一种手持回填式搅拌摩擦点焊设备

本发明涉及轻金属合金材料搅拌摩擦点焊焊接领域，具体涉及一种手持回填式搅拌摩擦点焊设备。

背景技术：

1、近年来，随着世界节能减排的总要求，传统黑色金属材料在制造业的地位越来越低。同时随着我国工业化进程的不断发展，绿色、环保、节能新型发展理念也逐渐融入我国工业化进程当中。于是以新能源汽车为首的新兴产业得到了迅猛发展，人们在生活中也越来越追求绿色环保、快捷轻便的生活方式。于是新兴的轻量化材料在生活中越来越被重视。铝合金作为典型的轻质有色金属，用来替代传统钢材，一方面为结构的轻量化提供了思路，另一方面也减少了炼钢而产生的大气污染。与钢相比，铝合金具有密度小、比强度高、韧性及抗疲劳性能好的优点。另一方面，铝合金是典型的面心立方结构，在低温或者超低温的条件下不存在低温脆性，且铝元素是地球上最为丰富的金属元素，因此不必担心铝元素的匮乏对铝合金的发展造成限制。所以用铝合金代替钢进行结构件的设计逐渐成为研究热点之一。

2、但是，采用铝合金进行结构件设计时，铝合金的连接成为限制铝合金轻量化发展的主要问题。采用铆接或者焊接的方法都可以对铝合金进行有效连接，但是铆接和焊接都各有利弊。采用铆接的方法进行铝合金连接时，由于铝合金没有发生熔化或者固态相变的过程，有效的保持了铝合金的固有属性，杜绝了缺陷的产生。此外，通过铆接打孔，能够有效的对铝合金自身的裂纹进行有效的止裂，提高了结构使用寿命。但是，采用铆接技术进行铝合金连接时增加了打孔工序，降低了生产效率；另一方面，大量的螺栓的加入提高了结构件的整体重量，这严重违背了铝合金轻量化方案的原则。而对于焊接来说，采用熔化焊的方法可以实现对铝合金的焊接，如手工电弧焊、熔化极惰性气体保护焊、非熔化极惰性气体保护焊、激光焊及激光复合焊，但是在焊接时，常常会出现很多问题，而且焊接接头性能较差。

3、上世纪90年代，英国巴顿焊接研究所(twi)发明了搅拌摩擦焊(fsw)技术。搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，焊接过程中没有电弧产生，依靠搅拌头的摩擦热使被焊母材发生塑性变形，从而实现焊接过程。相比传统电弧焊，搅拌摩擦焊具有很多优点。采用搅拌摩擦焊技术对铝合金进行焊接，就是使用高效、绿色、环保的连接技术，该技术的发展对铝合金在汽车、航空航天等领域的应用具有深远的意义。近30年来，国内外专家、学者对铝合金搅拌摩擦焊技术开展了大量的研究工作。众多研究成果详细阐明了搅拌摩擦焊技术原理，揭示了搅拌摩擦焊焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律，详细探寻了异种金属间界面层组织构成及形成机理。正因如此，搅拌摩擦焊技术现已经初步应用于汽车制造、航空航天等领域。

4、搅拌摩擦点焊是在“线性”的搅拌摩擦焊接技术的基础上研发出一种新的焊接技术，也是一种适用于轻质合金的固相点焊技术。对于搅拌摩擦点焊技术的研究是从1993年日本马自达汽车公司开始的，该公司将搅拌摩擦焊接的“线”性焊接改为了“点”焊接，并给这个技术取名为friction spot joining，缩写为fsj。跟电阻点焊相比，搅拌摩擦点焊形成的接头性能优良，焊接质量可靠，且焊接过程绿色环保。但是搅拌摩擦点焊的缺点也比较明显：它会在焊点中留下一个匙孔。匙孔限制了搅拌摩擦点焊技术在高强连接上的应用：它会减小焊点的有效承载面积、改变焊点表面的应力状态，且容易在匙孔处产生应力集中等缺陷；除此之外，在金属防护方面，油漆等防护液体很难达到匙孔的根部；且匙孔的孔洞部分很容易积水增加腐蚀的可能。这些缺点会严重影响接头及工件的使用寿命，很容易发生事故；为了解决匙孔的问题，德国gkss于1999年发明了回填式搅拌摩擦点焊技术，回填式搅拌摩擦点焊通过焊具复杂的相对运动将挤出的热塑性材料重新挤入焊点，达到了增大接头有效承载面积从而提高接头力学性能的目的。

