焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置及焊接方法
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接
装置及焊接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊（FSW）自1991年TWI发明以来得到了广泛的研究及应用，特别是在低熔
点易氧化的铝、镁及合金焊接方面优势明显，并在铜、钛、复合材料及异种材料的焊接领域
得到广泛研究与推广应用。
为了能够焊接不锈钢管道之间的环形焊缝，随着近年来相关技术的发展，以各种
高硬度合金材料和多晶立方碳化硼PCBN为材料作为搅拌针的焊接技术得到了快速发展。但
是在焊接时产生了如下问题：（1）搅拌头的磨损严重；（2）热影响区产生很小的冶金学改变；
（3）搅拌头与管道不能进行垂直焊接。
发明内容
本发明的目的在于提供一种搅拌针与管道垂直焊接的焊接不锈钢管环形焊缝的
搅拌摩擦焊接装置。
本发明的另一目的在于提供焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接方法。
未解决上述技术问题本发明提供一种焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装
置，包括用于支撑和固定钢管的工作台、轴肩、搅拌针、用于固定搅拌针的第一固定装置、连
接框架、丝杠升降机、轴、齿轮、驱动装置和齿轮轨道，所述工作台设置在两个齿轮轨道中间
位置，轴肩设置在工作台上方，搅拌针穿过轴肩中心位置设置在第一固定装置上，第一固定
装置设置在连接框架上，连接框架上方设有丝杠升降机，丝杠升降机设置在轴的中心位置，
轴的两端对称设置在齿轮中心位置处，齿轮上设有驱动装置，齿轮设置在齿轮轨道上，齿轮
轨道为圆形轨道。
为了更好的支撑住钢管，所述工作台包括对称设置的两个主体和两个支撑装置，
所述支撑装置包括支座和胀紧装置，所述支座设置在主体上，所述胀紧装置包括第一垫块
和第一气缸，第一垫块设置在支座上，第一气缸设置在主体上，第一垫块与第一气缸相连
接。
为了更好的固定住钢管，所述工作台还包括对称设置的两个第二固定装置，所述
第二固定装置包括半圆形锯齿环、第二气缸和第二垫块，半圆形锯齿环一端铰接在工作台
主体上，半圆形锯齿环另一端卡接在工作台主体上，第二气缸设置在半圆形锯齿环上，第二
垫块设置在半圆形锯齿环内部，第二垫块与第二气缸相连接。
为了更好的保护搅拌针，所述轴肩的底部为平面状。
为了更好的保护搅拌针，所述第一固定装置通过第一弹性滑块与连接框架弹性连
接。
为了更好的固定住搅拌针和轴肩，所述第一固定装置包括固定主体、第三气缸和
一组半圆形卡环，所述固定主体设置在连接框架上，固定主体上设有凹槽，凹槽两侧设有一
组半圆形卡环，所述轴肩设置在凹槽内，卡环用于将搅拌针通过轴肩固定在第一固定装置
上，第三气缸设置在固定主体上，第三气缸与卡环相连接。
为了减少搅拌针的压力防止搅拌针崩断，所述连接框架两侧对称的设有支撑杆，
支撑杆通过第二弹性滑块与连接框架弹性连接，支撑杆底端设有两个滚轮，两个滚轮之间
设有间隙，滚轮可以绕钢管滚动。
为了找准焊缝，所述连接框架正面设有用于找准焊缝的红外对准装置。
本发明还提供了采用所述的焊接不休钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置的焊接
方法，焊接步骤如下：
（1）先将搅拌针安装在轴肩上，再将轴肩安装在第一固定装置上，启动第三气缸，第三
气缸驱动半圆形卡环卡紧轴肩；
（2）在焊接前先将待焊不锈钢管安装在工作台上，具体的为先将第二固定装置的半圆
形锯齿环从卡接位置处打开，将待焊不锈钢管置于工作台的支撑装置上，通过红外对准装
置找准焊缝，根据焊缝位置来调节钢管位置使焊缝位于搅拌针的正下方，闭合第二固定装
置的半圆形锯齿环并卡接住，启动第二气缸，第二气缸驱动第二垫块将钢管向下压，启动第
一气缸，第一气缸驱动第一垫块将钢管向上顶，这样钢管焊缝两端就都通过工作台固定住；
（3）启动驱动装置，搅拌针进入焊缝，齿轮开始绕齿轮轨道运动，从而带动齿轮间的轴
做圆周运动，轴带动丝杠升降机做圆周运动，丝杠升降机带动连接框架做圆周运动，连接框
架带动第一固定装置和支撑杆做圆周运动，第一固定装置带动轴肩和搅拌针做圆周运动，
从而搅拌针能绕钢管做圆周运动；
（4）调节旋转速度，从而调节焊接速度，待焊完一圈后，焊接结束。
本发明的有益效果：该焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置通过工作台上
的第一固定装置和支撑装置将钢管固定在工作台上不动，通过齿轮绕环形轨道转动从而带
动搅拌针做绕固定钢管的圆周运动，这样搅拌针就能一直垂直于钢管的环形切面，这样的
设置可以避免在焊接过程中搅拌针的过度磨损，减少由热影响区产生的冶金学改变。
附图说明
