專利名稱:摩擦焊設(shè)備的制作方法
本發(fā)明涉及摩擦焊設(shè)備。
在傳統(tǒng)的摩擦焊中，一對工件相互壓緊下，使它們相對旋轉(zhuǎn)運動。一般地說，一旦兩工件的接合面產(chǎn)生足夠的熱以后，停止相對轉(zhuǎn)動，使工件在頂鍛壓力下相互壓緊，頂鍛壓力可以相等于或大于原始壓緊力。
傳統(tǒng)的摩擦焊設(shè)備一般都包含有復雜的電子控制系統(tǒng)，以控制所必須施加的不同大小的力，并且控制驅(qū)動裝置，按照選定的方式控制兩工件的相對轉(zhuǎn)動。
根據(jù)本發(fā)明，摩擦焊設(shè)備包括一個機殼;一個安裝在機殼內(nèi)的工件支座，它可以轉(zhuǎn)動和軸向移動;一個流體壓力驅(qū)動器，和工件支座連接，使工件支座相對于機殼轉(zhuǎn)動;彈性裝置，它以第一軸向方向相對于機殼推動工件支座;壓力裝置，根據(jù)流體壓力的大小使工件支座以一個反向于第一方向的第二軸向方向相對于機殼移動;一個在機殼上的流體入口;流體輸送裝置，使壓力流體從入口沿著第一通道和驅(qū)動裝置連通，并沿著第二通道和壓力裝置連通;還有控制裝置，它對工件支座在機殼內(nèi)的軸向移動起反應(yīng)，用以控制和第一通道相連通的流體壓力。因此，當工件支座在壓力裝置的作用下而在機殼內(nèi)移動時，第一通道逐漸被關(guān)閉，而第二通道保持打開。
本發(fā)明對已知摩擦焊設(shè)備進行了簡化，提供了壓力流體的一個公共入口。壓力流體被用來啟動驅(qū)動器，并且以第二方向推動工件支座。接著，第一通道被關(guān)閉，驅(qū)動器停止轉(zhuǎn)動，而流體壓力經(jīng)過第二通道充分作用到壓力裝置上。因此，摩擦焊設(shè)備自動地從第一狀態(tài)轉(zhuǎn)入第二狀態(tài)。第一狀態(tài)時，驅(qū)動器轉(zhuǎn)動工件支座，工件支座按照第二方向被推動(通常在較輕的壓力下被推動)。第二狀態(tài)時，旋轉(zhuǎn)已經(jīng)停止，而工件支座在頂鍛壓力下被推動。在需要的焊接循環(huán)中沒有操作者介入。
本發(fā)明使可移動式摩擦焊設(shè)備得以被開發(fā)出來。在工地環(huán)境下，不用電氣控制或電子控制系統(tǒng)，因此，易于操作。
控制裝置還可以包含一個或多個電子傳感器，用以監(jiān)測工件支座的軸向移動，并且發(fā)出適當?shù)目刂朴嵦?，以控制馬達和流體的供應(yīng)。
控制裝置最好包括一個閥體，閥體上的一個入口和流體入口連通，其兩個出口則分別和第一及第二流體通道連通;還包括一個閥件，閥件可以在閥體內(nèi)移動，根據(jù)工件支座和機殼之間的相對軸向移動來控制流體在入口和連接到第一通道的出口之間的連通情況，并且一直保持入口和另一個出口之間的連通。采用這種裝置，不需要用電子控制器，設(shè)備在流體壓力的作用下簡單地進行操作。
例如，閥體可以包括一個閥座，和閥件共同配合，閥件閥座之一和機殼連接，另一個則和工件支座連接。
把驅(qū)動器在軸向上相對于工作支座固定是很方便的。這種情況下，工件支座相對于機殼的軸向移動將伴隨著驅(qū)動器的軸向移動。
然而，在某些實例中，工件支座可以相對于驅(qū)動器軸向移動，而驅(qū)動器本身則在軸向上相對于機殼被固定。例如，可以利用驅(qū)動器和工件支座之間的花鍵連接來實現(xiàn)這個目的。這后一種裝置的優(yōu)點是大部分作用在驅(qū)動器上的軸向力可以被除去，這樣，就可以采用傳統(tǒng)的風動馬達。
壓力裝置可以包括一個活塞，可能通過驅(qū)動器，和工件支座相關(guān)連，活塞和機殼的一部分共同形成活塞-氣缸裝置。
活塞上的中心孔確定了第一通道的一部分。這種裝置可以使活塞-氣缸裝置的結(jié)構(gòu)非常緊湊。
彈性裝置包括一個壓縮彈簧，也可以使用其它形式的彈性裝置。
驅(qū)動器最好包括空氣驅(qū)動馬達，但是，也可以使用其它的流體操作驅(qū)動器，例如液壓馬達等。
在焊接時，例如焊接小直徑的螺柱時，起初，流體壓力可以同時作用到驅(qū)動器和壓力裝置上，但是，焊接設(shè)備最好還包括時間調(diào)節(jié)裝置，放置在第二流體通道上，通過一個初始延遲時間，然后才把流體壓力加到壓力裝置上。
下面參照附圖，對本發(fā)明的摩擦焊設(shè)備的一個實例進行描述，附圖中圖1是處在收縮位置的可移動式焊接器械的局部縱向剖視圖;
圖2是一個和圖1相似的視圖，但所表示的器械是處于其伸出位置;
圖3是圖1和2所示的器械的俯視圖，某些局部用假想圖表示;
圖4是氣動控制回路圖;
圖5是在一個螺柱摩擦焊循環(huán)中，扭矩、壓力和轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線圖;
圖6是圖1圖2中的器械在焊接循環(huán)中對驅(qū)動馬達驅(qū)動軸的能量供應(yīng)曲線圖;
圖7是一個把器械夾緊到工件上的裝置(沿圖8的7-7線截取)的局部縱向剖視圖;
圖8是夾緊裝置的俯視圖，其中省略了該器械。
圖中所示的移動式焊接器械有金屬機殼，其上部1用螺栓(圖中未示)固定到下部2上。該焊接器械通常具有以軸心3為中心的環(huán)形截面，而機殼的下部2以階梯形狀沿器械的長度向著軸心3延伸。在機殼上部1安裝有手柄4，還有第二手柄5從器械的一側(cè)向外延伸。手柄5是中空的，通過帶螺紋的插頭5′和壓縮空氣源連接。壓縮空氣通過機殼上部1上的開口6進入器械。
器械的上部有一個活塞-氣缸裝置?；钊ㄒ粋€盤形件7，和軸心3同軸，其軸向延伸的插頭部分8也和軸心3同軸?；钊惭b在器械機殼內(nèi)，用制動滑座81(見圖3)限制其轉(zhuǎn)動。插頭部分8上有兩個軸向間隔的孔9、10，共同形成了一個閥體，兩孔的連接處截頭錐體狀部分11形成了一個閥座。插頭部分8用0形密封圈13和機殼上部1的徑向腹板12密封。活塞7可相對于機殼1、2自由軸向移動，但不能轉(zhuǎn)動。
閥件14的截頭錐體形狀和部分11的形狀相似，閥件14在部分8的孔9內(nèi)，位于軸向延伸的指桿15上，該指桿15可移動地安裝在機殼部分1上。
活塞7用螺栓固定在馬達外殼16上，馬達外殼有一個內(nèi)圓筒部分17，圓筒上有徑向向內(nèi)伸出的環(huán)形凸緣18?；钊?通過圓筒部分17和葉片式風動馬達20的座板19接合。馬達20可以采用任何通用的葉片風動馬達，在速度高達12000轉(zhuǎn)/分時提供4KW的功率。
風動馬達20包含轉(zhuǎn)子21，可轉(zhuǎn)動地支承在一個雙列斜面接觸軸承22和一個滾針軸承23上。轉(zhuǎn)子21包含一個軸向延伸的整體部分24，有一個盲孔25。部分24端頭26上加工有外螺紋，使夾具27能夠安裝在其上。
馬達20還有一個調(diào)速器28。
軸向載荷通過轉(zhuǎn)子21傳給軸承22，再通過馬達座板19和馬達外殼16傳給活塞7。
飛輪29用螺栓固定到盤狀支撐件30上，后者固定到馬達20的可轉(zhuǎn)動驅(qū)動軸20′上。在另一種裝置(圖中未示)中，飛輪支撐件可用花鍵配合和馬達20連接，它們相互間可以軸向移動。飛輪支撐件30上有三個開口，在繞軸心3的圓周上間隔配置，其中一個開口31表示在圖中。
馬達外殼16用一個0形密封圈32密封在外殼部分2內(nèi)。
從圖1中可以看到，馬達外殼16被壓縮彈簧33向上推動，該彈簧是作用在外殼部分2的內(nèi)臺階34和從內(nèi)圓筒部分17整體地徑向向外伸出的凸緣35之間的。
轉(zhuǎn)子本身可以相對于馬達外殼16的內(nèi)圓筒部分17軸向滑動一個小的距離。該轉(zhuǎn)子被一個作用在圓筒部分17的凸緣37和馬達20的部分38上的外伸凸緣之間的片簧36所推動，推到如圖1所示的位置。
