一种复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统

技术领域

本发明涉及一种金属螺柱焊接系统，特别是一种复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统。

背景技术

金属螺柱焊接是实现将金属螺柱或其它类似螺柱的杆件焊接到另一工件的过程。通常实现金属螺柱焊接过程的主要有电弧螺柱焊接系统、电阻焊接系统、摩擦焊接系统等，电弧螺柱焊接系统具有全截面焊接、高效高质的特点，在汽车车辆制造、机械制造、造船工程、桥梁建筑工程、电力电站、交通运输、石化能源工程和装饰装修业等工业部门得到广泛应用。但是，普通电弧螺柱焊、电容储能电弧螺柱焊要求螺柱顶部带有电弧放电尖端，该尖端和金属基体之间由焊接电源供电产生瞬间电弧，熔化尖端并在压力作用下形成焊接接头，不适用于空心金属螺柱焊接。并且由于电弧热源能量的限制，电弧螺柱焊接不能焊接如直径10mm以上铝制螺柱、直径25mm以上钢制螺柱等中大直径的螺柱。

对于某些不适宜用螺柱焊接系统来完成焊接的金属螺柱，通常可用手工电弧焊、钨极氩弧焊、半自动熔化极气体保护焊等与另一工件进行焊接。手工电弧焊是采用手工运送电焊条、手工绕螺柱旋转一周对螺柱外圆实施焊接的工艺；钨极氩弧焊与手工电弧焊方法类似，也采用氩气保护的钨极电弧作为热源，手工运送焊丝、手工绕螺柱旋转一周对螺柱外圆实施焊接的工艺；半自动熔化极气体保护焊采用CO₂、Ar或Ar+CO₂混合气保护，由焊枪自动送进焊丝、手工移动焊枪一周对螺柱外圆实施焊接的工艺。手工电弧焊、钨极氩弧焊和半自动熔化极气体保护焊虽然具有焊接操作简单，广泛适用于焊接中大直径螺柱和空心金属螺柱等各种类型金属螺柱的优点，但都存在螺柱焊接结合面积少、强度相对较低、焊接内部存在缺陷、焊缝外观成形不好、效率低等缺点。

如在车辆车体内部和外部、船体船舱中、压力容器内壁和外壁以及其它领域中，广泛用钢制螺柱、铝制螺柱、不锈钢螺柱与金属基体焊接，目前对于空心金属螺柱或螺母的焊接通常应用手工电弧焊、钨极氩弧焊、半自动熔化极气体保护焊等，国外还针对小直径不锈钢螺母开发了旋转电弧螺柱焊，对于空心钢制螺柱、中大直径铝制螺柱和中大直径不锈钢空心金属螺柱的焊接目前尚无技术解决方案。又如特种车辆每台车有400-500个尺寸较大的圆形铝制螺柱或方形金属螺柱等螺柱型杆件，但电弧螺柱焊接系统只能焊接直径小于10mm而不能满足大直径的铝制螺柱或螺柱型杆件的焊接要求，大部分都采用常规熔化焊接方式，如钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊等。因此，存在因焊缝的内外在质量差、定位精度不够、焊接截面较小所带来强度较低、焊接效率也较低的问题。再如为连接火箭壳体上的螺柱，英国焊接研究所开发了摩擦螺柱焊接系统，解决了螺柱与火箭壳体的连接技术。摩擦螺柱焊已用于生产包含钢皮和混凝土核心的夹板式构件，也用于生产剪切连接器和终端平板加固条的大容量构件。摩擦螺柱焊接系统的另一项应用是近海设施的水下阳极附属物使用钢螺柱和电力连接铁路线。但是，这些摩擦螺柱焊接系统只能解决小直径螺柱，中大直径螺柱都不能直接焊接。

如何解决现有技术存在的不足，已成为当今金属螺柱焊接装备领域中亟待解决的一项重大难题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足而提供一种复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统，以提高金属螺柱特别是中大直径金属螺柱焊接的有效面积，增强界面结合强度和变形抗力，提高金属螺柱焊接效率等。

根据本发明提出的一种复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统，包括金属螺柱、金属基体、螺柱夹头，螺柱轴向位移装置，螺柱旋转装置，螺柱制动器，其特征在于设有螺柱外环、螺柱外环夹头，螺柱外环轴向位移装置，螺柱外环旋转装置，金属螺柱设置在螺柱外环轴心位置，螺柱夹头下端固联金属螺柱，螺柱外环夹头下端固联螺柱外环，金属基体设置于螺柱和螺柱外环底端面，螺柱轴向位移装置和螺柱旋转装置分别与螺柱夹头联结，螺柱外环轴向位移装置和螺柱外环旋转装置分别与螺柱外环夹头联结，螺柱制动器与螺柱夹头联结。本发明的金属螺柱是圆形实心金属螺柱、圆形空心金属螺柱或方形金属螺柱等形状的金属螺柱。

本发明的工作原理是：为解决金属螺柱特别是中大直径金属螺柱与金属基体直接摩擦产热不足的问题，本发明利用螺柱外环轴向位移和旋转装置直接驱动螺柱外环完成上下位移和旋转运动，可以控制螺柱外环与金属基体紧密接触并旋转摩擦产热达到其塑性温度区间，实现了螺柱外环与金属基体的大面积辅助摩擦预热来增加焊接总的热输入的目的；利用螺柱轴向位移和旋转装置直接驱动金属螺柱完成上下位移和旋转运动，用以控制金属螺柱与金属基体紧密接触并旋转摩擦产热，二种摩擦产热使得金属螺柱和金属基体的温度达到接触面材料的固相焊接温度区间；之后，驱动螺柱外环夹头提升螺柱外环到预定高度，再停止金属螺柱的旋转运动，驱动螺柱夹头对金属螺柱实施顶锻完成金属螺柱摩擦焊接。

本发明与现有技术相比其显著优点为：第一，采用复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统进行金属螺柱焊接，保留了固相焊接接头的优点，避免了接头熔化焊接产生的气孔、裂纹等缺陷，同时又解决了单一摩擦螺柱焊接系统只能焊接小螺柱问题；第二，采用复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统进行螺柱固相焊接，解决了高强、高硬材料螺柱焊接易于出现裂纹缺陷的难题；第三，通过螺柱外环与金属基体摩擦提供辅助预热热源，避免了中大直径螺柱焊接热量输入不足，高强高硬钢材、高强铝制材料焊接缺陷多、焊缝质量较差等问题，也避免了摩擦螺柱焊发热量不足和顶锻力较大的困难；第四，既解决了圆形实心金属螺柱、圆形空心金属螺柱或方形金属螺柱等形状的金属螺柱焊接难题，又实现了多种形状金属螺柱与金属基体的有效固相焊接。本发明特别适用于中大直径金属螺柱的焊接。

附图说明

图1本发明提出的一种复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统的结构示意图。

图2本发明提出的一种复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统的实施方式示意图。

图3本发明提出的用于圆形空心金属螺柱的复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统的结构示意图。

图4本发明提出的用于方形金属螺柱的复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统的结构示意图。

图5本发明提出的用于方形金属螺柱的复合摩擦热源的金属螺柱焊接系统结构的A-A剖面示意图。