图1为本发明的焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置的结构示意图1；
图2为本发明的焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置的结构示意图2；
图3为本发明的工作台的结构示意图；
图4为本发明的支撑杆的结构示意图；
标号说明：1-工作台；11-工作台主体；12-支撑装置；13-第二固定装置；131-半圆形锯
齿环；132-第二气缸；133-第二垫块；
2-轴肩；3-搅拌针；4-第一固定装置；5-连接框架；51-支撑杆；52-滚轮；6-丝杠升降机；
7-轴；8-齿轮；9-齿轮轨道。
10-钢管。
具体实施方式
为详细说明本发明的技术内容、实现目标效果，以下结合实施方式详予说明。
参照附图1-附图4，本实施例提供一种焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装
置，包括用于支撑和固定钢管10的工作台1、轴7肩2、搅拌针3、用于固定搅拌针3的第一固定
装置4、连接框架5、丝杠升降机6、轴7、齿轮8、驱动装置和齿轮轨道9，所述工作台1设置在两
个齿轮轨道9中间位置，轴肩2设置在工作台1上方，搅拌针3穿过轴肩2中心位置设置在第一
固定装置4上，第一固定装置4设置在连接框架5上，连接框架5上方设有丝杠升降机6，丝杠
升降机6设置在轴7的中心位置，轴7的两端对称设置在齿轮8中心位置处，齿轮8上设有驱动
装置，齿轮8设置在齿轮轨道9上，齿轮轨道9为圆形轨道。
本实施例中，所述工作台1包括对称设置的两个工作台主体11和两个支撑装置12，
所述支撑装置12包括支座和胀紧装置，所述支座设置在工作台主体11上，支座为不锈钢材
质，所述胀紧装置包括第一垫块和第一气缸，第一垫块设置在支座上，第一气缸设置在工作
台主体11上，第一垫块与第一气缸相连接。
本实施例中，所述工作台1还包括对称设置的两个第二固定装置13，所述第二固定
装置13为固定抱死装置，第二固定装置13包括半圆形锯齿环131、第二气缸132和第二垫块
133，半圆形锯齿环131一端铰接在工作台主体11上，半圆形锯齿环131另一端卡接在工作台
主体11上，第二气缸132设置在半圆形锯齿环131上，第二垫块133设置在半圆形锯齿环131
内部，第二垫块133与第二气缸132相连接。
本实施例中，所述轴7肩2的底部为平面状，在焊接工作时，轴肩2地面可以紧贴待
焊钢管10。
本实施例中，所述第一固定装置4通过第一弹性滑块与连接框架5弹性连接。
本实施例中，所述第一固定装置4包括固定主体、第三气缸和一组半圆形卡环，所
述固定主体设置在连接框架5上，固定主体上设有凹槽，凹槽两侧设有一组半圆形卡环，所
述轴肩2设置在凹槽内，卡环用于将搅拌针3通过轴肩2固定在第一固定装置4上，第三气缸
设置在固定主体上，第三气缸与卡环相连接。
本实施例中，所述连接框架5两侧对称的设有支撑杆51，支撑杆51通过第二弹性滑
块与连接框架5弹性连接，支撑杆51底端设有两个滚轮52，两个滚轮52之间设有间隙，焊接
工作时，钢管10设置在滚轮52间隙处，滚轮52可以绕钢管10滚动，这样滚轮52就不会滑离钢
管10，并防止打滑。
本实施例中，所述连接框架5正面设有用于找准焊缝的红外对准装置。
本实施例中，待焊不锈钢管10安装在所述齿轮轨道9中心位置。
该焊接不锈钢管环形焊缝的搅拌摩擦焊接装置工作时，先将搅拌针3安装在轴肩2
上，再将轴肩2安装在第一固定装置4上，启动第三气缸，第三气缸驱动半圆形卡环卡紧轴肩
2，在焊接前先将待焊不锈钢管10安装在工作台1上，具体的为先将第二固定装置13的半圆
形锯齿环131从卡接位置处打开，将待焊不锈钢管10置于工作台1的支撑装置12上，通过红
外对准装置找准焊缝，根据焊缝位置来调节钢管10位置使焊缝位于搅拌针3的正下方，闭合
第二固定装置13的半圆形锯齿环131并卡接住，启动第二气缸132，第二气缸132驱动第二垫
块133将钢管10向下压，启动第一气缸，第一气缸驱动第一垫块将钢管10向上顶，这样钢管
10焊缝两端都通过工作台1固定住后，启动驱动装置，搅拌针3进入焊缝，齿轮8开始绕齿轮
轨道9运动，从而带动齿轮8间的轴7做圆周运动，轴7带动丝杠升降机6做圆周运动，丝杠升
降机6带动连接框架5做圆周运动，连接框架5带动第一固定装置4和支撑杆51做圆周运动，
第一固定装置4带动轴肩2和搅拌针3做圆周运动，从而搅拌针3能绕钢管10做圆周运动，调
节旋转速度，从而调节焊接速度，待焊完一圈后，焊接结束。该焊接不锈钢管10环形焊缝的
搅拌摩擦焊接装置通过工作台1上的第一固定装置4和支撑装置12将钢管10固定在工作台1
上不动，通过齿轮8绕环形轨道转动从而带动搅拌针3做绕固定钢管10的圆周运动，这样搅
拌针3就能一直垂直于钢管10的环形切面，这样的设置可以避免在焊接过程中搅拌针3的过
度磨损，减少由热影响区产生的冶金学改变。
以上所述仅为本发明的实施例，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。