設(shè)備的操過程如下述。把螺栓70(見圖7)裝在有適當傳動構(gòu)造的夾具27上。例如，夾具可以有六邊形的結(jié)構(gòu)。螺柱穿過夾具27，安放在部分24的盲孔25內(nèi)。在盲孔25內(nèi)可以安放裝配套筒(圖中未示)以適應(yīng)不同長度的螺柱?？梢园烟鎿Q的夾具擰到轉(zhuǎn)子21的部分24上，以適應(yīng)不同的傳動。
用磁性夾持器72把器械夾持在碳鋼板工件71上，螺柱將被焊到該工件上，而器械是通過一個卡口連接器39固定到夾持器上。在其他裝置中，可以使用管式夾持器，梁式夾持器和真空夾持器等。
磁性夾持器72(見圖7和8)包括一對條形磁鐵73，通過馬蹄形滑座74連接在一起。和卡口連接器39夾緊的卡口座75，用螺栓82固定到夾持器頂板76上，后者又用螺栓79固定到支腿78上。使支腿沿著滑座74上的兩平行榫槽83滑動，就可以調(diào)節(jié)板76相對于滑座的位置，使焊頭在電磁鐵73勵磁以后可以進行對位。該位置可以用鎖緊螺絲80固定住。
器械和壓縮空氣源，例如150立方英尺/分的壓縮機連接，壓縮空氣直接從壓縮機提取，或者使用170升容積8巴壓力容器中的儲能空氣。
現(xiàn)在敘述一下，空氣從手柄5流向馬達20的通道的情況。空氣經(jīng)過開口6流入容腔40，再沿著第一通道進入活塞7軸向伸出部分8的孔10中?？諝庠俳?jīng)過孔9進入活塞7和飛輪支撐件30之間的空腔41中去。然后，空氣通過飛輪支撐件上的開孔31以及繞飛輪周邊流入飛輪支撐件30和從馬達外殼16徑向伸出的腹板43之間的第二空腔42中去。然后，空氣再通過馬達座板19和馬達安裝板44上的開孔(圖中未示)流入馬達殼體45內(nèi)。然后，空氣從馬達殼體45壁上的孔46排出，經(jīng)過回位彈簧33，并從外殼部分2壁上的排出口47排出外殼部分之外。
器械的全部控制是用單一的起動器自動觸發(fā)焊接循環(huán)的。按動一個安全起動器48，焊接循環(huán)就被啟動，起動器把閥(圖中未示)打開，使空氣流過手柄5，經(jīng)過前述的通道流入馬達20中去。馬達20被加速到其初始工作速度?？諝庖擦鬟^第二通道，從泄放孔49進入空腔50。對于小直徑的螺柱來說，適用于把空氣直接作用在活塞7上，克服彈簧33的力相對于外殼部分2推動馬達外殼16。但是，這個簡單的動作，并不增大機械能。在生產(chǎn)實踐中，把從泄放孔49流出的空氣用來做輔加控制，可以獲得更加滿意的效果。控制系統(tǒng)在圖1中用51來示意表示，在圖4中則詳細表示出來。
在圖4中，壓縮空氣源52供氣給起動閥53。該閥由起動器48控制。運行時，如前所述從閥53進入空腔40的一部分空氣通過泄放孔49，在這里分叉。在圖4中同樣也表示了，施加給泄放孔49中的壓力通過孔10等直接施加給馬達20，如前面所述。一條支路54導引空氣經(jīng)過調(diào)壓器55，進入一個兩位三通氣動控制彈簧回位閥56的入口。另一條支路使壓縮空氣沿著管路57并經(jīng)過時間調(diào)節(jié)器58和三通閥56的控制口連通。起初，控制空氣壓力不夠大，不能克服回位彈簧的壓力，因此，空腔50(在圖4中只示意地表示)通過在螺栓59上形成的排出口和大氣壓力連通，該螺栓安裝在外殼上部1上并支撐著閥56。經(jīng)過大約兩秒種的延時以后，控制壓力克服回位彈簧的壓力，使空氣沿著管路54和空腔50連通，這個時間是由時間調(diào)節(jié)器確定的，足以使馬達20達到滿速，調(diào)壓器55的使用，可以使活塞免受供氣壓力波動的影響，并且可以根據(jù)不同的螺柱尺寸和條件來調(diào)節(jié)活塞壓力。
摩擦焊接方法依靠摩擦表面所產(chǎn)生的熱使材料熔化，然后在鍛壓下使兩表面之間產(chǎn)生整體接頭。在一個典型的摩擦焊接循環(huán)里，把螺柱在較小壓力下壓向工件，以較高速度旋轉(zhuǎn)一定時間，使產(chǎn)生足夠的熱以實現(xiàn)表面熔化狀態(tài)，然后使螺柱停止旋轉(zhuǎn)，以更大的鍛壓壓力把螺柱壓向工件。在本實例中，整個焊接過程只采用單一的鍛壓壓力。
