带角度偏置功能搅拌焊接机的研制

摘 要：针对湖南晟通汽车有限公司制造的铝合金厢式运输半挂车底板型材的焊接,设计研制了带角度偏置功能龙门式铝合金搅拌摩擦焊接机.该焊接机采用目前主流的三轴机架为主要运动构件,能实现XYZ方向精确定位.主机采用角度偏置高速搅拌摩擦旋转头,能根据前进方向调节焊接角度,实现连续了焊接.搅拌摩擦焊消除了MIG或TIG焊接熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形,焊后接头的内应力小,变形小,基本可实现板件的低应力无变形焊接.该焊接机自应用以来,有效降低了焊接成本,提高了生产效率及产品质量.

关 键 词：龙门式；搅拌摩擦焊接；角度偏置.

1.前言

搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,简称FSW）,是利用一种特殊形式的搅拌头插入工件的待焊部位,通过搅拌头与工件间的搅拌摩擦,摩擦热使该部位金属处于热塑性状态并在拌头的压力作用下从其前段向后部塑性流动,从而使待焊件压焊为一个整体的新的焊接方式

2.搅拌摩擦焊的主要优点

2.1.搅拌摩擦焊接过程中接头部位不存在金属的融化,是一种固态焊接过程,故焊接时不存在熔焊时的各种缺憾,可以焊接用熔焊方法难以焊接的材料,如LY、LC系列的硬铝及超硬铝,并且可以在任意位置进行焊接.

2.2.由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程,焊后接头的内应力小、变形小,基本可实现板件的低应力无变形焊接.

2.3.接头的机械性能好、无烟尘、无气孔、无飞溅、节能、无需添加焊丝、焊铝不需使用保护气体、对焊工技术要求不高、焊前准备要求低.

英国焊接研究所（TheWeldingInstitute,简称TWI）认为,搅拌摩擦焊技术是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法,它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革.

3.搅拌摩擦焊接机的设计

3.1.焊接工件为图2所示有多块5系铝合金型材拼焊而成,最大程度约14.5米.拼焊后须确保工件平面度控制在±1mm内.图3红色圆圈内表示所需搭焊接的型材结构,型材逐一拼接,并由上下两道焊缝保证结构强度.

3.2.整机由底座、左右立座组件、横梁、主动力头五部分组成龙门框架结构如图4所示,总重量约4.6吨.板件由板厚为20mm的Q235B钢板焊接,并应用数控铣加工而成,经有限元刚性强度分析,横梁在受到2.4吨反作用力的情况下,变形量≦0.05mm,满足刚性要求.部件与部件多采用销钉、凸台等定位,保证了整体的装配精度.XYZ三轴均采用伺服电机滚珠丝杆传动而非伺服电机齿轮齿条传动,主要考虑工作载荷因素.

3.3.主动力由功率15KW电机、主轴（含搅拌摩擦头）、角度偏置系统3部分组成.电机的功率、转速经过了计算并得到实际效果验证.主轴由上到下依次为万向节、摩擦式联轴器、搅拌摩擦头如图5所示.由于在焊接时,搅拌摩擦头与工件保持一定角度还能很好的提升焊接质量和速度,因此需要设计一套角度偏置系统.

3.4.该角度偏置系统设计方案如图6所示,主轴通过圆柱滚动轴承与主轴套筒连接安装.主轴套筒在主轴安装座上能实现小角度旋转,并通过其两侧的调节螺母调整偏置角度.由于在实际生产过程中,主轴应根据工件的焊接顺序进行180度换向,因此,主轴安装座上设置了圆轴齿轮,并在圆轴齿轮的一侧安装了与之该啮合的小齿轮.伺服电机能通过该角度偏置系统实时、精确的控制偏置角度,使得该焊接机能更好的模拟、适应实际工作环境

4.结论

4.1.成本方面：自搅拌摩擦焊接机使用以来,公司减少了高纯氩气和铝合金焊丝昂贵消耗品方面的投入,仅需要在约1000米焊缝后更换搅拌摩擦头.

4.2.质量方面：消除熔焊过程中大范围的热塑性变形过程.焊头接头的内应力小、变形小,实现了的低应力无变形焊接,焊后不再需要整形,极大的提升了产品质量.

4.3.效率方面：焊接产量由原先的一天一台套提升至现在的一天两台套,效率提升50%以上,大大减轻了工人的劳动强度,对焊工技术要求不高,焊前准备要求低.

总之,该焊接机的使用完全满足公司对于成本、质量、效率方面的要求.

5.改进项目

下阶段将进行铝合金双面搅拌摩擦焊接的研究

5.1.双面搅拌摩擦焊比搅拌摩擦焊接的能量更大.

5.2.采用双面搅拌摩擦焊代替搅拌摩擦焊有利于提高焊接效率,在焊接该型材时,上下两侧焊缝同时焊接.

5.3.由于是上下两侧焊缝同时焊接,消除单侧焊容易出现的变形缺陷,改善了焊缝的性能,焊后工件无需整形.