一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置及焊接方法

技术领域

本发明涉及一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置及焊接方法，属于搅拌摩擦焊技术领域。

背景技术

搅拌摩擦焊是近年来发展较快的一种先进固相连接技术，具有高效低耗、焊接温度低、残余应力小、焊接工件不易变形、环境要求低等技术优势，得到了航空、航天等各行各业的广泛认可和关注。焊接工艺装备的先进性在一定程度上也象征着一个国家的工业发展水平，焊接装置也逐渐朝着自动化、智能化方向发展。现有的搅拌摩擦焊装置一般采用压爪夹紧工件，焊接方位不易调节，焊接效率低。其中的环缝焊接装置只适用于焊接圆柱形筒体的焊缝，不具备方位或角度调节功能，不能对锥形筒体环缝进行焊接，具有一定局限性。

公开号为CN211588901U的中国专利文献，公开了一种铝合金靶材的锥形环缝搅拌摩擦焊装置，能够通过不同角度的底座使焊接装置与水平面之间的角度更加多样灵活，降低了锥型靶材的焊接难度，提高了锥型靶材的焊接质量。实际使用中通过装配不同角度的侧板来匹配不同锥度的靶材焊接。

但是，该锥形环缝搅拌摩擦焊装置存在以下不足：

1、焊接不同锥度的靶材之前，需要先更换角度相匹配的侧板，每更换一次侧板，就需要组装一次固定底座，且拆装固定底座之前需要先将整个装置吊起来，装置装拆耗时长、安全隐患大，导致产品焊接效率大幅降低。

2、焊接装置与水平面之间的角度不能连续调节，实用性差。

3、下压气缸通过连杆机构驱使移动支座和压紧板移动，压紧板与涨紧套配合夹持锥型靶材和法兰盘，为柔性夹持方式，在搅拌头作用下移动支座会出现回退现象，导致产品焊接质量下降。

4、固定底座没有得到有效的固定，焊接过程中装置会产生大幅度振动，甚至出现移位现象，导致产品焊接质量下降。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置及焊接方法。

本发明通过以下技术方案得以实现：

一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置，包括基座和工件夹持机构，所述工件夹持机构包括支撑架，所述支撑架的一端通过头架、转轴和回转组件与基座连接，所述支撑架的中部通过升降支架与基座活动连接，所述支撑架上活动设有尾架，所述尾架可以在平移驱动组件的驱使下移动，所述尾架上设有尾架锁紧组件。

所述头架的前后侧分别通过转轴和回转组件与基座连接，支撑架中部的前后侧分别通过升降支架与基座活动连接。

所述转轴固定设在头架上，头架前后侧的转轴同轴，转轴轴线与头架轴线、尾架轴线垂直且相交，回转组件包括回转支架和设在回转支架上的带座轴承。

所述回转支架上设有角度板，角度板上设有角度刻线，转轴贯穿角度板，转轴的一端固定设有角度指针。

所述升降支架包括中空摆动块和升降块，中空摆动块的一端通过销轴与基座转动连接，另一端设有顶板，顶板上设有升降驱动电机，中空摆动块内活动设有丝杆，丝杆与升降驱动电机之间采用齿轮传动或链传动，升降块与丝杆螺纹连接，升降块上同轴设有两圆轴，两圆轴通过连接块与支撑架连接，中空摆动块上在与圆轴相对应的位置沿长度方向设有拉长孔。

所述连接块与基座底面所确定的平面接触时，支撑架位于水平位置。

所述基座上并排设有两导轨，尾架与两导轨滑动连接，平移驱动组件包括设在基座上的齿条和设在尾架上的减速电机，减速电机的输出轴上套装有齿轮，齿轮与齿条啮合。

所述尾架锁紧组件包括气缸和压板，压板贯穿尾架，并与尾架滑动连接，压板上设有摩擦片，压板上设有楔形孔，气缸设在尾架上，气缸的活塞杆上设有楔形块，楔形块插入到楔形孔中。