圖5中的曲線60，61和62表示在焊接循環(huán)中，轉(zhuǎn)速、施加壓力和抵抗扭矩的一般變化情況。參見圖4，閥48被打開，把空氣提供給馬達，馬達就迅速提高到最高速度，并把能量儲存到飛輪中。一般延時兩秒以后，閥56動作，空氣從管路54經(jīng)過調(diào)壓器55提供給壓頭50，產(chǎn)生一個頂鍛壓力，它在整個焊接循環(huán)中基本上是恒定的。因此，工件和螺柱之間的初始接觸(觸地)只有在馬達加速到達工作速度以后才發(fā)生。在觸地時會受到很大的抵抗扭矩，可能會超出馬達的驅(qū)動扭矩。同時，馬達和飛輪的轉(zhuǎn)速減小，而飛輪中的動能被取出，用來在兩磨損表面上建立一個熔化區(qū)。達到熔化后，抵抗扭矩下降，和馬達的驅(qū)動容量相等，經(jīng)過這段時間之后，轉(zhuǎn)速基本保持恒定，而馬達單獨提供能量繼續(xù)保持燒化階段。在活塞軸向移動期間，閥座11慢慢趨近閥件14，直到最后，閥閉合，阻止空氣繼續(xù)和馬達連通(見圖2)。此時，馬達停轉(zhuǎn)，產(chǎn)生焊接熔合?，F(xiàn)在，關(guān)閉閥48，中斷給氣缸的供氣，完成焊接循環(huán)。
因此，可以看到，本器械可自動控制過程，即在焊接循環(huán)中，轉(zhuǎn)速和加在螺柱上的壓力可以變化，而不需任何操作者介入。
在這個控制過程中，關(guān)鍵因素之一是燒化階段持續(xù)時間。改變閥座11和閥件14之間的初始相對位置，例如改變指桿15的長度，就可以改變這個持續(xù)時間。
螺柱焊接的另一個問題是在焊接循環(huán)中，摩擦扭矩有很大的變化，如圖5中曲線62所示。在摩擦表面初始接觸時，產(chǎn)生很大的摩擦扭矩，一直持續(xù)到產(chǎn)生熱金屬熔化狀態(tài)為止。在理想的焊接循環(huán)中，高扭矩只持續(xù)很短的時間，比方說0.2秒。產(chǎn)生熔化狀態(tài)后，在燒化階段，抵抗扭短下跌到一個低水平線，一般為初始扭矩峰值的25%。在這個階段，加在螺柱上的壓力仍然保持，螺柱材料處于“燒化”和熔化狀態(tài)。燒化階段延續(xù)到驅(qū)動扭短被除去為止。這時，如前所述，熔化層冷卻，接頭熔合而抵抗扭矩增大。
為了使焊接器械便于移動，一般都用輕材料來制造，因此，馬達20的旋轉(zhuǎn)部件和螺柱夾持裝置的固有慣性很小。這對于外理上述的高初始扭矩的問題是無益的。
為處理該問題，采用了飛輪29。在馬達20初始加速時，把動能儲存在飛輪29內(nèi)。在螺柱和工件接觸時，由于兩者之間的干磨擦。馬達20上的負載突然增大。但是，由于飛輪29中予先儲存的能量可以克服附加的負載，使螺柱繼續(xù)低速旋轉(zhuǎn)。一般地說，所產(chǎn)生的深度損失約為最高速度的20%(見圖5中的曲線60)。重要的是應(yīng)該注意到，和傳統(tǒng)的慣性摩擦焊的情況一樣，慣性并不用來提供全部焊接能量，而是在焊接的初始(觸地)階段用以輔助風動馬達20。這種方式和一個在焊接時整個依靠馬達的輸入能量的設(shè)備相比，焊接器械的容量大大增加。所使用的慣性的大小可以隨被焊的螺柱類型而改變。
圖6表示在焊接循環(huán)中，使螺柱旋轉(zhuǎn)的能量供給情況。如圖6所示，在產(chǎn)生加速約兩秒以后，螺柱和工件之間發(fā)生接觸(觸地)，還可以看到，在這之后非常短的時間內(nèi)，需要利用飛輪29內(nèi)儲存的的輔助慣性能。但是，這種需要在抵抗扭矩被克服之后就停止了，然后就是一個頗為恒定的能量需要，如曲線圖中的部分63所示。最后，在供給馬達20的空氣被切斷以后，當殘余慣性能被消耗凈，驅(qū)動能就逐漸減少到零。
