一种磁场可调区块化旋转磁场辅助静止轴肩搅拌摩擦装置

1.本发明专利涉及金属焊接加工领域，特别涉及到一种全新的搅拌摩擦焊接装置。


背景技术：

2.近年来，关于电磁作用下“磁控”焊接技术的研究，国内外研究学者更多的是将目光集中在将交变磁场应用于熔化焊接方面。中国专利cn201820827965.1公开了电磁辅助搅拌摩擦焊接高熔点合金的装备，包括电流加载单元、磁场加载单元和搅拌摩擦焊接单元，可实现在焊接过程中对焊接区域局部加载高密度脉冲电流和强磁场，搅拌摩擦焊接单元可实现搅拌摩擦焊接加工，在加工过程中，电流加载单元和磁场加载单元跟随搅拌头同步移动。中国专利cn201810472656.1 公开了电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，由液压驱动及控制单元，精密机械驱动及控制单元，电磁加载单元，试件夹持单元，信号检测单元，试件保护单元以及支撑单元组成。可实现电磁辅助下的搅拌摩擦焊接，以研究电场和磁场对焊接材料性能的影响。如上专利主要通过施加感应线圈，通过控制交变电流频率来控制磁场强度，这种方式需要添加辅助装置，对设备提出了更高的要求。
3.通过阅读大量国内外文献，发现“磁控”焊接技术在搅拌摩擦焊方面的应用报道极为少见。国内王洪铎等人在专利（申请号：cn 105728934 a）中提出一种电磁辅助搅拌摩擦焊装置及其细化晶粒的方法，但是该专利存在一些问题：1、从电学原理角度分析，该专利是给焊件两端加装导线让直流电完全通过焊缝区与磁场配合，但是在实际实施过程中，电流总会沿着电阻较小的方向流动，该专利没有考虑到焊缝区与母材之间的电阻率的不同，原理上行不通；2、同时整个焊接操作平台均为导电材料，工件中间通直流电存在安全隐患；直流导线之间施加恒定磁场，会使导线产生一个方向的力，不能够对焊缝金属进行均匀搅拌。3、从磁学原理角度分析，该专利给焊缝两端施加同名磁极目的是在焊缝对接面产生密集磁感线，但是根据同名磁极相互排斥原理，越靠近工件磁感线越向两边分布，达不到磁通在焊缝中心的聚集效果。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本技术提供了一种磁场可调区块化旋转磁场辅助静止轴肩搅拌摩擦装置，克服了现有技术中直流导线之间施加恒定磁场，会使导线产生一个方向的力，且焊缝区与母材之间的电阻率的不同，而带来的外加电流不能均衡到达目标处致使对焊缝金属不能进行均匀搅拌，导致焊接效果差。因现有技术对焊接区域局部加载高密度电流和强磁场，带来的增加焊接辅助装以及在工件两端施加电场产生不安全因素；焊接时在工件焊缝的下方增加异名强磁体解决电磁汇集效果差。
5.为达到上述目的，本技术是通过以下技术方案来实现的：本技术所述的一种磁场可调区块化旋转磁场辅助静止轴肩搅拌摩擦装置包括：旋转主轴、夹紧装置、搅拌头、冷却系统和焊接工作台，所述旋转主轴为空心结构，所述搅拌头通过夹紧装置安装于电机主轴的空心内腔中，所述的搅拌头由导磁材料制成，所述搅拌头
包括：搅拌头主体、轴肩和搅拌针，所述搅拌头主体上端为夹紧用的夹持部，所述夹持部下方套设有强力磁环的磁场调节装置，所述磁场调节装置下方的轴肩处套设有辅助静止轴肩装置，所述搅拌针贯穿通过辅助静止轴肩装置的底部通孔对焊接工作台上装夹的焊接母材工件进行搅拌焊接，所述搅拌针为棱台状结构，所述棱台状结构由棱台坡面和棱台端面组成，所述棱台坡面与搅拌针中心轴线形成θ坡角，所述棱台端面单侧向内开设弱磁槽，所述旋转主轴高速旋转带动套设有强力磁环的搅拌头高速旋转，形成以所述搅拌针中心为轴及以所述棱台坡面和棱台端面为旋转面的区块化非对称分布的旋转磁场。
6.本技术进一步改进在于：所述棱台状结构为正五棱台状结构，所述的棱台坡面与导磁搅拌针中心轴线形成θ坡角为20
°‑
60
°
，所述棱台端面顶点最大距离为焊接板材厚度的4-6倍，所述弱磁槽深度设为焊接板材厚度1-4倍的矩形结构。
7.本技术进一步改进在于：所述辅助静止轴肩装置包括轴肩套筒、压力传感器、电机套筒和螺母，所述轴肩套筒上端面设有2根以上对称分布的刚性连杆，所述轴肩套筒下端面设有多台阶结构轴肩端部，所述的轴肩套筒底面几何中心设有穿套搅拌针的底部通孔，所述压力传感器安装在刚性连杆的上端凸台部，所述的刚性连杆上端部通过螺母固定于电机套筒上相对于电机旋转主轴静止不动，所述的压力传感器实时采集静止轴肩套筒在焊接过程的轴向受力情况信号进行上传。
8.本技术进一步改进在于：所述磁场调节装置包括依次由套装在夹持部下方的第一弹簧，环形滑轨、隔磁套、强力磁环、支撑板和第二弹簧组成，所述的第二弹簧安装在支撑板 下端面与轴肩套筒的内筒底面之间， 所述支撑板上端面与强力磁环下端面之间配设有滚珠刚球用第一弹槽轨道和第二弹槽轨道，所述支撑板上设有电机推动杆，所述支撑板通过电机推动杆和步进电机一起固定在刚性连接杆上部内侧，所述的支撑板、环形滑轨与搅拌头活动连接，所述环形滑轨上嵌装有环形凸圈，所述的第一弹簧下端面套设在环形凸圈的外环侧面上，焊接时，所述支撑板和静止轴肩装置一起静止不动，所述强力磁环和隔磁套之间通过调节机构配作连接，所述强力磁环和隔磁套随搅拌头一起高速旋转，根据焊接需要，启动所述进步电机带动电机推杆推动或回抽支撑板从而改变强力磁环与搅拌针端面的距离来实现磁场强弱调节。
9.本技术进一步改进在于：调节机构是由所述搅拌头主体中间部位设有2个以上凸出齿部结构和在所述隔磁套、强力磁环上开设有与之相配的凹槽结构配作而成，所述的搅拌头主体和强力磁环之间活动连接，所述隔磁套安装于强力磁环上表面与强力磁环的外径相匹配。
10.本技术进一步改进在于：所述的冷却系统包括冷却装置、热电偶和温度传感器电性连接，所述的冷却装置安装在轴肩套筒下端，所述的热电偶安装于轴肩端部底面向上距离h处横向位置开设孔槽结构中，所述热电偶通过温度传感器收集温度数据上传，所述的距离h为2-5mm。
11.本技术进一步改进在于：所述焊接工作台面包括焊接平台和工件放置垫板，所述的垫板在工件焊接缝处开设有长凹槽结构，所述的凹槽中装有强磁条，并在所述强磁条表面装有与垫板上表面平齐的盖板。所述强磁条与搅拌头中的强力磁环的磁极相异放置。
12.本技术进一步改进在于：所述的第一弹簧和第二弹簧由刚性较好的非导磁材料制作，所述进步电机行程为第一弹簧和第二弹簧的最大形变量的3/4，所述的第二弹簧的劲度
系数是第二弹簧的2-5倍，所述强力磁环、垫板、由导磁性材料制成，所述的轴肩套筒、支撑板、滚珠刚球均为非导磁性材料制成。
13.本技术进一步改进在于：所述强力磁环更换不同磁场强度和/或调整所述电机旋转主轴转速，实现磁场强弱的变换调节。
14.本技术进一步改进在于：所述的调节机构由中空的搅拌头中间开设孔槽安嵌可控涨合结构自动调节与强力磁环和隔磁套的松紧配合。
15.该申请具有如下有益效果：1、强力磁环直接夹持在导磁搅拌针上磁化程度高，搅拌针设计为五棱台状，在焊缝内部形成以角度棱台坡面为基准的区块化分布旋转磁场，搅拌针端部开弱磁槽，高速旋转条件下利用不对称性改变磁通变化率，对固相焊接区域金属产生拖拽作用，对固相焊接区域加热、同时促进塑性金属的流动，无需更多的电磁辅助装置就能实现焊接材料的磁致塑性效应和电致效应，有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，加强焊件内部的机械搅拌作用，对焊缝金属进行均匀搅拌，促进塑化金属的流动，有效的消除接头根部未焊透缺陷，焊接效率与焊接接头综合性能得到显著提高；2、强力磁环与搅拌针端部距离具有可调性，通过压力传感器和热电偶实时数据监测综合判断作用于焊缝区域磁场强弱，通过进步电机的控制推动支撑板压缩或者回抽弹簧，进而调节强力磁环与导磁搅拌针端面的距离，改变磁化后导磁搅拌端面的磁场强弱。
16.3、由于静止轴肩与搅拌针是分体式结构，搅拌焊接过程中产生的热量是分散的，对搅拌针上的强力磁环影响不大，焊接操作时冷却装置对焊件进行即时喷水，避免焊接温度过高，达到强力磁环的居里点，避免造成磁场强度骤降，减小磁场能的损失。
17.4、强力磁条安装在导磁垫板下方，与导磁搅拌针端面配合形成异名磁极，有助于磁力线汇聚并穿过焊核区域，使得磁力线尽可能多得穿过待焊工，磁力线辅助搅拌头的机械搅拌作用。
18.5、更换不同强力磁环，或调用不同的电机转速而实现不同磁场强度调节；具有磁场能量输入响应快，这是一种全新的无源“磁控”焊接方法，安全性高。
附图说明
19.图1为一种磁场可调区块化旋转磁场辅助静止轴肩搅拌摩擦装置整体结构示意图。
20.图2为导磁搅拌针端部的示意图；图3为搅拌头整体结构示意图；图4为搅拌磁头、强力磁环、隔磁套组合的磁场调节结构示意图；图5为支撑板示意图；图6为环形滑轨截面示意图；附图标识说明：1-电机旋转主轴、2-夹紧装置、3-搅拌头、301-搅拌头主体、302-轴肩、303-搅拌针、304-夹持部、305-棱台状结构、306-棱台坡面、307-棱台端面、308-弱磁槽、310-凸出的齿部结构、4-冷却系统、401-冷却装置、402-热电偶、403-温度传感器、5-焊接工作台、501-焊接工作台、502-垫板、503-长凹槽结构、504-盖板、6-旋转磁场调节装置、601-调节结构、
7-辅助静止轴肩、701-轴肩套筒、702-刚性连接杆、703-轴肩端部、704-底部通孔、8-压力传感器、9-电机套筒、10-螺母、11-第一弹簧、12-环形滑轨、121-环形凸圈、13-隔磁套、14-强力磁环、141-第一弹槽轨道、15-支撑板、151-电机推动杆、152-第二弹槽轨道、16-第二弹簧、17-滚珠钢球、18-步进电机、19-强磁条。
具体实施方式
21.为了加深对本技术的理解，下面将结合附图对本技术作进一步详细描述，本实施例仅用于解释本技术，并不构成对本技术保护范围的限定。显然，所描述的实施例仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例均属于本技术保护范围。
22.如图1-6所示，本技术一种磁场可调区块化旋转磁场辅助静止轴肩搅拌摩擦装置实施例1，包括旋转主轴1、夹紧装置2、搅拌头3、冷却系统4和焊接工作台5，所述旋转主轴1为空心结构，所述搅拌头3通过夹紧装置2安装于电机主轴1的空心内腔中，所述的搅拌头3由导磁材料制成，所述搅拌头3包括：搅拌头主体301、轴肩302和搅拌针303，所述搅拌头主体301上端为夹紧用的夹持部304，其特征在于：所述夹持部304下方套设有强力磁环14的磁场调节装置6，所述磁场调节装置6下方的轴肩302处套设有辅助静止轴肩装置7，所述搅拌针303贯穿通过辅助静止轴肩装置7的底部通孔对焊接工作台5上装夹的焊接母材工件进行搅拌焊接，所述搅拌针303为棱台状结构305，所述棱台状结构305由棱台坡面306和棱台端面307组成，所述棱台坡面306与搅拌针303中心轴线形成θ坡角，所述棱台端面307单侧向内开设弱磁槽308，所述旋转主轴1高速旋转带动套设有强力磁环14的搅拌头3高速旋转，形成以所述搅拌针303中心为轴及以所述棱台坡面306和棱台端面307为旋转面的区块化非对称分布的旋转磁场；所述棱台状结构305为正五棱台状结构，所述的棱台坡面306与导磁搅拌针33中心轴线形成θ坡角为20
°‑
60
°
，所述棱台端面307顶点最大距离为焊接板材厚度的4-6倍，所述弱磁槽308深度设为焊接板材厚度1-4倍的矩形结构。搅拌针设计为棱台状及搅拌针端部开弱磁槽，在焊缝内部形成以角度棱台坡面和端面为基准的区块化非对称分布旋转磁场，高速旋转条件下利用不对称性改变磁通变化率，对固相焊接区域金属产生拖拽作用，使固相焊接区域加热同时促进塑性金属的流动，实现焊接材料的磁致塑性效应和电致效应，有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，加强焊缝内部金属的机械搅拌均匀作用，促进塑化金属的流动，消除接头根部未焊透缺陷。
23.更优选的：所述辅助静止轴肩装置7包括：轴肩套筒701、压力传感器8、电机套筒9和螺母10，所述轴肩套筒701上端面设有2根以上对称分布的刚性连杆702，所述轴肩套筒701下端面设有多台阶结构轴肩端部703，所述的轴肩套筒701底面几何中心设有穿套搅拌针303的底部通孔704，所述压力传感器8安装在刚性连杆702的上端凸台部，所述的刚性连杆702上端部通过螺母10固定于电机套筒9上相对于电机旋转主轴1静止不动，所述的压力传感器8实时采集静止轴肩套筒701在焊接过程的轴向受力情况信号进行上传。由于多台阶结构静止轴肩与搅拌针是分体式结构，搅拌焊接过程中产生的热量是分散的，减小焊接升温对搅拌针上的强力磁环影响；轴肩套筒下端安装热电偶冷却装置，便于收集焊接中的实时情况进行综合判断。
24.更优选的：所述磁场调节装置6包括：依次由套装在夹持部下方的第一弹簧11，环
形滑轨12、隔磁套13、强力磁环14、支撑板15和第二弹簧16组成，所述的第二弹簧16安装在支撑板 15下端面与轴肩套筒701的内筒底面之间， 所述支撑板15上端面与强力磁环14下端面之间配设有滚珠刚球17用第一弹槽轨道(141)和第二弹槽轨道152，所述支撑板15上设有电机推动杆151，所述支撑板15通过电机推动杆151和步进电机18一起固定在刚性连接杆702上部内侧，所述的支撑板15、环形滑轨12与搅拌头3活动连接，所述环形滑轨12上嵌装有环形凸圈121，所述的第一弹簧11下端面套设在环形凸圈121的外环侧面上，焊接时，所述支撑板15和静止轴肩装置7一起静止不动，所述强力磁环14和隔磁套13)与搅拌头3之间通过调节机构601配作连接，所述强力磁环14和隔磁套13随搅拌头3一起高速旋转，根据焊接需要，启动所述进步电机15带动电机推杆151推动或回抽支撑板15从而改变强力磁环14与搅拌针303端面的距离来实现磁场强弱调节。环形滑轨上嵌装有环形凸圈对第一弹簧起到导向作用，其中滚珠刚球和弹槽轨道的应用让强力磁体随搅拌头高速旋转阻力减小，转动更顺畅灵活。弹簧的应用使调控搅拌针端部磁场复位可靠。
25.更优选的：调节机构601是由所述搅拌头主体301中间部位设有2个以上凸出齿部结构310和在所述隔磁套13、强力磁环14上开设有与之相配的凹槽结构配作而成，所述的搅拌头主体301)与隔磁套13和强力磁环14之间活动连接，所述隔磁套13安装于强力磁环14上表面与强力磁环14的外径相匹配。搅拌头主体设有2个以上凸出齿部结构，使强力磁环有效的随搅拌头作高速旋转，隔磁套起到隔磁的效果，能够避免强力磁环引发的强磁场对电机内部线路的影响，保证电机内部正常运行。
26.更优选的：所述的冷却系统4包括：冷却装置401、热电偶402和温度传感器403电性连接，所述的冷却装置401安装在轴肩套筒701下端，所述的热电偶402安装于轴肩端部703底面向上距离h处横向位置开设孔槽结构中，所述热电偶402通过温度传感器收集温度数据上传，所述的距离h为2-5mm。
27.焊接操作时冷却装置对焊件进行即时喷水，避免焊接温度过高，达到强力磁环的居里点，避免造成磁场强度骤降，减小磁场能的损失。
28.更优选的：所述焊接工作台面5包括：焊接平台501和工件放置垫板502，所述的垫板502在工件焊接缝处开设有长凹槽结构503，所述的凹槽503中装有强磁条19，并在所述强磁条19表面装有与垫板502上表面平齐的盖板504。所述强磁条19与搅拌头3中的强力磁环14的磁极相异放置。导磁垫板下方安装有与强磁条异名磁极，加强磁力线在焊缝处的汇聚效果，加强焊核区塑性金属机械搅拌，促进塑化金属流动。
29.更优选的：所述第一弹簧11和第二弹簧16由刚性较好的非导磁材料制作，所述进步电机18行程为第一弹簧11和第二弹簧16的最大形变量的3/4，所述的第二弹簧16的劲度系数是第二弹簧11的2-5倍，所述强力磁环14、垫板502、由导磁性材料制成，所述的轴肩套筒701、支撑板15、滚珠刚球17均为非导磁性材料制成。
30.更优选的：所述强力磁环14更换不同磁场强度和/或调整所述电机旋转主轴1转速，实现磁场强弱的变换调节。根据具体的工艺参数，选择不同强度的强力磁环，该装置磁场强度调整方便易于更换。
31.更优选的实施例2：所述的调节机构601由中空的搅拌头3中间开设孔槽安嵌可控涨合结构自动调节与强力磁环13和隔磁套14的松紧配合，其他结构同实施例1或3。
32.更优选的实施例3：所述的搅拌针棱台结构设为三棱台结构，所述棱台结构端面弱
磁槽开设圆形或椭圆形等结构，其他结构同实施例1或2。
33.该磁场可调区块化旋转磁场辅助静止轴肩搅拌摩擦装置主要运行步骤：sp1、安装搅拌头:先将强力磁环配装入隔磁套中，再将其套装入搅拌头主体的调节机构处，在调节机构配作处间隙内填充石墨，将第一弹簧套设在环形滑轨的环形凸圈外环面，然后一起套装在隔磁套上方，通过夹紧装置将夹持部固定在电机主轴空心内腔中；sp2、安装静止轴肩套筒和磁场调节装置：将进步电机分别安装于轴肩套筒的刚性连杆内侧，将支撑板分别与步进电机相连接，从搅拌头下端依次穿装支撑板、第二弹簧、轴肩套筒的底部通孔，将压力传感器安装在刚性连杆端部台阶处，刚性连杆上端部通过螺母固定在电机套筒上相对于电机旋转主轴静止不动，在轴肩套筒下端安装热电偶和冷却装置；sp3、焊接工台准备：将强磁条安装于垫板的凹槽内，所安装的强磁条的磁极与搅拌头主体上套装强力磁环的磁极相异放置，然后在强力磁条上部覆盖安装好铁盖板，将安装好的导磁垫板放置到工作支持台面上，焊接工件用压紧装置安装在工作台面上；sp4、焊接时，启动电机调节导磁搅拌摩擦针的高度，在cnc控制面板中编辑所需焊接程序，启动焊机工作台，正式开始焊接，同时启动冷却装置，搅拌针插入到焊缝中，随着主轴的高速旋转对焊缝周围的金属进行搅拌，通过静止轴肩的辗压，促使被搅拌的焊缝中的金属材料形成致密的焊缝。
34.sp5：根据压力传感器和热电偶显示的实时数据综合考虑，启动步进电机调节强力磁环与导磁搅拌针端面的距离，改变导磁搅拌端面的磁场强度，调节导磁搅拌针的磁化程度；或更换不同强度和/或调整所述电机主轴旋转速度，实现磁场强弱的变换调节。
35.本技术的运行原理如下：搅拌针棱台状结构、底面设有弱磁槽和套装在其上的强力磁环，基于高转速形成以导磁搅拌针中心为轴的区块化分布的旋转变化磁场，在焊缝处产生高速旋转变化的磁通，配合焊接工作台下方的极性相异的强磁条的形成的静磁场对上方磁场的汇集效应，保证磁感线穿过焊缝区域，在焊缝内部形成变化的电磁力，对固相焊接区域金属产生拖拽作用，使固相焊接区域加热、同时促进塑性金属的流动，实现焊接材料的磁致塑性效应和电致效应，有利于辅助搅拌摩擦焊加速焊接材料发生塑性变形，加强焊件内部金属的均匀搅拌作用，促进塑化金属的流动，有效的消除接头根部未焊透缺陷，形成综合性能优良的焊接接头。
36.本技术的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本技术的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本技术的精神，都在本申主的保护范围内。