一种细长件的摩擦焊接系统和方法与流程

本发明属于焊接技术领域，具体地说涉及一种细长件的摩擦焊接系统和方法。

背景技术：

摩擦焊技术以其极为优越的焊接质量和焊接性能，引起国内外国防、民用高端制造领域的高度重视，它具有焊接质量稳定、焊接缺陷少；焊件尺寸精度高、一致性好；适于焊接异种金属焊接；焊缝强度等于或高于母材强度；焊接生产效率高；焊前加工费用低，焊件无需特殊处理；易实现机械自动化，操作简单；焊接过程中不产生火花、弧光、烟尘及有毒有害气体。经过多年的积累和发展，现已发展出包括连续旋转摩擦焊、惯性摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊、轨道摩擦焊、搅拌摩擦焊等先进焊接方法。

其中连续旋转摩擦焊和惯性摩擦焊都属于旋转摩擦焊，焊接时旋转端工件高速旋转，使得旋转端焊件的长度受到限制；径向摩擦焊只适用于焊管件，且需要引入第三体及支撑环或支撑栓，对于焊接长管极为不便；线性摩擦焊主要仅局限于短的块体状零部件之间的焊接，且振动焊件必须整体作高频振动，无法进行细长件的摩擦焊接；轨道摩擦焊由于焊件需要整体做轨迹平动，对细长件非常困难；搅拌摩擦焊主要适用于薄件铝合金材料的焊接，不能用于细长件截面的摩擦焊接。在高速铁路轨道焊接的实际工程应用中，往往会有几米、几十米、几公里、几十公里的待焊工件，现有专利有申请号为201811087374.6的一种摆动摩擦焊接方法、申请号为200910147126.0的一种线性摩擦焊接设备、申请号201711031657.4的一种线性摩擦焊接设备均不能解决该问题，因为针对很长的待焊接细长件不能作为主动摩擦的整体被振对象，这样振动的驱动机构就要做得很大。

由于现有技术的局限性，迫切需要为解决较长的零部件或细长件摩擦焊的可焊性问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述不足之处提供一种细长件的摩擦焊接系统和方法，拟解决较长的零部件或细长件摩擦焊的可焊性等问题。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种细长件的摩擦焊接系统，包括待焊细长件、夹持件a、驱摆件、待焊件和夹持件b；所述夹持件a用于固定待焊细长件，并用于提供焊接反向顶锻力；所述夹持件a将待焊细长件分为左静止段和右摆动段；所述驱摆件将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述夹持件b用于固定待焊件，并用于提供焊接正向顶锻力；所述夹持件b将待焊件分为右静止段和左摩擦段；所述驱摆件用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接。由上述结构可知，夹持件a固定在待焊细长件一定位置，用于固定待焊细长件，限制待焊细长件各个方向的自由度或除靠近远离待焊件线性移动的其他自由度；夹持件a可以固定在一个平台上完全不动，这样的话焊接反向顶锻力就是抵抗待焊件主动抵向待焊细长件的力，夹持件a也可以固定在滑块上，随着滑块靠近夹持件b移动，这样的话焊接反向顶锻力就是待焊细长件主动抵向待焊件的端面的力；夹持件b固定在待焊件一定位置，用于固定待焊件，限制待焊件各个方向的自由度或除靠近远离待焊细长件线性移动的其他自由度；夹持件b可以固定在一个平台上完全不动，这样的话焊接正向顶锻力就是抵抗待焊细长件主动抵向待焊件的力，夹持件b也可以固定在滑块上，随着滑块靠近夹持件a移动，这样的话焊接正向顶锻力就是待焊件主动抵向待焊细长件的端面的力；夹持件a和夹持件b也可以分别固定在一个滑块上，共同做端面线性靠近运动；待焊件可以是细长件，可以不是细长的其他形状和长度的零件；夹持件a远离待焊细长件的焊缝端，所述夹持件a将待焊细长件分为左静止段和右摆动段，左静止段可以很长，但相对夹持件a处于静止状态；右摆动段长度根据待焊细长件材料的刚度、强度，韧性、塑性等机械性能确定，以保证右摆动段在焊接摩擦过程中及实施焊接顶锻时自身刚度不失稳；所述夹持件b将待焊件分为右静止段和左摩擦段；夹持件b尽量靠近待焊件的焊缝端，但左摩擦段长度要保证摩化量摩擦损耗量、顶锻量和飞边推凸行程、飞边推后存储空间足够，以保证待焊件在焊接过程中实施焊接顶锻时其自身不失稳和摩擦过程中其自身摩擦端部不发生影响焊接的扰动为准；所述驱摆件将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述驱摆件用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接；由于摩擦运动的振幅较小，一般是±0～20mm，通过科学计算，在振动过程中待焊细长件沿自身纵向的长度变化量仅为0～0.0125mm，在目前所有摩擦焊接应用中，这个量均可忽略不计。因此可以充分利用待焊细长件自身的弹性变形，做摆动并且具有最终自动复位趋势。驱摆件动力源可以用数控系统或液压油缸驱动；通过驱摆件，充分利用细长件的弹性变形，使待焊细长件待焊端面在驱摆件的带动下，作垂直竖向或水平横向弧线往复摆动或圆锥面平动或任意轨迹运动，从而实现焊接所需的摩擦运动，其中摆动方向也是任意方向均可，不仅限于上下，左右摆动方向。有效解决了现有焊接方法不能焊接细长件的问题。