在某些場合下，可能需要包括傳感器以監(jiān)測馬達轉(zhuǎn)速，活塞壓力和螺柱位移。在這種情況下，在焊接時傳感器的輸出可以儲存在微型計算機里，然后和標準結(jié)果相比較，可以獲得焊接質(zhì)量的無損評定。
應(yīng)該注意的是如果夾緊裝置在焊接過程中出故障，空氣壓力就會立即把活塞7壓向圖2的位置，因此使馬達20停轉(zhuǎn)。這是一個重要的安全特征。
權(quán)利要求
1.摩擦焊設(shè)備，其特征是它包括有一個機殼，一個安裝在機殼內(nèi)可轉(zhuǎn)動和可軸向移動的工件支座，一個流體壓力驅(qū)動器，和工件支座連接，使工件支座相對于機殼轉(zhuǎn)動，彈性裝置，它以第一軸向方向相對于機殼推動工件支座，壓力裝置，根據(jù)流體壓力的大小使工件支座以一個反向于第一方向的第二軸向方向相對于機殼移動，在機殼上的一個流體入口，流體輸送裝置，使壓力流體從入口沿著第一通道和驅(qū)動裝置連通，并沿著第二通道和壓力裝置連通，以及控制裝置，它對工件支座在機殼內(nèi)的軸向移動起反應(yīng)，用以控制和第一通道相連通的流體壓力，因此，當工件支座在壓力裝置的作用下而在機殼內(nèi)移動時，第一通道逐漸被關(guān)閉，而第二通道保持打開。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1的設(shè)備，其特征是控制裝置包括一個閥體，閥體上的一個入口和流體入口連通，其兩出口則分別和第一及第二流體通道連通，還包括一個閥件，閥件可在閥體內(nèi)移動，根據(jù)工件支座和機殼之間的相對軸向移動來控制流體在入口和連接到第一通道的出口之間的連通情況，并且一直保持入口和另一個出口之間的連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求
2的設(shè)備，其特征是閥體包括一個閥座，和閥件共同配合，閥件和閥座中的一個被連接到機殼上，而另一個被連接到工件支座上。
4.根據(jù)前述的任一項權(quán)利要求
的設(shè)備，其特征是壓力裝置包含有一個和工件支座相關(guān)連的活塞，可以軸向移動地安裝在機殼內(nèi)，和機殼共同形成一個活塞-氣缸裝置。
5.根據(jù)權(quán)利要求
4的設(shè)備，當從屬于權(quán)利要求
3時，其特征是閥體是由一個和活塞連接的軸向伸出插口所形成的。
6.根據(jù)前述的任一項權(quán)利要求
的設(shè)備，其特征是它還包括放置在第二流體通道上的時間調(diào)節(jié)裝置，以便在流體壓力作用到壓力裝置之前提供一個初始延遲時間。
7.根據(jù)前面所述的任一項權(quán)利要求
的設(shè)備，其特征是驅(qū)動器包括一個空氣驅(qū)動馬達。
8.根據(jù)前述的任一項權(quán)利要求
的可移動式摩擦焊設(shè)備。
專利摘要
摩擦焊設(shè)備包括機殼和安裝在機殼內(nèi)的可以轉(zhuǎn)動并軸向移動的工件支座。空氣驅(qū)動馬達和工件支座連接使后者相對于機殼轉(zhuǎn)動。壓縮彈簧以第一軸向方向相對于機殼推動工件支座，而活塞根據(jù)空氣壓力使工件支座以反向于第一方向的第二軸向方向相對于機殼移動。壓縮空氣通過機殼上的一個公共入口和閥裝置連通，使空氣沿著第一通道輸送給驅(qū)動馬達，并沿著第二通道輸送給活塞。閥裝置可以使活塞相對于機殼的軸向移動引起閥的逐漸關(guān)閉，從而逐漸使馬達停轉(zhuǎn)，而第二通道保持打開。
文檔編號B23K20/12GK86102988SQ86102988
公開日1986年12月17日 申請日期1986年4月26日
發(fā)明者阿倫·羅伯特·湯姆森, 托馬斯·瓦伊納·希思 申請人:湯姆森焊接及檢查有限公司導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan