專利名稱：一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬螺柱焊接系統，特別是一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系 統。
背景技術：
金屬螺柱焊接是實現將金屬螺柱或其它類似螺柱的桿件焊接到另一工件的過程。 通常實現金屬螺柱焊接過程的主要有電弧螺柱焊接系統、電阻焊接系統、摩擦焊接系統等， 電弧螺柱焊接系統具有全截面焊接、高效高質的特點，在汽車車輛制造、機械制造、造船工 程、橋梁建筑工程、電力電站、交通運輸、石化能源工程和裝飾裝修業等工業部門得到廣泛 應用。但是，普通電弧螺柱焊、電容儲能電弧螺柱焊要求螺柱頂部帶有電弧放電尖端，該尖 端和金屬基體之間由焊接電源供電產生瞬間電弧，熔化尖端并在壓力作用下形成焊接接 頭，不適用于空心金屬螺柱焊接。并且由于電弧熱源能量的限制，電弧螺柱焊接不能焊接如 直徑IOmm以上鋁制螺柱、直徑25mm以上鋼制螺柱等中大直徑的螺柱。對于某些不適宜用螺柱焊接系統來完成焊接的金屬螺柱，通常可用手工電弧焊、 鎢極氬弧焊、半自動熔化極氣體保護焊等與另一工件進行焊接。手工電弧焊是采用手工運 送電焊條、手工繞螺柱旋轉一周對螺柱外圓實施焊接的工藝；鎢極氬弧焊與手工電弧焊方 法類似，也采 用氬氣保護的鎢極電弧作為熱源，手工運送焊絲、手工繞螺柱旋轉一周對螺柱 外圓實施焊接的工藝；半自動熔化極氣體保護焊采用C02、Ar或Ar+C02混合氣保護，由焊槍 自動送進焊絲、手工移動焊槍一周對螺柱外圓實施焊接的工藝。手工電弧焊、鎢極氬弧焊和 半自動熔化極氣體保護焊雖然具有焊接操作簡單，廣泛適用于焊接中大直徑螺柱和空心金 屬螺柱等各種類型金屬螺柱的優點，但都存在螺柱焊接結合面積少、強度相對較低、焊接內 部存在缺陷、焊縫外觀成形不好、效率低等缺點。如在車輛車體內部和外部、船體船艙中、壓力容器內壁和外壁以及其它領域中，廣 泛用鋼制螺柱、鋁制螺柱、不銹鋼螺柱與金屬基體焊接，目前對于空心金屬螺柱或螺母的焊 接通常應用手工電弧焊、鎢極氬弧焊、半自動熔化極氣體保護焊等，國外還針對小直徑不銹 鋼螺母開發了旋轉電弧螺柱焊，對于空心鋼制螺柱、中大直徑鋁制螺柱和中大直徑不銹鋼 空心金屬螺柱的焊接目前尚無技術解決方案。又如特種車輛每臺車有400-500個尺寸較 大的圓形鋁制螺柱或方形金屬螺柱等螺柱型桿件，但電弧螺柱焊接系統只能焊接直徑小于 IOmm而不能滿足大直徑的鋁制螺柱或螺柱型桿件的焊接要求，大部分都采用常規熔化焊接 方式，如鎢極氬弧焊、熔化極氬弧焊等。因此，存在因焊縫的內外在質量差、定位精度不夠、 焊接截面較小所帶來強度較低、焊接效率也較低的問題。再如為連接火箭殼體上的螺柱，英 國焊接研究所開發了摩擦螺柱焊接系統，解決了螺柱與火箭殼體的連接技術。摩擦螺柱焊 已用于生產包含鋼皮和混凝土核心的夾板式構件，也用于生產剪切連接器和終端平板加固 條的大容量構件。摩擦螺柱焊接系統的另一項應用是近海設施的水下陽極附屬物使用鋼螺 柱和電力連接鐵路線。但是，這些摩擦螺柱焊接系統只能解決小直徑螺柱，中大直徑螺柱都 不能直接焊接。
如何解決現有技術存在的不足，已成為當今金屬螺柱焊接裝備領域中亟待解決的
一項重大難題。

發明內容