进一步的，所述驱摆件驱动右摆动段竖向或横向或圆周摆动。

进一步的，所述右摆动段摆动频率和驱摆件振动频率相同。

进一步的，所述驱摆件和右摆动段接触部位滑动配合或滚动配合。摆动时右摆动段在中心线投影长度会变化，接触部位滑动配合或滚动配合不会对振动形成较大阻力。

进一步的，所述右摩擦段和左摩擦段的焊接端面均为平面。由上述结构可知，所述待焊细长件与待焊件的焊接面在焊前均为平面，不用加工成曲面，使得焊前焊接面的加工处理简单方便。原理是：在焊接初期，待焊细长件的焊接端面在待焊件的焊接端面上产生微小的“挖掘”现象。最后自适应形成摆动摩擦副的圆弧形摩擦焊接界面，使摩擦过程中两焊件的焊接端面密切贴合。

进一步的，所述右摩擦段的焊接端面偏离中心线的振幅不大于20mm。

进一步的，所述驱摆件做往复运动的频率不大于2000hz。

进一步的，所述夹持件a和/或夹持件b固定在滑台上，滑台沿着导轨或导柱带动夹持件a和/或夹持件b做相对靠近或远离线性移动。由上述结构可知，滑台可通过液压杆驱动运动，滑台沿着导轨或导柱线性移动。

进一步的，所述滑台通过液压杆驱动；所述驱摆件通过油缸体上的活塞杆带动驱摆件做往复运动。

一种细长件的摩擦焊接方法，采用上述所述的一种细长件的摩擦焊接系统，包括固定步骤、对位步骤、起振步骤和摩擦焊接步骤；所述固定步骤具体为：根据选取的待焊细长件，将夹持件a固定在待焊细长件一定位置，夹持件a左边为左静止段，右边为右摆动段，左静止段相对夹持件a静止，根据选取的待焊件，将夹持件b固定在待焊件一定位置，待焊件左边为左摩擦段，右边为右静止段，右静止段相对夹持件b静止；所述对位步骤具体为：将待焊细长件的待焊端面和待焊件的待焊端面进行对位，接触并对好后分开一定距离；所述起振步骤具体为：驱摆件在右摆动段一定位置施加摆动力，驱动右摆动段摆动，驱摆件左边为左渐弯段，右边为右摩擦段，夹持件a和夹持件b相对靠近，使右摩擦段和左摩擦段接触并保持一定顶锻力，开始摩擦；所述摩擦焊接步骤具体为：右摩擦段和左摩擦段接触后，驱摆件继续驱动右摆动段摆动，同时夹持件a和夹持件b相对继续靠近，右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦生热，使摩擦界面上的材料软化并挤出，当挤出量达到一定程度时，驱摆件快速停止驱动并使右摆动段复位，让右摩擦段和左摩擦段对位，夹持件a和夹持件b保持相对靠近的趋势，同时施加顶锻力，使右摩擦段和左摩擦段保压冷却连为一体。由上述结构可知，本方法不同于现有技术的常规线性摩擦焊接的直线往复振动方式；也不同于圆弧往复运动的角向振动方式，待焊细长件与待焊件的待焊端面相互接触且保持摩擦正压力，在摩擦作用下产热量，使摩擦界面材料软化，并挤出形成飞边，达到设定缩短量后，驱摆件快速停止驱动并使右摆动段复位，让右摩擦段和左摩擦段对位，顶锻保压冷却，所述待焊细长件与待焊件焊接在一起，推凸机构动作，推掉焊缝沿周的飞边，留下一定的打磨余量，松开相关夹紧装置，释放焊件，完成焊接过程。尤其适用于细长件的摩擦焊接，解决了现有摩擦焊技术和设备不能焊接细长件的技术问题。本发明拓宽了摩擦焊接技术的应用领域范围，设备结构简单，操作简便、维修简单。

本发明的有益效果是：

1.本发明公开了一种细长件的摩擦焊接系统和方法，属于焊接技术领域，包括待焊细长件、夹持件a、驱摆件、待焊件和夹持件b；所述夹持件a用于固定待焊细长件，并用于提供焊接反向顶锻力；所述夹持件a将待焊细长件分为左静止段和右摆动段；所述驱摆件将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述夹持件b用于固定待焊件，并用于提供焊接正向顶锻力；所述夹持件b将待焊件分为右静止段和左摩擦段；所述驱摆件用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接。本发明的一种细长件的摩擦焊接系统和方法，能够解决较长的零部件或细长件摩擦焊的可焊性问题。

附图说明

图1是本发明一种细长件的摩擦焊接系统的竖向摆动结构示意图；

图2是本发明一种细长件的摩擦焊接系统的圆周摆动结构示意图；

附图中：1-夹持件a、2-待焊细长件、3-驱摆件、4-夹持件b、5-待焊件。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步详细说明，但是本发明不局限于以下实施例。

实施例一：

见附图1～2。一种细长件的摩擦焊接系统，包括待焊细长件2、夹持件a1、驱摆件3、待焊件5和夹持件b4；所述夹持件a1用于固定待焊细长件2，并用于提供焊接反向顶锻力；所述夹持件a1将待焊细长件2分为左静止段和右摆动段；所述驱摆件3将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述夹持件b4用于固定待焊件5，并用于提供焊接正向顶锻力；所述夹持件b4将待焊件5分为右静止段和左摩擦段；所述驱摆件3用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接。由上述结构可知，夹持件a1固定在待焊细长件2一定位置，用于固定待焊细长件2，限制待焊细长件2各个方向的自由度或除靠近远离待焊件5线性移动的其他自由度；夹持件a1可以固定在一个平台上完全不动，这样的话焊接反向顶锻力就是抵抗待焊件5主动抵向待焊细长件2的力，夹持件a1也可以固定在滑块上，随着滑块靠近夹持件b4移动，这样的话焊接反向顶锻力就是待焊细长件2主动抵向待焊件5的端面的力；夹持件b4固定在待焊件5一定位置，用于固定待焊件5，限制待焊件5各个方向的自由度或除靠近远离待焊细长件2线性移动的其他自由度；夹持件b4可以固定在一个平台上完全不动，这样的话焊接正向顶锻力就是抵抗待焊细长件2主动抵向待焊件5的力，夹持件b4也可以固定在滑块上，随着滑块靠近夹持件a1移动，这样的话焊接正向顶锻力就是待焊件5主动抵向待焊细长件2的端面的力；夹持件a1和夹持件b4也可以分别固定在一个滑块上，共同做端面线性靠近运动；待焊件5可以是细长件，可以不是细长的其他形状和长度的零件；夹持件a1远离待焊细长件2的焊缝端，所述夹持件a1将待焊细长件2分为左静止段和右摆动段，左静止段可以很长，但相对夹持件a1处于静止状态；右摆动段长度根据待焊细长件2材料的刚度、强度，韧性、塑性等机械性能确定，以保证右摆动段在焊接摩擦过程中及实施焊接顶锻时自身刚度不失稳；所述夹持件b4将待焊件5分为右静止段和左摩擦段；夹持件b4尽量靠近待焊件5的焊缝端，但左摩擦段长度要保证摩化量摩擦损耗量、顶锻量和飞边推凸行程、飞边推后存储空间足够，以保证待焊件5在焊接过程中实施焊接顶锻时其自身不失稳和摩擦过程中其自身摩擦端部不发生影响焊接的扰动为准；所述驱摆件3将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述驱摆件3用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接；由于摩擦运动的振幅较小，一般是±0～20mm，通过科学计算，在振动过程中待焊细长件2沿自身纵向的长度变化量仅为0～0.0125mm，在目前所有摩擦焊接应用中，这个量均可忽略不计。因此可以充分利用待焊细长件2自身的弹性变形，做摆动并且具有最终自动复位趋势。驱摆件3动力源可以用数控系统或液压油缸驱动；通过驱摆件3，充分利用细长件的弹性变形，使待焊细长件2待焊端面在驱摆件3的带动下，作垂直竖向或水平横向弧线往复摆动或圆锥面平动或任意轨迹运动，从而实现焊接所需的摩擦运动，其中摆动方向也是任意方向均可，不仅限于上下，左右摆动方向。有效解决了现有焊接方法不能焊接细长件的问题。