一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置的焊接方法，包括以下主要步骤：

步骤1、通过平移驱动组件驱使尾架向远离头架的方向移动，确保头架和尾架之间具有足够的安装空间，

步骤2、将工件安装到带内支撑的芯轴上，并调节内支撑使工件固定，通过吊机或行车将工件、芯轴和内支撑整体吊装到头架和尾架之间，通过平移驱动组件驱使尾架向靠近头架的方向移动，尾架配合头架夹持固定工件，并确保工件与头架、尾架同轴，

步骤3、通过尾架锁紧组件锁紧固定尾架，

步骤4、根据工件类型，通过升降支架调节工件夹持机构的角度，确保搅拌头轴线位于环缝截面内，

步骤5、通过头架带动工件做回转运动，将搅拌头插入焊缝，开始焊接工作，

步骤6、焊接完毕后，尾架锁紧组件松开尾架，平移驱动组件驱使尾架向远离头架的方向移动，同时整体取下工件、芯轴和内支撑，然后手动松开内支撑，取出工件即可。

所述步骤2中若工件为锥形筒，则锥形筒的大端靠近头架，小端靠近尾架；所述步骤4中若工件为圆筒，则通过升降驱动电机驱使连接块向下移动，直至其下端与地面接触，此时角度指针指向角度板上的零刻度线，若工件为锥形筒，则通过升降驱动电机驱使连接块向上或向下移动，直至角度指针在角度板上所指的角度值与锥形筒顶角的1/2相等。

本发明的有益效果在于：

1、装置经一次安装固定后，即可用于焊接圆筒环缝和锥形筒环缝，无需多次吊装和装拆，消除了安全隐患，同时能够大幅度提高产品的环缝焊接效率。

2、工件相对水平面的倾角能够通过升降支架实现连续调节，使装置适用于焊接圆筒和一定顶角范围内的锥形筒，实用性强。

3、参考角度指针和角度板的相对位置，通过升降支架可以将锥形筒的倾斜环缝调整水平，解决了搅拌头摆转角度有限而不能焊接较大倾角环缝的缺陷，有助于确保锥形环缝焊接质量。

4、尾架移动到位后，通过尾架锁紧组件锁紧固定尾架，避免尾架回退，使尾架和头架稳定、可靠地夹持住工件，有助于提高产品环缝焊接质量。

5、整个装置通过基座固定安装在地面上，避免装置在焊接过程中出现大幅度振动，有助于提高产品环缝焊接质量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的基座、回转组件、扶梯和升降支架的装配结构示意图；

图3为本发明的头架、尾架和支撑架的装配结构示意图；

图4为本发明的头架、尾架和支撑架的剖视图；

图5为本发明的导轨、尾架和尾架锁紧组件的装配结构示意图；

图6为本发明的回转支架、带座轴承、角度板和角度指针的装配结构示意图。

图中：1-基座，2-头架，3-尾架，4-回转支架，5-升降支架，6-扶梯，7-头架体，8-后侧防护罩，9-交叉圆柱滚子轴承A，10-斜齿轮，11-行星减速机，12-回转驱动电机，13-头架回转连接盘，14-齿条，15-导轨，16-尾架体，17-尾架回转连接盘，18-减速电机，19-尾架锁紧组件，20-气缸，21-摩擦片，22-楔形块，23-压板，24-升降驱动电机，25-角度板，26-角度指针。

具体实施方式

下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。

如图1至图6所示，本发明所述的一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置，包括基座1和工件夹持机构，所述工件夹持机构包括支撑架，所述支撑架的一端通过头架2、转轴和回转组件与基座1连接，所述支撑架的中部通过升降支架5与基座1转动连接，所述支撑架上活动安装有尾架3，所述尾架3可以在平移驱动组件的驱使下移动，所述尾架3上安装有尾架锁紧组件19。在使用时，基座1为U形结构，固定安装在地面上，基座1的两端均焊接有双耳板，方便通过销轴与中空摆动块转动连接。支撑架也为U形结构，支撑架的内侧焊接有加强板，支撑架位于基座1的内侧，头架2固定安装在支撑架的U形开口端，头架2和尾架3同轴安装。

所述头架2的前后侧分别通过转轴和回转组件与基座1连接，支撑架中部的前后侧分别通过升降支架5与基座1转动连接。

所述转轴固定焊接在头架2上，头架2前后侧的转轴同轴，转轴轴线与头架2轴线、尾架3轴线垂直且相交，回转组件包括回转支架4和安装在回转支架4上的带座轴承。转轴轴线与头架2轴线、尾架3轴线垂直且相交，当工件与头架2、尾架3同轴时，转轴转动多少度，工件轴线就会绕转轴转动多少度。

所述回转支架4上安装有角度板25，角度板25上加工有角度刻线，转轴贯穿角度板25，转轴的一端固定安装有角度指针26。方便参考角度指针26和角度板25，快速、准确地通过升降支架5将支撑架和工件转动到所需角度。

所述升降支架5包括中空摆动块和升降块，中空摆动块的一端通过销轴与基座1转动连接，另一端安装有顶板，顶板上安装有升降驱动电机24，中空摆动块内活动安装有丝杆，丝杆与升降驱动电机24之间采用齿轮传动或链传动，升降块与丝杆螺纹连接，升降块上同轴焊接有两圆轴，两圆轴通过连接块与支撑架连接，中空摆动块上在与圆轴相对应的位置沿长度方向加工有拉长孔。升降驱动电机24通过齿轮传动或链传动驱使丝杆转动，由于升降块与丝杆螺纹连接，升降块会沿丝杆的长度方向移动，从而通过圆轴和连接块带动支撑架、头架2和尾架3等绕转轴转动，达到调整工件角度的目的。

所述连接块与基座1底面所确定的平面(即地面)接触时，支撑架位于水平位置。连接块与地面接触时，角度指针26指向角度板25上的零刻度线，有助于提高将支撑架调整到水平位置的速度。

所述基座1上并排安装有两导轨15，尾架3与两导轨15滑动连接，平移驱动组件包括安装在基座1上的齿条14和安装在尾架3上的减速电机18，减速电机18的输出轴上套装有齿轮，齿轮与齿条14啮合。减速电机18通过齿轮齿条机构驱使尾架3向靠近或远离头架2的方向移动。

所述尾架锁紧组件19包括气缸20和压板23，压板23贯穿尾架3，并与尾架3滑动连接，压板23上安装有摩擦片21，压板23上加工有楔形孔，气缸20安装在尾架3上，气缸20的活塞杆上安装有楔形块22，楔形块22插入到楔形孔中。如图5所示，楔形块22与楔形孔滑动连接，气缸20活塞杆伸出时，推动楔形块22向左移动，同时楔形块22向上提拉压板23，使摩擦片21压在导轨15上，从而使尾架3保持固定；气缸20的活塞杆收回时，拉动楔形块22向右移动，压板23在自重作用下向下移动，摩擦片21与导轨15分离开。

一种角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置的焊接方法，包括以下主要步骤：

步骤1、通过平移驱动组件驱使尾架3向远离头架2的方向移动，确保头架2和尾架3之间具有足够的安装空间。

步骤2、将工件安装到带内支撑的芯轴上，并调节内支撑使工件固定，通过吊机或行车将工件、芯轴和内支撑整体吊装到头架2和尾架3之间，通过平移驱动组件驱使尾架3向靠近头架2的方向移动，尾架3配合头架2夹持固定工件，并确保工件与头架2、尾架3同轴。

步骤3、通过尾架锁紧组件19锁紧固定尾架3。

步骤4、根据工件类型，通过升降支架5调节工件夹持机构的角度，确保搅拌头轴线位于环缝截面内。

步骤5、通过头架2带动工件做回转运动，将搅拌头插入焊缝，开始焊接工作。

步骤6、焊接完毕后，尾架锁紧组件19松开尾架3，平移驱动组件驱使尾架3向远离头架2的方向移动，同时整体取下工件、芯轴和内支撑，然后手动松开内支撑，取出工件即可。

所述步骤2中若工件为锥形筒，则锥形筒的大端靠近头架2，小端靠近尾架3；所述步骤4中若工件为圆筒，则通过升降驱动电机24驱使连接块向下移动，直至其下端与地面接触，此时角度指针26指向角度板25上的零刻度线，若工件为锥形筒，则通过升降驱动电机24驱使连接块向上或向下移动，直至角度指针26在角度板25上所指的角度值与锥形筒顶角的1/2相等。

具体的，基座1上在回转支架4的外侧焊接有扶梯6。

头架2包括头架体7、行星减速机11、回转驱动电机12、交叉圆柱滚子轴承A9和头架回转连接盘13，行星减速机11安装在头架体7上，回转驱动电机12与行星减速机11的输入端连接，行星减速机11的输出轴上套装有斜齿轮10，交叉圆柱滚子轴承A9与头架2同轴，交叉圆柱滚子轴承A9的内圈与头架体7固定连接，外圈加工有斜齿，交叉圆柱滚子轴承A9的外圈与斜齿轮10啮合，交叉圆柱滚子轴承A9的外圈上同轴固定安装有头架回转连接盘13，头架回转连接盘13上同轴安装有二次转接工装。此外，头架体7的一侧安装有后侧防护罩8。

尾架3包括尾架体16和交叉圆柱滚子轴承B，交叉圆柱滚子轴承B与尾架3同轴，交叉圆柱滚子轴承B的内圈与尾架体16固定连接，外圈上同轴固定安装有尾架回转连接盘17，尾架回转连接盘17上同轴安装有二次转接工装。通过头架回转连接盘13和尾架回转连接盘17上的二次转接工装对工件的两端进行定位，保证头架回转连接盘13、工件和尾架回转连接盘17的同轴度。

本发明所述的角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置，其工作原理如下：

将工件安装到带内支撑的芯轴上，并调节内支撑使工件固定，通过吊机或行车将工件、芯轴和内支撑整体吊装到头架2和尾架3之间，并通过头架回转连接盘13和尾架回转连接盘17上的二次转接工装对工件的两端进行定位，保证头架回转连接盘13、工件和尾架回转连接盘17的同轴度；

减速电机18通过齿轮齿条机构驱使尾架3向靠近头架2的方向移动，尾架3配合头架2夹持固定工件，气缸20动作，其活塞杆伸出推动楔形块22向左移动，同时楔形块22向上提拉压板23，使摩擦片21压在导轨15上，从而使尾架3保持固定；

根据工件类型(即环缝类型)，通过升降驱动电机24驱使连接块向上或向下移动，调节工件至所需角度；

回转驱动电机12通过行星减速机11带动斜齿轮10转动，然后通过齿轮传动带动头架回转连接盘13、工件和尾架回转连接盘17做回转运动，将搅拌头插入焊缝，即可开始环缝焊接工作。

本发明提供的角度可调节的锥形筒环缝搅拌摩擦焊装置及焊接方法，其有益效果如下：

1、装置经一次安装固定后，即可用于焊接圆筒环缝和锥形筒环缝，无需多次吊装和装拆，消除了安全隐患，同时能够大幅度提高产品的环缝焊接效率。

2、工件相对水平面的倾角能够通过升降支架5实现连续调节，使装置适用于焊接圆筒和一定顶角范围内的锥形筒，实用性强。

3、参考角度指针26和角度板25的相对位置，通过升降支架5可以将锥形筒的倾斜环缝调整水平，解决了搅拌头摆转角度有限而不能焊接较大倾角环缝的缺陷，有助于确保锥形环缝焊接质量。

4、尾架3移动到位后，通过尾架锁紧组件19锁紧固定尾架3，避免尾架3回退，使尾架3和头架2稳定、可靠地夹持住工件，有助于提高产品环缝焊接质量。

5、整个装置通过基座1固定安装在地面上，避免装置在焊接过程中出现大幅度振动，有助于提高产品环缝焊接质量。