本發明的目的在于克服 現有技術存在的不足而提供一種復合摩擦熱源的金屬螺 柱焊接系統，以提高金屬螺柱特別是中大直徑金屬螺柱焊接的有效面積，增強界面結合強 度和變形抗力，提高金屬螺柱焊接效率等。根據本發明提出的一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統，包括金屬螺柱、金屬 基體、螺柱夾頭，螺柱軸向位移裝置，螺柱旋轉裝置，螺柱制動器，其特征在于設有螺柱外 環、螺柱外環夾頭，螺柱外環軸向位移裝置，螺柱外環旋轉裝置，金屬螺柱設置在螺柱外環 軸心位置，螺柱夾頭下端固聯金屬螺柱，螺柱外環夾頭下端固聯螺柱外環，金屬基體設置于 螺柱和螺柱外環底端面，螺柱軸向位移裝置和螺柱旋轉裝置分別與螺柱夾頭聯結，螺柱外 環軸向位移裝置和螺柱外環旋轉裝置分別與螺柱外環夾頭聯結，螺柱制動器與螺柱夾頭聯 結。本發明的金屬螺柱是圓形實心金屬螺柱、圓形空心金屬螺柱或方形金屬螺柱等形狀的 金屬螺柱。本發明的工作原理是為解決金屬螺柱特別是中大直徑金屬螺柱與金屬基體直 接摩擦產熱不足的問題，本發明利用螺柱外環軸向位移和旋轉裝置直接驅動螺柱外環完成 上下位移和旋轉運動，可以控制螺柱外環與金屬基體緊密接觸并旋轉摩擦產熱達到其塑性 溫度區間，實現了螺柱外環與金屬基體的大面積輔助摩擦預熱來增加焊接總的熱輸入的目 的；利用螺柱軸向位移和旋轉裝置直接驅動金屬螺柱完成上下位移和旋轉運動，用以控制 金屬螺柱與金屬基體緊密接觸并旋轉摩擦產熱，二種摩擦產熱使得金屬螺柱和金屬基體的 溫度達到接觸面材料的固相焊接溫度區間；之后，驅動螺柱外環夾頭提升螺柱外環到預定 高度，再停止金屬螺柱的旋轉運動，驅動螺柱夾頭對金屬螺柱實施頂鍛完成金屬螺柱摩擦 焊接。本發明與現有技術相比其顯著優點為第一，采用復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接 系統進行金屬螺柱焊接，保留了固相焊接接頭的優點，避免了接頭熔化焊接產生的氣孔、裂 紋等缺陷，同時又解決了單一摩擦螺柱焊接系統只能焊接小螺柱問題；第二，采用復合摩擦 熱源的金屬螺柱焊接系統進行螺柱固相焊接，解決了高強、高硬材料螺柱焊接易于出現裂 紋缺陷的難題；第三，通過螺柱外環與金屬基體摩擦提供輔助預熱熱源，避免了中大直徑螺 柱焊接熱量輸入不足，高強高硬鋼材、高強鋁制材料焊接缺陷多、焊縫質量較差等問題，也 避免了摩擦螺柱焊發熱量不足和頂鍛力較大的困難；第四，既解決了圓形實心金屬螺柱、圓 形空心金屬螺柱或方形金屬螺柱等形狀的金屬螺柱焊接難題，又實現了多種形狀金屬螺柱 與金屬基體的有效固相焊接。本發明特別適用于中大直徑金屬螺柱的焊接。


圖1本發明提出的一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統的結構示意圖。圖2本發明提出的一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統的實施方式示意圖。圖3本發明提出的用于圓形空心金屬螺柱的復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統 的結構示意圖。
圖4本發明提出的用于方形金屬螺柱的復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統的結 構示意圖。圖5本發明提出的用于方形金屬螺柱的復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統結構 的A-A剖面示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細描述。實施例1。