量繼續(xù)保持燒化階段。在活塞軸向移動期間，閥座11慢慢趨近閥件14，直到最后，閥閉合，阻止空氣繼續(xù)和馬達連通(見圖2)。此時，馬達停轉(zhuǎn)，產(chǎn)生焊接熔合?，F(xiàn)在，關(guān)閉閥48，中斷給氣缸的供氣，完成焊接循環(huán)。
因此，可以看到，本器械可自動控制過程，即在焊接循環(huán)中，轉(zhuǎn)速和加在螺柱上的壓力可以變化，而不需任何操作者介入。
在這個控制過程中，關(guān)鍵因素之一是燒化階段持續(xù)時間。改變閥座11和閥件14之間的初始相對位置，例如改變指桿15的長度，就可以改變這個持續(xù)時間。
螺柱焊接的另一個問題是在焊接循環(huán)中，摩擦扭矩有很大的變化，如圖5中曲線62所示。在摩擦表面初始接觸時，產(chǎn)生很大的摩擦扭矩，一直持續(xù)到產(chǎn)生熱金屬熔化狀態(tài)為止。在理想的焊接循環(huán)中，高扭矩只持續(xù)很短的時間，比方說0.2秒。產(chǎn)生熔化狀態(tài)后，在燒化階段，抵抗扭矩下跌到一個低水平線，一般為初始扭矩峰值的25%。在這個階段，加在螺柱上的壓力仍然保持，螺柱材料處于“燒化”和熔化狀態(tài)。燒化階段延續(xù)到驅(qū)動扭短被除去為止。這時，如前所述，熔化層冷卻，接頭熔合而抵抗扭矩增大。
為了使焊接器械便于移動，一般都用輕材料來制造，因此，馬達20的旋轉(zhuǎn)部件和螺柱夾持裝置的固有慣性很小。這對于外理上述的高初始扭矩的問題是無益的。
為處理該問題，采用了飛輪29。在馬達20初始加速時，把動能儲存在飛輪29內(nèi)。在螺柱和工件接觸時，由于兩者之間的干磨擦。馬達20上的負(fù)載突然增大。但是，由于飛輪29中予先儲存的能量可以克服附加的負(fù)載，使螺柱繼續(xù)低速旋轉(zhuǎn)。一般地說，所產(chǎn)生的深度損失約為最高速度的20%(見圖5中的曲線60)。重要的是應(yīng)該注意到，和傳統(tǒng)的慣性摩擦焊的情況一樣，慣性并不用來提供全部焊接能量，而是在焊接的初始(觸地)階段用以輔助風(fēng)動馬達20。這種方式和一個在焊接時整個依靠馬達的輸入能量的設(shè)備相比，焊接器械的容量大大增加。所使用的慣性的大小可以隨被焊的螺柱類型而改變。
圖6表示在焊接循環(huán)中，使螺柱旋轉(zhuǎn)的能量供給情況。如圖6所示，在產(chǎn)生加速約兩秒以后，螺柱和工件之間發(fā)生接觸(觸地)，還可以看到，在這之后非常短的時間內(nèi)，需要利用飛輪29內(nèi)儲存的輔助慣性能。但是，這種需要在抵抗扭矩被克服之后就停止了，然后就是一個頗為恒定的能量需要，如曲線圖中的部分63所示。最后，在供給馬達20的空氣被切斷以后，當(dāng)殘余慣性能被消耗凈，驅(qū)動能就逐漸減少到零。
在某些場合下，可能需要包括傳感器以監(jiān)測馬達轉(zhuǎn)速，活塞壓力和螺柱位移。在這種情況下，在焊接時傳感器的輸出可以儲存在微型計算機里，然后和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果相比較，可以獲得焊接質(zhì)量的無損評定。
應(yīng)該注意的是如果夾緊裝置在焊接過程中出故障，空氣壓力就會立即把活塞7壓向圖2的位置，因此使馬達20停轉(zhuǎn)。這是一個重要的安全特征。
權(quán)利要求
1.一種摩擦焊方法，其特征是該方法包括啟動驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置和一個主能源連接，使一對工件轉(zhuǎn)動，驅(qū)動裝置還和一個輔助能源連接，使工件在壓力下相互接觸，輔助能源能夠提供驅(qū)動裝置以足夠的附加能量，使驅(qū)動裝置克服工件之間在初始接觸時產(chǎn)生的抵抗扭矩的作用。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的方法，其特征是該方法還包括在兩工件接合面上產(chǎn)生足夠熱量以后停止其相對轉(zhuǎn)動的步驟，并包括其后的在頂鍛壓力下使工件壓緊在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1或2的方法，其特征是該方法還包括在使工件接觸以前，使輔助能源儲存予定的能量。
4.根據(jù)前述的任一項權(quán)利要求
的方法，其特征是該方法還包括把一個工件裝到驅(qū)動裝置上，把驅(qū)動裝置裝在另一個工件上，再啟動驅(qū)動裝置。
5.摩擦焊設(shè)備，其特征是該設(shè)備包括驅(qū)動裝置，它和一個主能源連接，使一對工件相對轉(zhuǎn)動，一個輔助儲能器，和驅(qū)動裝置連接，還有推壓工件使其相互接觸的裝置，輔助儲能器能夠提供驅(qū)動裝置以足夠的附加能量，使驅(qū)動裝置克服工件之間在初始接觸時產(chǎn)生的抵抗扭矩的作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5的可移動式摩擦焊設(shè)備。
7.根據(jù)權(quán)利要求
5或6的設(shè)備，其特征是輔助儲能器和驅(qū)動器的可轉(zhuǎn)動部分相連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求
5至7中之任一項的設(shè)備，其特征是輔助儲能器包括一個飛輪，和驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸相連接，使之和驅(qū)動軸一起轉(zhuǎn)動。
9.根據(jù)權(quán)利要求
8的設(shè)備，其特征是飛輪同軸安裝在驅(qū)動軸上。
10.根據(jù)權(quán)利要求
8或9的設(shè)備，其特征是該設(shè)備包含有機殼，機殼上支撐著驅(qū)動裝置，驅(qū)動裝置的驅(qū)動軸可相對于機殼軸向移動，飛輪也可相對于機殼軸向移動。
11.根據(jù)權(quán)利要求
5至10中之任一項的設(shè)備，其特征是該設(shè)備還包括時間調(diào)節(jié)裝置，用來延遲啟動推壓裝置，一直到驅(qū)動裝置達到予定速度之后再推壓工件使之接觸。
專利摘要
可移動式摩擦焊設(shè)備包括一個驅(qū)動馬達，使一對工件相對轉(zhuǎn)動。一個飛輪之類的輔助儲能器同軸安裝在驅(qū)動馬達的驅(qū)動軸上。兩工件隨著馬達相對于其支撐外殼的移動而互相壓緊在一起。飛輪可以提供足夠能量，使兩工件之間在初始接觸時所產(chǎn)生的抵抗扭矩被減小，基本上等于或小于驅(qū)動裝置的驅(qū)動扭矩。
文檔編號B23K20/12GK86102954SQ86102954
公開日1986年11月5日 申請日期1986年4月26日
發(fā)明者阿倫·羅伯特·湯姆森, 托馬斯·瓦伊納·希思 申請人:湯姆森焊接及檢查有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan