一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置的制作方法

本发明涉及一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，尤其涉及一种用于制造工业数字化、智能化的机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置。

背景技术：

1、搅拌摩擦焊主要通过带有搅拌针和轴肩的搅拌头与被焊接工件摩擦产生大量的摩擦热使焊缝材料软化，进而达到热塑性状态，产生塑性流动而实现固相连接。对于角焊缝而言，旋转的轴肩会与焊缝两侧的材料发生干涉，无法进行焊接。静轴肩搅拌摩擦焊的轴肩与搅拌针是分体结构，焊接过程中，轴肩不发生旋转，旋转的搅拌针与被焊材料进行摩擦。因此，可以通过设计特殊结构的静轴肩与搅拌针，实现角焊缝的搅拌摩擦焊。

2、现有技术的静轴肩搅拌摩擦焊主要应用于平面焊缝，如其主要目的是减小焊接热输入，消除焊接弧纹、提高表面光洁度。这种轴肩直径较大，无法满足角焊缝的焊接需求。t型接头的搅拌摩擦焊可以通过搭接的形式实现，但其仍为常规的搅拌摩擦焊方法，焊缝尺寸较大、热输入较高，难以实现全焊透，焊接质量和接头强度较低，且对工件的装配形式和厚度上都要求苛刻。

3、对于t型接头内侧角焊缝搅拌摩擦焊，公开号为cn109202271a的专利申请公开了一种静轴肩填丝搅拌摩擦焊装置及角焊缝增材制造方法、cn107160030a公开了一种静轴肩搅拌摩擦焊的静轴肩装置及增材制造方法、cn114619054a公开了一种摩擦增材设备及其方法与产品，这三个专利是将焊丝直接搅拌至焊接件中，未实现机器人搅拌焊，对应增材制造也只局限于角接焊缝，并未详细设计相关搅拌头，也未提出固相增材方式，发明人通过试验发现，直接使用焊丝增材搅拌摩擦焊容易出现缺陷，用于角焊缝容易出现堵丝现象，不适合推广使用。

4、搅拌摩擦增材制造技术作为一种新生的增材制造技术，衍生于搅拌摩擦焊，目前，搅拌摩擦增材制造，根据制造工艺过程特点分为3种典型模式，即：板材叠加、摩擦堆焊沉积及中空棒料摩擦沉积。cn114799480a公开了一种同步不间断送丝全固相搅拌摩擦增材制造方法与装置，该专利是将丝状增材原料通过多个进丝通道同步不间断进给到进丝装置内部储料腔与搅拌摩擦装置上的碎料刀片之间的空间中，随后经过搅拌摩擦装置上的碎料刀片粉碎成颗粒状的增材原料沿着螺杆部向下运动积累，随着搅拌摩擦装置的不断旋转，颗粒状增材原料不断热塑化，热塑化态下的增材原料经过搅拌摩擦装置下方的多个凸台结构搅拌混合处理，实现固相增材制造。该专利并未给出增材搅拌摩擦焊结构，关于送丝结构等都未体现，该专利的储料腔很小且直接连接于搅拌针前段，根本不能实现增材效果，并未集成使用机器人焊接单元，该专利未体现同步的原则，直接使用推拉送丝机构进行送丝，送丝更稳定更方便，发明人通过试验发现只有凸台，不能实现增材制造，需要在搅拌针的端面设有螺旋槽汇聚料。

5、运用机器人进行焊接和增材制造的方式现已很普遍，但基于重装机器人的搅拌摩擦焊增材制造很少，cn115467569a公开了一种机器人连续送丝搅拌摩擦增材装置及曲面增材方法，该专利只给出了装置大体框架，并未结合航天件实际生产进行详细设计，针对送丝机的选型、送丝的方式、送丝机构的固定、焊丝切削和送料都未进行详细工程设计，未根据实际试验选用推拉送丝机，对于航天铝合金焊接及增材，机器人的负载至少大于1吨，该增材制造装置未提出增材搅拌摩擦焊接功能，相比实际工程运用未提供相应的合理结构发明设计。

6、综上所述，针对航空航天轻质铝合金件的制造，现有技术无法解决小批量多品种搅拌摩擦焊和固相增材制造的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，实现航空航天高性能清洁制造，解决小批量柔性搅拌摩擦焊接的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：

3、一种机器人填丝搅拌摩擦焊和固相增材装置，包括机器人、设于机器人上的机器人搅拌摩擦焊主轴、主轴控制装置、工控机、机器人控制装置、焊接工作台、推拉送丝机，所述主轴控制装置用于控制机器人搅拌摩擦焊主轴，所述机器人控制装置用于控制机器人，工控机用于机器人搅拌焊焊接程序编制、焊接参数设定、焊接过程数据监控、焊接数据存储及提取、任务接收和交付，焊接工艺放错指导、异常提醒和提供解决方式介绍等，所述机器人搅拌摩擦焊主轴包括搅拌焊主轴、转接套、刀柄、锁紧固定套和搅拌头，

4、所述搅拌头包括搅拌针和静轴肩，搅拌针安装在刀柄上，静轴肩固定在转接套上，转接套通过螺钉固定在搅拌焊主轴的外壳体，刀柄安装在搅拌焊主轴的中心旋转轴上，搅拌焊主轴通过刀柄带动搅拌针旋转焊接，静轴肩和搅拌针之间形成一个粉碎环腔；

5、所述搅拌头选自填丝焊接搅拌头或填丝增材搅拌头，填丝增材搅拌头的搅拌针针头包括端面螺旋槽和高温合金齿；

6、所述静轴肩的侧面设置有送丝孔，焊丝通过送丝孔进入粉碎环腔，在粉碎环腔中焊丝被搅拌针的螺旋铣刀粉碎，细小颗粒焊丝通过搅拌针的导料螺纹送至搅拌针的搅拌针头焊接工作区。

7、作为优选方式，所述搅拌焊主轴的外壳体上固定有送丝头，送丝头与送丝管线连接，焊丝通过送丝头和送丝管线送入粉碎环腔，送丝头通过抱箍支架固定在搅拌焊主轴的外壳体上，根据静轴肩的送丝孔的特征调整送丝头与抱箍支架的夹角，并用螺栓固紧。

8、作为优选方式，所述搅拌头包括依次设置的搅拌针头、导料螺纹、螺旋铣刀、台肩和刀杆，所述刀杆连接刀柄，台肩用于搅拌头轴向限位，导料螺纹用于将细小颗粒状态的焊丝通过螺纹导向至焊接区，搅拌针头是用于焊接搅拌。

9、作为优选方式，所述推拉送丝机安装于机器人的第二轴臂上。

10、作为优选方式，所述转接套和静轴肩之间设有调间垫片，调间垫片的厚度为0.1mm，调节搅拌针突出静轴肩的长度。

11、作为优选方式，所述静轴肩为角焊缝静轴肩，角焊缝静轴肩设有角焊缝静轴肩送丝孔，角焊缝静轴肩的前进侧倒圆角为ra，后侧倒角为rb，ra根据焊接角缝的大小确定，90°的角接缝ra为0.5mm，rb为焊接件图纸需求而定：当焊接件要求倒角为c2时，rb为c2。

12、作为优选方式，所述端面螺旋槽均布设有三个，高温合金齿均布设有4～6个，高温合金齿通过钎焊方式焊接在搅拌针胎体上。

13、作为优选方式，所述机器人选用重载型机器人，机器人的额定载荷大于等于1吨。

14、作为优选方式，厚度6mm，倒角圆角r2的2219铝合金角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9kn，焊接速度120mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为5m/min；厚度6mm，倒直角c2的角焊缝焊填丝搅拌摩擦焊时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9kn，焊接速度120 mm/min，搅拌针转速为1500 rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为6mm/s。

15、作为优选方式，2219铝合金固相增材制造时，机器人搅拌摩擦焊主轴压力设为0.9kn，焊接速度为100mm/min，搅拌针的转速为1300rpm，焊丝直径为3mm，送丝速度为12m/min。

16、本发明具有以下优点：

17、（1）本发明解决了机器人搅拌摩擦焊的升级使用，填丝搅拌焊解决焊缝较大的搅拌摩擦焊问题，实现大焊缝间隙搅拌摩擦焊接；（2）本发明通过机器人控制和主轴集成控制，实现不均匀焊缝焊接和异性空间结构搅拌摩擦焊；（3）本发明实现机器人搅拌摩擦焊的同时也能实现搅拌摩擦固相增材制造；（4）本发明为机器人柔性制造单元，焊接的结构范围更广，增材的结构更多，焊接及增材制造所需的焊接工装少而简单；（5）本发明的填丝焊接搅拌头和填丝增材搅拌头结构简单合理，安装精度高，维修方便；（6）本发明的采用的送丝更为直接，经过实物试验验收，焊接和增材效果明细，调节工艺参数更为方便；（7）本发明为后续航空航天轻质合金焊接件的连接和大尺寸轻质合金增材制造提供了快速、低成本的制造方式。