[发明专利]一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构

说明书

本发明公开了一种原位回填式搅拌摩擦点焊主轴头机构，由两部分组成；一是与机床旋转动力主轴相连接的主体结构空心主轴套，可以高速旋转；二是与机床主轴固定部分相连接的上固定轴套和外层的下固定套筒。这两部分(内部旋转、外部固定)之间通过四对角向轴承和其它零部件集成在在一起形成主轴头机构。本发明主轴头机构是一种独立的机械运动机构，可实现原位回填式摩擦点焊(RFSSW)的全部工艺过程。本发明结构简单容易维护、其搅拌工具可以方便拆卸、更换与安装，将本发明主轴头机构与普通铣床动力主轴相结合，就可以实现RFSSW全部工艺过程，从而有效降低RFSSW设备的制造成本，为RFSSW工艺的广泛推广应用提供重要基础。

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，具体涉及一种实现原位回填式搅拌摩擦点焊工艺过程的主轴头机构。

背景技术

原位回填式搅拌摩擦点焊(Refill Friction Stir Spot Welding-RFSSW)是德国GKSS研究中心于1999年开发的一种创新固相摩擦点焊接技术。采用这种方法进行铝合金点焊接后，焊缝表面平整、焊点中心没有凹孔，其点焊缝外观与传统电阻点焊缝类似。因而在轻量化铝合金结构制造领域如航空、航天及汽车工业领域等具有广泛的应用前景。

RFSSW工艺原理如图1(a)、图1(b)、图1(c)和图1(d)所示。该工艺采用分离的搅拌工具轴肩和搅拌针，在保持轴肩和搅拌针高速旋转的同时，可以精确控制轴肩与搅拌针沿轴线上下的相对运动，通过搅拌针回填与轴肩的挤压作用，使得摩擦加热塑性流动金属在原位顶锻形成焊点，其焊缝表面平整、不存在搅拌针产生的凹孔缺陷。RFSSW过程主要分四个阶段；1)、摩擦加热阶段：如图1(a)，外部加紧环紧密挤压在工件表面形成限制模具作用，中间套筒(类似搅拌工具轴肩)和搅拌针紧密接触工件表面并挤压高速旋转、摩擦加热工件待焊部位，使局部材料塑性软化；2)、原位挤压阶段：如图1(b)，高速旋转中间套筒沿轴向挤压进行局部焊材内部，同时高速旋转搅拌针回撤到一定位置，焊点处塑性材料在轴肩挤压下填充到搅拌针回撤的空间位置；3)、原位回填阶段：如图1(c)在高速旋转中间套筒回撤到初始位置的同时，高速旋转搅拌针向下顶锻挤压被填充空间的塑性材料，使得热塑性材料流动回填到原来的焊点中心轴区域；4)、焊缝形成阶段：当中间套筒和搅拌针均移动到原始工件表面位置后，继续保持顶锻挤压一定时间，分离搅拌工具与工件表面完成焊接过程，最终形成的搅拌摩擦点焊搭接接头，如图1(d)所示。

RFSSW的连接机理是搅拌针与轴肩周围摩擦热源与金属材料塑性流动相互作用的结果，材料冶金连接产生在轴肩挤压和搅拌针回撤后、再共同顶锻下形成的再结晶的搅拌区域中。搅拌工具轴肩和搅拌针的高速旋转、上下挤压及顶锻回填作用和特殊形状，不仅在搅拌针周围、也沿轴向使材料产生塑性流动，这一区域在搅拌针与轴肩旋转、挤压、粉碎等机械力作用下，形成致密组织特征并赋予搅拌摩擦点焊接头优异的力学性能。

与铝合金传统电阻点焊比较，RFSSW具有以下优势：1)、焊缝质量高：搅拌摩擦点焊过程中材料不会被熔化，焊接热输入较低，焊缝区域几乎没有热变形，点焊接头具有优异结合强度、焊接质量稳定；2)、焊接过程能耗低：搅拌摩擦点焊所消耗的电能主要用于伺服电动机上，用电量明显低于传统电阻点焊设备，不需要大容量的电源供应设备，整个辅助设备成本明显低于电阻点焊系统。试验表明，搅拌摩擦点焊所消耗的能量可以降低99％，其每焊点电能消耗仅为电阻焊的1％，明显降低生产成本；3)、辅助投资降低：搅拌摩擦点焊过程，不需要如电阻焊那样的各种辅助设备如焊接计时器、焊接变压器和大电流连接电缆、冷却焊枪的冷却水管道、驱动焊枪的压缩空气及电极修复装置等，因而辅助设备投资成本将明显降低；4)、搅拌工具寿命长：铝合金搅拌摩擦点焊的搅拌工具，具有很强的耐磨损和抗损耗特性，可经历了10万次摩擦点连接后也没有损耗现象；5)、焊接过程绿色环保：搅拌摩擦点焊工作环境没有灰尘和烟雾，不需要大电流，生产过程是清洁的，不会产生任何电磁噪声污染。