[发明专利]带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置

说明书

本发明公开了一种带旋转轴肩拉拔式摩擦塞补焊主轴头装置，包括由同轴嵌套的中心内旋转轴和外旋转空心轴构成的中心旋转轴；中心内旋转轴的顶部设有与旋转联轴器连接的液压缸部件、外旋转空心轴上设有皮带轮；中心内旋转轴的底端连接有摩擦塞棒，摩擦塞棒通过与外旋转空心轴固定的旋转轴肩定位，内外旋转轴之间设有可上下滑动的键联接；外旋转空心轴在带动中心内旋转轴和摩擦塞棒高速旋转的同时，液压缸部件驱动中心内旋转轴沿轴向施加拉伸和压缩载荷，从而实现带轴肩加热的摩擦塞补焊过程。本发明结构紧凑、操作简便，采用本发明可以提高拉拔式摩擦塞补焊缝质量与可靠性，可实现10mm厚度以上铝合金板拉拔式摩擦塞补焊过程。

技术领域

本发明属于固相摩擦焊接技术领域，具体涉及一种带有旋转轴肩的拉拔式摩擦塞补焊工艺的主轴头装置。

背景技术

摩擦塞补焊(Friction Taper Plug Welding-FTPW)工艺是英国焊接研究所(TWI)于1995年基于摩擦焊原理提出的一种焊接修复技术，主要用于铝合金焊缝缺陷的修复补焊。与传统的熔焊工艺比较，由于FTPW过程中基体和塞棒母材不会发生熔化、能有效地避免传统熔焊工艺中的气孔、夹渣及裂纹等各种冶金凝固缺陷；所形成的焊缝组织细小致密具有优异的力学性能；且焊缝区残余应力变形低、焊接过程效率高并易于实现自动控制等特点，因而在铝合金结构焊缝缺陷修复中受到工业领域普遍关注。摩擦塞补焊工艺首先在美国洛克希德·马丁公司的航天飞机外贮箱箱底焊接缺陷修复补焊中获得成功应用，后续许多试验表明：FTPW工艺可修复铝合金各种焊接缺陷如点状缺陷、线状缺陷或熔焊工艺缺陷、搅拌摩擦焊凹孔缺陷等，在航空航天铝合金结构补焊修复领域具有广泛应用前景。

摩擦塞补焊工艺过程中主要是采用一种高速旋转的可消耗的摩擦塞棒，在轴向顶锻压力或拉力的作用下，快速挤压进入预制好的基板母材塞孔中，由于旋转塞棒与塞孔侧壁相互摩擦挤压作用产生剧烈摩擦热，使得摩擦接触界面两侧铝合金达到热塑性状态，在轴向顶锻压力或拉力的作用下实现摩擦塞棒与塞孔侧壁的冶金连接。根据对摩擦塞棒所施加的轴向顶锻压力或拉力的不同，摩擦塞补焊工艺过程具体可分为：顶锻式摩擦塞补焊和拉拔式摩擦塞补焊工艺过程。这两种焊接工艺的本质区别在于：顶锻式摩擦塞补焊工艺需要在塞孔背面事先安装刚性支撑夹具、以抵消焊接过程中的轴向顶锻压力才能实现摩擦塞补焊过程；而拉拔式摩擦塞补焊工艺不需要背面刚性支撑夹具就可以实现补焊过程。由此可见，拉拔式摩擦塞补焊工艺在大直径在运载火箭贮箱焊缝修复中具有明显优势，它不需要固定安装复杂繁琐的背面刚性支撑夹具，就可以实现封闭贮箱结构的焊缝缺陷修复补焊过程，从而有效降低大直径铝合金贮箱结构制造成本。

为了实现拉拔式摩擦塞补焊工艺过程，必须研制开发能驱动摩擦塞棒高速旋转并同时实现施加轴向拉拔力的主轴头装置，这是制造拉拔式摩擦塞补焊设备的关键所在。但目前实现拉拔式摩擦塞焊工艺的主轴头装置存在以下问题：

(1)目前的主轴头装置只驱动拉拔式摩擦塞棒高速旋转，塞焊缝根部没有摩擦热源作用，因而导致摩擦热沿焊接板厚度方向不均匀分布，这使得摩擦塞焊缝根部很容易产生未连接缺陷；尤其是对厚度10mm以上铝合金板的塞补焊无法消除塞焊缝根部缺陷，从而很难保证拉拔式摩擦塞补焊缝质量与可靠性。

(2)目前的拉拔式摩擦塞补焊过程只采用摩擦塞棒产生摩擦热源，为了获得更好的摩擦界面加热效果，必须采用很高旋转速度及大轴向拉拔力工艺参数，但高转速和大轴向拉力下将导致摩擦热集中于摩擦塞棒区域，使得摩擦塞棒区材料发生软化强度降低、这将导致摩擦塞棒施加的摩擦旋转扭矩降低，从而使得塞棒与塞孔摩擦界面容易产生弱连接缺陷降低连接界面强度，其结果导致拉拔式摩擦塞焊接头整体力学性能降低；在某些情况下将使摩擦塞棒发生断裂，其结果导致摩擦塞补焊工艺失败。

此外，目前拉拔式摩擦塞棒与旋转轴之间缺乏快速方便转接夹头，这使得拉拔式摩擦塞补焊工艺过程操作复杂并降低焊接加工效率。

发明内容