本發明涉及先進連接領域，特別涉及手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置及焊接方法。

背景技術：

隨著機械設備整體制造技術能力加強（例如3D打印技術），零件尺寸規模做的越來越大，但基于材料、工藝等各方面局限，零件之間的零連接接頭（join-free）仍無法避免，尤其對于列車組、飛機和航母、艦船的大尺度機體制造，部件加工和總裝階段劃分不明顯，在產品制造現場進行便攜式和手持式焊接是一種制造常態模式。同時，手持式和便攜式焊接用于現場搶修也十分常見。

另外，隨著航天技術深入發展在軌運行的空間飛行器和空間垃圾日益增多，加之先進國家所研制的破壞飛行器的空間武器面世，空間飛行器面臨空間在軌修復的需求十分緊迫。攪拌摩擦焊接和摩擦拉塞焊接是一種固相連接和點連接技術手段，在空間修復焊接中潛力巨大，十分有必要發明功率小、重量輕、可靠性高、使用方便的空間焊接設備。

正如所知，攪拌摩擦焊接和摩擦拉塞焊接尚屬于先進的固相連接技術和修補焊接技術，該技術在設備小型化方面和滿足真空、高低溫及失重環境的空間焊接方面，更是國內外一項全新領域，因此本發明所述的手持式雙功能旋轉摩擦焊接的方法和裝置具有填補國內外空白及提供一種基于先進固相焊接的現場焊接和修補工具利器的重大意義。本發明可滿足各種大型產品生產的先進焊接要求，具有功率小、重量輕、可靠性高、使用方便等特點，不僅可做地面手持焊接設備，更能適用于空間站在軌手持式焊接。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種小型化的、可滿足真空、高低溫及失重環境的空間焊接的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置及方法，用于先進固相焊接的現場焊接和缺陷修補。

本發明所提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置，包括：電動缸、機架)、杠桿組件、上下滑動組件；所述機架為各部件提供安裝接口，所述電動缸驅動杠桿組件，杠桿組件帶動上下滑動組件滑動，由上下滑動組件提供摩擦拉塞焊的軸向進給與軸向保持力，外源式自動夾頭固定摩擦拉塞釘。

進一步，所述杠桿組件包括：舌軸節、頜骨桿、銷軸、牽連軸)、滾針軸承及緊軸；電動缸通過所述銷軸與舌軸節、頜骨桿連接；頜骨桿為鱷魚嘴結構，牽連軸安裝于頜骨桿相對的一組牽連軸孔內；所述緊軸穿過頜骨桿上的緊軸孔后固定于機架上的緊軸孔；所述滾針軸承位于緊軸與頜骨桿之間。

進一步，所述上下滑動組件包括：電主軸、滑塊和滾動導軌；所述電主軸與牽連軸連接，牽連軸帶動電主軸相對機架滑動；所述滑塊安裝于機架，滾動導軌安裝于電主軸；滾動導軌沿滑塊滑動。

進一步，還包括：行走組件和力變向器，所述行走組件包括：墊板、底板、行走滾動導軌和行走滑塊；行走滾動導軌固定于機架表面，行走滑塊可以沿行走滾動導軌滑動，底板位于行走滑塊表面，墊板位于底板（20）表面，待焊接的母材位于墊板表面。

進一步，拔出銷軸時，電動缸與力變向器的輸入端連接，力變向器輸出端連接行走滑塊，實現攪拌摩擦焊接。

進一步，還包括：螺釘、螺母、螺栓；螺釘、螺母用于鎖止行走組件，螺栓用于鎖止頜骨架；當電動缸軸向進給完成后，松開螺釘、螺母解除行走鎖止，將螺栓擰高頂緊頜骨桿實現軸向進給鎖止，最后拔出銷軸，完成電動缸傳力路線的切換。

進一步，還包括：手控組件，所述手控組件包括控制按鈕和手把。

進一步，所述力變向器通過球體在一定曲率曲線槽內的自由滾動原理，改變與傳遞曲線切線方向輸入和輸出的力的方向。

進一步，所述電主軸包括：芯軸、前軸承、后軸承、由定子和轉子構成的永磁同步電機；所述前軸承和后軸承分別安裝在芯軸的前端和后端；所述永磁同步電機驅動所述前軸承和后軸承。

本發明還提供采用所述手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置的焊接方法，包括：電動缸驅動杠桿組件沿垂直方向運動，杠桿組件帶動電主軸沿垂直方向運動，實現摩擦拉塞焊。

進一步，包括：電主軸在垂直方向運動到預定位置后，松開螺釘、螺母解除行走鎖止，將螺栓擰高頂緊頜骨桿實現軸向進給鎖止，最后拔出銷軸，電動缸與力變向器連接，力變向器驅動行走組件沿水平方向運動，實現攪拌摩擦焊接。

本發明的優點包括：

第一，裝置采用高集成度、低能耗、緊湊式設計，重量、功率及尺寸。首先通過咀嚼仿生的高效杠桿組件進一步降低軸向動力源的載荷要求，其次通過精巧的變換裝置共用動力源，還通過設計高速、大軸向力及可急停的高效專用電主軸滿足工藝的多樣化需求，最后裝置設計中通過利用合理選擇材料及輕量化結構設計等手段減小重量指標。

第二，為了滿足真空、高低溫及失重環境的空間的應用要求，針對發熱較大的電主軸溫控方面采用主動溫控法，基于電機允許溫升不變的條件下，采用冷/熱流體介質循環法；另外在潤滑方面，替換了常規潤滑脂難以滿足高低溫、微重力和高真空三重環境的使用要求，而采用可熱真空環境下使用的美國 Braycote601ef系列真空環境專用潤滑脂；最后，本裝置通過地面模擬真空、高低溫及失重環境的方法驗證了上述可行性。

第三，本發明不僅可應用于空間環境，還可以應用與地面便攜式焊接。

附圖說明

圖1為本發明實施例提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置的結構圖；

圖2為本發明實施例提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置的立體結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置的機架結構示意圖；

圖4為本發明實施例提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置的頜骨桿結構示意圖；

圖5為本發明實施例提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置的自動夾頭的結構示意圖。

具體實施方式

下文中，結合附圖和實施例對本發明實施例作進一步闡述。

結合參考圖1和圖2，本發明實施例所提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置包括電動缸1、機架2、杠桿組件、上下滑動組件；所述機架2為各部件提供安裝接口，所述電動缸1驅動杠桿組件，杠桿組件帶動上下滑動組件滑動，由上下滑動組件提供摩擦拉塞焊的軸向進給與軸向保持力，外源式自動夾頭固定摩擦拉塞釘。還包括：手控組件，所述手控組件包括控制按鈕和手把。

所述電動缸1采用滾柱絲杠和內裝式電機直驅，可以提供較大的軸向力、靈敏的速度及高精度，滿足無傾角攪拌摩擦焊接對下壓量和大軸向力的需求。并通過其自帶的可編程邏輯控制器（PLC）編制相應工藝程序，并通過安裝在機架上的手把8和控制按鈕7實現焊接工具更換操控和焊接作業。

結合參考圖2和圖3，所述機架2為各部件提供安裝接口和空間，所述機頭架(2)采用有限元技術進行結構優化，以起到較好的減重效果，方便手持焊接操作，該機架采用鍛鋁LD10材料，通過數控銑削加工制造。

結合參考圖1和圖4，所述杠桿組件包括：舌軸節3、頜骨桿4、銷軸5、牽連軸9、滾針軸承12及緊軸13；電動缸1通過所述銷軸5與舌軸節3、頜骨桿4連接；頜骨桿4為鱷魚嘴結構，牽連軸9安裝于頜骨桿4相對的一組牽連軸孔內；所述緊軸13穿過頜骨桿4上的緊軸孔后固定于機架上的緊軸孔；所述滾針軸承12位于緊軸13與頜骨桿4之間。所述的頜骨桿利用有限元計算設計和輕質材料選型技術，以達到良好結構效率，解決設備所需大軸向力受力和設備總重量可手持的矛盾問題。本實施例中，通過頜骨桿4并利用杠桿原理的增力原理將直線運動拉壓力放大為旋轉摩擦焊接工藝所需的軸向力。

所述上下滑動組件包括：電主軸6、滑塊14和滾動導軌15；所述電主軸6與牽連軸9連接，牽連軸9帶動電主軸6相對機架2滑動；所述滑塊14安裝于機架2，滾動導軌15安裝于電主軸6；滾動導軌15沿滑塊滑動。電主軸通過外源式自動夾頭18固定焊接裝置，比如攪拌頭。滾動導軌與滑塊用于減小電主軸沿軸向運動時的摩擦力。

本發明實施例所提供的電主軸為新型高速大軸向力可急停電主軸，包括：芯軸、前軸承、前軸承冷卻套、前軸承座、前軸承壓蓋、定子、轉子、平衡盤、彈簧脹緊套、冷卻套、密封圈、后軸承、后軸承內壓蓋、后軸承擋圈、后軸承限位圈、后軸承座、后座、旋轉編碼器、電磁制動器和后蓋；前軸承冷卻套、前軸承座、前軸承壓蓋、定子、冷卻套、密封圈、后軸承內壓蓋、后軸承擋圈、后軸承限位圈、后軸承座、后座、后蓋等形成電主軸固定部件，并通過前軸承座和冷卻套的法蘭面以及軸與旋轉摩擦連接裝備的機體連接和固定；冷卻套套在定子外部，通過密封圈與定子上自帶的螺旋冷卻槽形成循環通道，并通過冷卻套的打斜孔將循環通道貫穿到前軸承冷卻套和前軸承座內部，使急停時受力和溫升最大的一對前軸承獲得最佳冷卻效果；通過前軸承的壓蓋、擋圈、限位圈等附件將前軸承固定在芯軸的前端，通過彈簧脹緊套的過盈配合將轉子固定在芯軸中部，通過后軸承壓蓋、擋圈、限位圈將后軸承固定在芯軸的后端，并與旋轉編碼器和電磁制動器形成電主軸轉動部件；旋轉編碼器用于轉速精確讀取和閉環控制，電磁制動器用于提供通過電磁開關量信號控制的輔助電主軸急停的機械制動力；電主軸轉動部件套在電主軸固定部件內部，并通過由定子和轉子構成的永磁同步電機驅動所述電主軸轉動部件及芯軸上的旋轉摩擦連接裝備的工具附件。

結合參考圖1，本發明所提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置還包括：行走組件和力變向器21，所述力變向器21通過球體在一定曲率曲線槽內的自由滾動原理，改變與傳遞曲線切線方向輸入和輸出的力的方向；所述行走組件包括：墊板19、底板20、行走滾動導軌16和行走滑塊17；行走滾動導軌16固定于機架表面，行走滑塊17可以沿行走滾動導軌16滑動，底板20位于行走滑塊17表面，墊板19位于底板20表面，待焊接的母材位于墊板19表面。 拔出銷軸5時，電動缸1與力變向器21的輸入端連接，力變向器輸出端連接行走滑塊17，實現攪拌摩擦焊接。在由摩擦拉塞焊切換為攪拌摩擦焊時，先由電動缸1驅動電主軸6到達軸向適當位置，當電動缸軸向進給完成后，松開螺釘 25、螺母 26解除行走鎖止，將螺栓31擰高頂緊頜骨桿4實現軸向進給鎖止，最后拔出銷軸5，完成電動缸傳力路線的切換。

參考圖1，本發明實施例所提供的手持式雙功能旋轉摩擦焊接裝置各部件之間，包括：型號為M3×5的螺釘10、大平墊11、型號為M10×40的螺釘22、型號為10的彈墊23、三角塊24、型號為M8×30的螺釘 25、型號為M8的螺母26、型號為M8×25的螺釘27、型號為8的彈墊28、型號為M2×8的螺釘29、型號為M8×290的自制長螺栓 30、型號為M5×40的螺栓31。

綜上，本發明選用輕型高速大軸向力可急停電主軸提供旋轉摩擦焊接；通過電動缸提供直線運動的精確驅動，以實現精確下壓量；通過如附圖4所示的頜骨桿并利用杠桿原理的增力原理將直線運動拉壓力放大為旋轉摩擦焊接工藝所需的軸向力功能；通過力變向器實現焊縫行走驅動。通過銷軸進行以上所述的工藝功能組合，該手持式雙功能旋轉摩擦焊接的方法和裝置可以分別完成摩擦拉塞焊和無傾角攪拌摩擦焊接兩個旋轉摩擦焊接功能。本發明工作時，利用力變向器將電動缸軸向進給運動轉換成焊縫行走運動，運動傳遞的切換通過銷軸插入實現，當電動缸軸向進給完成進給后，松開螺釘和螺母解除行走鎖止，將螺栓擰高頂緊頜骨桿實現軸向進給鎖止，最后拔出銷軸，完成電動缸傳力路線的切換，實現摩擦拉塞焊與攪拌摩擦焊接之間的切換。

本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬于本發明技術方案的保護范圍。