实施例二：

见附图1～2。一种细长件的摩擦焊接系统，包括待焊细长件2、夹持件a1、驱摆件3、待焊件5和夹持件b4；所述夹持件a1用于固定待焊细长件2，并用于提供焊接反向顶锻力；所述夹持件a1将待焊细长件2分为左静止段和右摆动段；所述驱摆件3将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述夹持件b4用于固定待焊件5，并用于提供焊接正向顶锻力；所述夹持件b4将待焊件5分为右静止段和左摩擦段；所述驱摆件3用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接。由上述结构可知，夹持件a1固定在待焊细长件2一定位置，用于固定待焊细长件2，限制待焊细长件2各个方向的自由度或除靠近远离待焊件5线性移动的其他自由度；夹持件a1可以固定在一个平台上完全不动，这样的话焊接反向顶锻力就是抵抗待焊件5主动抵向待焊细长件2的力，夹持件a1也可以固定在滑块上，随着滑块靠近夹持件b4移动，这样的话焊接反向顶锻力就是待焊细长件2主动抵向待焊件5的端面的力；夹持件b4固定在待焊件5一定位置，用于固定待焊件5，限制待焊件5各个方向的自由度或除靠近远离待焊细长件2线性移动的其他自由度；夹持件b4可以固定在一个平台上完全不动，这样的话焊接正向顶锻力就是抵抗待焊细长件2主动抵向待焊件5的力，夹持件b4也可以固定在滑块上，随着滑块靠近夹持件a1移动，这样的话焊接正向顶锻力就是待焊件5主动抵向待焊细长件2的端面的力；夹持件a1和夹持件b4也可以分别固定在一个滑块上，共同做端面线性靠近运动；待焊件5可以是细长件，可以不是细长的其他形状和长度的零件；夹持件a1远离待焊细长件2的焊缝端，所述夹持件a1将待焊细长件2分为左静止段和右摆动段，左静止段可以很长，但相对夹持件a1处于静止状态；右摆动段长度根据待焊细长件2材料的刚度、强度，韧性、塑性等机械性能确定，以保证右摆动段在焊接摩擦过程中及实施焊接顶锻时自身刚度不失稳；所述夹持件b4将待焊件5分为右静止段和左摩擦段；夹持件b4尽量靠近待焊件5的焊缝端，但左摩擦段长度要保证摩化量摩擦损耗量、顶锻量和飞边推凸行程、飞边推后存储空间足够，以保证待焊件5在焊接过程中实施焊接顶锻时其自身不失稳和摩擦过程中其自身摩擦端部不发生影响焊接的扰动为准；所述驱摆件3将右摆动段分为左渐弯段和右摩擦段；所述驱摆件3用于驱动右摆动段摆动，使右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦焊接；由于摩擦运动的振幅较小，一般是±0～20mm，通过科学计算，在振动过程中待焊细长件2沿自身纵向的长度变化量仅为0～0.0125mm，在目前所有摩擦焊接应用中，这个量均可忽略不计。因此可以充分利用待焊细长件2自身的弹性变形，做摆动并且具有最终自动复位趋势。驱摆件3动力源可以用数控系统或液压油缸驱动；通过驱摆件3，充分利用细长件的弹性变形，使待焊细长件2待焊端面在驱摆件3的带动下，作垂直竖向或水平横向弧线往复摆动或圆锥面平动或任意轨迹运动，从而实现焊接所需的摩擦运动，其中摆动方向也是任意方向均可，不仅限于上下，左右摆动方向。有效解决了现有焊接方法不能焊接细长件的问题。