5、在回填式搅拌摩擦点焊设备方面，目前国内外关于该方面的设备主要包括机床式点焊设备、串(并)联式点焊机器人，目前尚无科研或者工程技术人员开展关于手持便携式回填搅拌摩擦点焊设备的相关研发，常见的关于搅拌摩擦焊接设备普遍较大的原因是其焊接工艺需要较大的顶锻力，然后回填式搅拌摩擦点焊工艺的焊接接头性能目前已经满足性能要求，且和传统点连接方式如电阻点焊、铆接等进行了对比研究。针对相同厚度的金属，回填式fssw接头的拉剪强度约为电阻点焊接头的1.5-2倍，对于某些6系7系铝合金金属，回填式fssw接头的拉剪强度高于铆接。且回填式fssw的接头具有更好的静强度和更佳的疲劳性能。对比之下，可以考虑通过减少接头的有效作用面积，进而缩小搅拌头的作用面积尺寸，从而减小了该焊接工艺所需的顶锻力。

6、然而，常见的回填式搅拌摩擦点焊设备，主轴部分主要包含旋转运动部件、套筒轴向运动部件和搅拌针轴向运动部件。其旋转运动部件由电机定子带动电机转子旋转，然后电机转子带动中空主轴进行旋转，然后中空主轴通过花键连接传动带动套筒轴旋转，套筒轴也是中空的，也通过花键连接传动带动搅拌针轴旋转；其套筒轴向运动部件和搅拌针轴向运动部件分别都有一个电机输出，然后带轮传动带动滚珠丝杆进行轴向运动。当对该设备进行尺寸缩小了该设备尺寸时，无法再选用该机械机构进行运动，其主要原因为：现有的回填式点焊机进行缩小时，其电机输出功率的稳定性和电机选用的经济性，旋转部件的电机应选用现成一体式电机(只包含电机定子和电机转子，电机转子带动输出轴进行旋转)，那么现有设备旋转运动部件的机械传动方式就不再适用；即使通过定制与现有设备相同的缩小版尺寸机构，那么现有的回填式点焊机的这种中空主轴内套有套筒轴，套筒轴再内套有搅拌针轴的结构布置方式，务必会使搅拌针轴的直径变得很细长，搅拌针轴变得细长，则无法保证搅拌针力矩传递稳定性；综上，现有回填点焊设备的传动方式在缩小尺寸后无法适应，尤其是在带轮传动缩小后，带轮作用面积减少，力矩传递效率降低，无法保证力矩输出稳定性；或者因为尺寸减小导致搅拌针轴细长，从而导致搅拌针力矩传递稳定性降低。

7、因此，需要提供一种手持回填式搅拌摩擦点焊设备以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种手持回填式搅拌摩擦点焊设备，以解决现有回填点焊设备的传动方式在缩小尺寸后无法适应，尤其是在带轮传动缩小后，带轮作用面积减少，力矩传递效率降低，无法保证力矩输出稳定性；或者因为尺寸减小导致搅拌针轴细长，从而导致搅拌针力矩传递稳定性降低的问题。

2、本发明的一种手持回填式搅拌摩擦点焊设备采用如下技术方案：包括：

3、机壳，其上设置有把手，其内设置有第一驱动组件、第二驱动组件以及第三驱动组件；

4、第一驱动组件，其输出端连接有搅拌头组件，搅拌头组件的头部穿出机壳延伸至机壳外；

5、传动杆，其上设置有螺纹段和圆柱段，靠近螺纹段的端部与第一驱动组件背离输出端的一端连接，圆柱段上套设有转筒；

6、套筒推力筒，其外周与机壳的内壁滑动连接，其内同心且转动连接有套筒固定筒，套筒固定筒与第一驱动组件的输出端的轴向滑动连接；

7、传动组件，用于连接转筒与套筒推力筒；

8、以及顶锻力支撑组件，用于在点焊作业时为搅拌头组件提供支撑力；

9、其中，第一驱动组件用于驱动搅拌头组件转动，第二驱动组件用于驱动传动杆进行直线伸缩运动，以带动搅拌头组件的输出端伸缩；第三驱动组件用于驱动转筒在传动杆的圆柱段的轴向滑动，并通过传动组件带动套筒固定筒沿第一驱动组件的输出端的轴向滑动。

10、优选地，搅拌头组件包括：

11、搅拌针，其背离头部的一端与第一驱动组件的输出端连接；

12、套筒，套设在搅拌针上，其中，套筒与套筒固定筒相邻的端部连接；

13、以及压紧盘，其连接在机壳上开设的安装孔内，且其中部开设有通孔，套筒穿设在安装孔内。

14、优选地，第一驱动组件包括：

15、第一无刷电机；

16、以及旋转输出轴，其通过联轴器与第一无刷电机的输出轴连接，且其背离联轴器的一端与搅拌针连接；

17、其中，套筒固定套筒设在旋转输出轴上，且套筒固定筒朝向搅拌针头部的端口通过连接套与套筒的端部螺纹连接。

18、优选地，第三驱动组件包括：第三无刷电机，其输出轴通过第二涡轮蜗杆组件与转筒传动连接，其中，第二涡轮蜗杆组件的第二涡轮套设在转筒上，且第二涡轮与转筒之间螺纹连接，且第二涡轮与转筒之间设置连接键，连接键用于防止传动杆转动。

19、优选地，套筒固定筒与旋转输出轴的外周之间设置有第一滑动铜环。

20、优选地，转筒与传动杆的圆柱段之间设置有第二滑动铜环。

21、优选地，传动组件包括：

22、两个连接盘，其中一个连接盘套装固定在转筒上，另一个连接盘套装固定在套筒推力筒上；

23、以及多个第二连接螺杆，连接在两个连接盘之间。

24、优选地，第二驱动组件包括：第二无刷电机，其输出轴通过第一涡轮蜗杆组件与螺纹段传动连接，其中，第一涡轮蜗杆组件中的第一涡轮螺纹连接在传动杆的螺纹段上，且第一涡轮与螺纹段之间设置连接键，连接键用于防止传动杆转动。

25、优选地，顶锻力支撑组件，包括：c形支撑架，c形支撑架一端与机壳连接，c形支撑架的另一端连接有支撑盘，支撑盘与压紧盘的端面相对。

26、优选地，顶锻力支撑组件，包括：磁吸固定端和磁吸移动端，磁吸固定端螺纹连接在机壳上，且磁吸固定端上对应开设有用于搅拌针通过的通孔，磁吸移动端与磁吸固定端背离机壳的端面相对设置，且磁吸移动端背离磁吸固定端的一面设置有手持部。

27、本发明的有益效果是：

28、本发明的搅拌针和套筒的旋转是由第一驱动组件直接传动的，即避免了搅拌针过于细长，使得在转动过程中由第一驱动组件直接带动转动，同时，结合第二驱动组件和第三驱动组件，以分别带动搅拌头组件的输出端和套筒固定筒伸缩，从而进行点焊，进而保证了传动过程的稳定，同时本发明设计的手持回填式搅拌摩擦点焊设备，相对于传统的回填式搅拌摩擦点焊设备，该设备能手持便携移动到任意空间位置，对一些薄板铝合金金属进行点焊焊接，提高了焊接工艺效率；采用本发明设计的手持回填式搅拌摩擦点焊设备，设计的设备尺寸小，便于携带，利于扩充至野外焊接或者民用焊接，即本发明的点焊设备缩小提高点焊灵活性的同时，能保证设备的搅拌针力矩传递时稳定性。