結合圖1和圖2，本發明提出的一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統， 主要由金屬螺柱[1]、螺柱外環[2]、金屬基體[3]、螺柱夾頭[4]、螺柱外環夾頭[5]、螺柱軸 向位移裝置[6]、螺柱旋轉裝置[7]、螺柱外環軸向位移裝置[8]、螺柱外環旋轉裝置[9]和 螺柱制動器[10]組成。其中，金屬螺柱[1]為圓形實心金屬螺柱、圓形空心金屬螺柱或方 形金屬螺柱等形狀的金屬螺柱；螺柱外環[2]、螺柱夾頭[4]和螺柱外環夾頭[5]與金屬螺 柱[1]和金屬基體[3]的類型相匹配；螺柱軸向位移裝置[6]、螺柱旋轉裝置[7]、螺柱外環 軸向位移裝置[8]、螺柱外環旋轉裝置 [9]和螺柱制動器[10]的配置要求和工作方式與現 有摩擦焊接系統基本相同。本發明的具體實施方式
是第一，螺柱外環固聯將螺柱外環[2]固聯于螺柱外環 夾頭[5]下端，使螺柱外環夾頭[5]可靠夾持螺柱外環[2]；第二，金屬螺柱固聯將金屬螺 柱[1]固聯于螺柱夾頭[4]下端，使螺柱夾頭[4]可靠夾持金屬螺柱[1]；第三，金屬基體 預熱由螺柱外環軸向位移裝置[8]驅動螺柱外環夾頭[5]和螺柱外環[2]下降，使螺柱外 環[2]與金屬基體[3]緊密接觸，同時螺柱外環旋轉裝置[9]驅動螺柱外環夾頭[5]和螺 柱外環[2]產生旋轉，使螺柱外環[2]與金屬基體[3]摩擦產熱，金屬基體[3]摩擦部位溫 度達到其材料的塑性溫度區間；第四，螺柱摩擦升溫在金屬基體[3]摩擦預熱工作狀態基 礎上，由螺柱軸向位移裝置[6]驅動螺柱夾頭[4]和金屬螺柱[1]下降，使金屬螺柱[1]與 金屬基體[3]緊密接觸，同時螺柱旋轉裝置[7]驅動螺柱夾頭[4]和金屬螺柱[1]產生旋 轉，使金屬螺柱[1]與金屬基體[3]摩擦產熱，二種摩擦產熱使得金屬螺柱[1]和金屬基體 [3]的溫度達到接觸面材料的固相焊接溫度區間；第五，螺柱外環撤離由螺柱外環軸向位 移裝置[8]驅動提升螺柱外環夾頭[5]和螺柱外環[2]，提升螺柱外環[2]的高度為5 12mm，其后停止其旋轉運動；第六，螺柱頂鍛焊接由螺柱制動器[10]作用于螺柱夾頭[4] 和金屬螺柱[1]停止旋轉，其后由螺柱軸向位移裝置[6]驅動螺柱夾頭[4]對金屬螺柱[1] 朝金屬基體[3]方向實施頂鍛，螺柱夾頭[4]松開對金屬螺柱[1]的夾持，由螺柱軸向位移 裝置[6]提升螺柱夾頭[4]，使其離開已焊接的金屬螺柱[1]。本發明以循環往復的方式， 完成每一個金屬螺柱的復合摩擦焊接。本發明提出的復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統用于圓形實心金屬螺柱的焊接， 其金屬螺柱[1]為直徑大于等于IOmm的鋁制圓形實心金屬螺柱或直徑大于等于25mm的鋼 制圓形實心金屬螺柱，其它配置要求和工作方式與實施例1所述的全部內容相同。實施例2。結合圖3，本發明提出的用于圓形空心螺柱的復合摩擦熱源的金屬螺柱 焊接系統，主要由圓形空心金屬螺柱[1-1]、螺柱外環[2]、金屬基體[3]、螺柱夾頭[4]、螺 柱外環夾頭[5]、螺柱軸向位移裝置[6]、螺柱旋轉裝置[7]、螺柱外環軸向位移裝置[8]、螺 柱外環旋轉裝置[9]和螺柱制動器[10]組成。其中，直徑(Φ)大于等于IOmm的鋁制圓形空心金屬螺柱[1-1]或直徑大于等于25mm的鋼制圓形空心金屬螺柱[1_1]。利用大直徑螺 柱外環[2]與金屬基體[3]的輔助摩擦預熱來提高金屬基體[3]溫度，增加焊接總熱輸入。 通過螺柱外環[2]和圓形空心金屬螺柱[1-1]同時與金屬基體[3]摩擦分別產熱升溫，當 圓形空心金屬螺柱[1-1]和金屬基體[3]的溫度達到圓形空心金屬螺柱[1-1]焊接需要的 溫度后，驅動螺柱外環夾頭[5]提升螺柱外環[2]到適當高度，之后停止圓形空心金屬螺柱 [1-1]的旋轉運動，并驅動螺柱夾頭[4]對圓形空心金屬螺柱[1-1]實施頂鍛完成圓形空心 金屬螺柱[1-1]復合摩擦焊接。實施例3。結合圖4和圖5，本發明提出的用于方形金屬螺柱的復合摩擦熱源的金 屬螺柱焊接系統，主要由方形金屬螺柱[1-2]、螺柱外環[2]、金屬基體[3]、螺柱夾頭[4]、 螺柱外環夾頭[5]、螺柱軸向位移裝置[6]、螺柱旋轉裝置[7]、螺柱外環軸向位移裝置[8]、 螺柱外環旋轉裝置[9]和螺柱制動器[10]組成。其中，方形金屬螺柱[1-2]為截面尺寸 (邊長B)大于等于10 X IOmm的鋁制方形金屬螺柱或截面尺寸大于等于25 X 25mm的鋼制方 形金屬螺 柱。利用大直徑螺柱外環[2]的輔助摩擦預熱來提高金屬基體[3]溫度，增加焊 接總熱輸入。通過螺柱外環[2]和方形金屬螺柱[1-2]同時與金屬基體[3]摩擦分別產熱 升溫，當方形金屬螺柱[1-2]和金屬基體[3]的溫度達到固相焊接溫度后，驅動螺柱外環夾 頭[5]提升螺柱外環[2] 10士2mm高度，之后停止金屬螺柱[1]的旋轉運動，并驅動螺柱夾 頭[4]對方形金屬螺柱[1-2]實施頂鍛，完成方形金屬螺柱[1-2]復合摩擦焊接。本發明經反復試驗驗證，取得了滿意的應用效果。
權利要求
1.一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統，包括金屬螺柱[1]、金屬基體[3]、螺柱夾 頭W]，螺柱軸向位移裝置W]，螺柱旋轉裝置[7]，螺柱制動器[10]，其特征在于設有螺柱 外環[2]、螺柱外環夾頭[5]、螺柱外環軸向位移裝置[8]、螺柱外環旋轉裝置[9]，金屬螺柱 [1]設置在螺柱外環[2]軸心位置，螺柱夾頭[4]下端固聯金屬螺柱[1]，螺柱外環夾頭[5] 下端固聯螺柱外環[2]，金屬基體[3]設置于金屬螺柱[1]和螺柱外環[2]底端面，螺柱軸 向位移裝置[6]和螺柱旋轉裝置[7]分別與螺柱夾頭[4]聯結，螺柱外環軸向位移裝置[8] 和螺柱外環旋轉裝置[9]分別與螺柱外環夾頭[5]聯結，螺柱制動器[10]與螺柱夾頭[4] 聯結。
2.根據權利要求1所述的金屬螺柱焊接系統，其特征在于金屬螺柱[1]為圓形實心金 屬螺柱。
3.根據權利要求1所述的金屬螺柱焊接系統，其特征在于金屬螺柱[1]為圓形空心金 屬螺柱[1-1]。
4.根據權利要求1所述的金屬螺柱焊接系統，其特征在于金屬螺柱[1]為方形金屬螺 柱[11]。
全文摘要
本發明涉及一種金屬螺柱焊接系統，特別是一種復合摩擦熱源的金屬螺柱焊接系統。本發明利用螺柱外環軸向位移和旋轉裝置直接驅動螺柱外環完成上下位移和旋轉運動，實現螺柱外環與金屬基體的大面積輔助摩擦預熱來增加焊接總的熱輸入；利用螺柱軸向位移和旋轉裝置直接驅動金屬螺柱完成上下位移和旋轉運動，實現旋轉摩擦產熱；經螺柱外環、金屬螺柱與金屬基體的分別摩擦產熱使得金屬螺柱和金屬基體的溫度達到接觸面材料的固相焊接溫度區間，之后驅動螺柱夾頭對金屬螺柱實施頂鍛完成金屬螺柱摩擦焊接。本發明以提高金屬螺柱特別是中大直徑螺柱焊接的有效面積，增強界面結合強度和變形抗力，提高金屬螺柱焊接效率等。
文檔編號B23K20/26GK102091861SQ20101059790
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月21日 優先權日2010年12月21日
發明者馮曰海, 馮勝昆, 周琦, 張德庫, 張施楠, 朱軍, 王克鴻, 顧明樂, 黃 俊 申請人:南京工程學院, 南京理工大學