所述驱摆件3驱动右摆动段竖向或横向或圆周摆动。

所述右摆动段摆动频率和驱摆件3振动频率相同。

所述驱摆件3和右摆动段接触部位滑动配合或滚动配合。摆动时右摆动段在中心线投影长度会变化，接触部位滑动配合或滚动配合不会对振动形成较大阻力。

所述右摩擦段和左摩擦段的焊接端面均为平面。由上述结构可知，所述待焊细长件2与待焊件5的焊接面在焊前均为平面，不用加工成曲面，使得焊前焊接面的加工处理简单方便。原理是：在焊接初期，待焊细长件2的焊接端面在待焊件5的焊接端面上产生微小的“挖掘”现象。最后自适应形成摆动摩擦副的圆弧形摩擦焊接界面，使摩擦过程中两焊件的焊接端面密切贴合。

所述右摩擦段的焊接端面偏离中心线的振幅不大于20mm。

所述驱摆件3做往复运动的频率不大于2000hz。

所述夹持件a1和/或夹持件b4固定在滑台上，滑台沿着导轨或导柱带动夹持件a1和/或夹持件b4做相对靠近或远离线性移动。由上述结构可知，滑台可通过液压杆驱动运动，滑台沿着导轨或导柱线性移动。

所述滑台通过液压杆驱动；所述驱摆件3通过油缸体上的活塞杆带动驱摆件3做往复运动。

实施例三：

见附图1～2。一种细长件的摩擦焊接方法，采用如上述所述的一种细长件的摩擦焊接系统，包括固定步骤、对位步骤、起振步骤和摩擦焊接步骤；所述固定步骤具体为：根据选取的待焊细长件2，将夹持件a1固定在待焊细长件2一定位置，夹持件a1左边为左静止段，右边为右摆动段，左静止段相对夹持件a1静止，根据选取的待焊件5，将夹持件b4固定在待焊件5一定位置，待焊件5左边为左摩擦段，右边为右静止段，右静止段相对夹持件b4静止；所述对位步骤具体为：将待焊细长件2的待焊端面和待焊件5的待焊端面进行对位，接触并对好后分开一定距离；所述起振步骤具体为：驱摆件3在右摆动段一定位置施加摆动力，驱动右摆动段摆动，驱摆件3左边为左渐弯段，右边为右摩擦段，夹持件a1和夹持件b4相对靠近，使右摩擦段和左摩擦段接触并保持一定顶锻力，开始摩擦；所述摩擦焊接步骤具体为：右摩擦段和左摩擦段接触后，驱摆件3继续驱动右摆动段摆动，同时夹持件a1和夹持件b4相对继续靠近，右摩擦段的焊接端面和左摩擦段的焊接端面摩擦生热，使摩擦界面上的材料软化并挤出，当挤出量达到一定程度时，驱摆件3快速停止驱动并使右摆动段复位，让右摩擦段和左摩擦段对位，夹持件a1和夹持件b4保持相对靠近的趋势，同时施加顶锻力，使右摩擦段和左摩擦段保压冷却连为一体。由上述结构可知，本方法不同于现有技术的常规线性摩擦焊接的直线往复振动方式；也不同于圆弧往复运动的角向振动方式，待焊细长件2与待焊件5的待焊端面相互接触且保持摩擦正压力，在摩擦作用下产热量，使摩擦界面材料软化，并挤出形成飞边，达到设定缩短量后，驱摆件3快速停止驱动并使右摆动段复位，让右摩擦段和左摩擦段对位，顶锻保压冷却，所述待焊细长件2与待焊件5焊接在一起，推凸机构动作，推掉焊缝沿周的飞边，留下一定的打磨余量，松开相关夹紧装置，释放焊件，完成焊接过程。尤其适用于细长件的摩擦焊接，解决了现有摩擦焊技术和设备不能焊接细长件的技术问题。本发明拓宽了摩擦焊接技术的应用领域范围，设备结构简单，操作简便、维修简单。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。