CN102284782A - 一种搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摩擦焊接物理模拟试验装置，其特征在于：在机座上设有行走机构，手动转轮位于行走机构的侧面，行走机构通过内部的蜗轮蜗杆机构与机座配合连接，在行走机构中部安装夹具夹紧装置，夹具夹紧装置上设有可视化夹具；在机座门形框两竖直杆的内侧设有导轨机构，导轨上装有支撑块，并通过支撑轴和旋钮固定在导轨上，支撑块上设有传动机构，传动机构与可视化夹具相对的上方的位置通过旋紧螺母连接空心搅拌头采用本物理模拟试验装置可以实现模拟搅拌摩擦焊接条件下对塑性金属流动行为以及焊缝温度场检测目的，对于基础研究非常有用。

Description

一种搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦焊接物理模拟试验装置，尤其是用于模拟搅拌摩擦焊接头的塑性金属流动行为及对接头温度场监测的搅拌摩擦焊接物理模拟装置

背景技术

搅拌摩擦焊接技术是英国焊接研究所于1991年发明的一项新型固相焊接技术搅拌摩擦焊基本原理如美国专利申请公开说明书US5460317所述，在搅拌摩擦焊接过程中，利用高速旋转的搅拌头与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，塑化材料在搅拌头的转动摩擦力作用下由搅拌头的前部移向后部，并在搅拌头的挤压作用下形成致密的焊缝该技术的发明为铝合金镁合金等有色轻金属材料的连接提供了新方法，正逐渐被用于航空航天列车船舶和汽车制造等工业领域已经有大量报道涉及典型材料(铝合金镁合金铜合金钛合金等)的搅拌摩擦焊接工艺研究及接头组织性能表征，还有少量关于焊缝温度场分布塑性金属流动行为的研究但是上述搅拌摩擦焊接是在强烈热-力耦合作用下，温度场形成发展应力应变场演变和塑性金属形成流动等方面相互作用的复杂过程这就使得采用传统的试验方法和数值模拟研究很难揭示上述搅拌摩擦焊接接头的塑性金属流动行为以及焊缝温度场分布，研究误差较大，对于搅拌摩擦焊接过程中塑性金属流动行为和温度场分布仍不能得到满意的结果目前报道的有关研究搅拌摩擦焊接头金属流动形态的试验方法主要是采用标记示踪法观察变形流动，通过在被焊板材的结合面横断面或纵断面布置一定的示踪铜粉铜丝或铜箔，通过分析不同时刻的组织形貌特征来演绎流动特征采用标记示踪法可以观察焊后的接头金属流动特征，但是无法观察到焊接进行中的接头金属流动形态而目前监测搅拌摩擦焊焊缝温度场分布的方法主要有：一是在焊缝两侧埋入热电偶，通过数据记录仪进行实时测温数据的采集和存储；二是采用红外测温仪测量焊缝的温度前者由于热电偶埋放位置只能在焊缝搅拌区外围区域，因而不能测量焊缝区的温度；后者由于搅拌头轴肩与工件上表面焊接区的接触阻碍了红外测温仪对焊缝表面温度的实时监测根据对相关文献的检索，尚没有报道涉及搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，因此，寻找一种工艺简单操作方便的研究搅拌摩擦焊接头塑性金属流动行为以及焊缝温度场分布的物理模拟试验装置成为本领域急需解决的问题

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，可用于模拟搅拌摩擦焊接头金属塑性流动行为以及焊缝温度场分布的监测，而且结构简单操作方便

技术方案

一种搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，其特征在于包括机座1、行走机构2、可夹具夹紧装置3、视化夹具4、空心搅拌头5、传动机构7、导轨10和支撑轴11；在机座1上设有行走机构2，所述行走机构2内部设有蜗轮蜗杆机构，手动转轮18位于行走机构2的侧面，通过转动手动转轮18使行走机构2相对于机座左右移动；行走机构2通过内部的蜗轮蜗杆机构与机座1配合连接，转动位于机座1下部的第一梅花型旋钮19可使行走机构2相对于机座1作前后移动；在行走机构2中部安装夹具夹紧装置3，夹具夹紧装置3上设有可视化夹具4；在机座1门形框两竖直杆的内侧设有导轨10，导轨10上装有支撑块15，并通过支撑轴11和旋钮12固定在导轨10上，支撑块15上设有传动机构7，传动机构7与可视化夹具4相对的上方的位置通过旋紧螺母6连接空心搅拌头5；所述空心搅拌头5为中空结构上端为锥形，轴肩部分沿中轴线环形方向开有阶梯孔，空心搅拌头5上端穿套于空心轴9下端内；所述传动机构7包括第一皮带轮8、空心轴9、第二皮带轮13、皮带14、支撑块15、皮带张紧机构16以及伺服电机17；伺服电机17与空心轴9通过轴承分别固定在支撑块15的两端，支撑块15安装在机座1两侧的垂直块上的导轨机构10上，通过穿过机座1门形框上端横杠和支撑块15左侧的支撑轴11支撑支撑块15，并可通过支撑轴11上的旋钮12控制支撑块15沿机座1垂直块上的导轨10上下运动；空心轴9上端与第一皮皮带轮8穿套配合并可随第一皮带轮8转动。

所述夹具夹紧装置3包括U型块20、第一夹块21、第二夹块22、第二梅花型旋钮24和螺杆23；第一夹块21和第二夹块22置于U型块20中，螺杆23与第二梅花型旋钮24固定连接，然后穿过第一夹块21和第二夹块22后插入U型块20的孔中；螺杆23上在第一夹块21与U型块20之间和第二夹块22与U型块20之间设有螺纹，且两段螺纹互为反向。

所述可视化夹具4包括夹具基座25、侧挡板28、第一挡板29、第二挡板30和长方体垫块31；在L型的夹具基座25的一侧上设有第一立柱26和第二立柱27，立柱与夹具基座25的L型立柱中间设有长方体垫块31，第一立柱26与L型立柱上端设有第一挡板29，第二立柱27与L型立柱上端设有第二挡板30，第一立柱26和第二立柱27的外沿设有侧挡板28。

有益效果

本发明提出的一种搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，由空心搅拌头和空心轴的中空结构，利用红外测温仪高速摄像仪等相关设备经由空心轴空心搅拌头及其轴肩阶梯孔上的透明材料可检测到搅拌头轴肩下方的塑性金属流动以及焊缝温度分布；利用安装在可视化夹具侧面槽内的透明材料充当对接板，可直接观察到焊接过程中焊接界面以及附近塑性金属的流动形态和焊缝内部温度场的分布以及两者之间的关系采用本物理模拟试验装置可以实现模拟搅拌摩擦焊接条件下对塑性金属流动行为以及焊缝温度场检测目的，对于基础研究非常有用。

附图说明

附图1为本发明的物理模拟装置结构示意图；

附图2为夹具夹紧装置示意图；

附图3为可视化夹具示意图；

附图4为空心搅拌头示意图；

附图5为图4所示空心搅拌头的剖视图；

机座1、行走机构2、夹具夹紧装置3、可视化夹具4，空心搅拌头5，旋紧螺母6，传动机构7，第一皮带轮8、空心轴9、导轨机构10，支撑轴11，旋钮12，第二皮带轮13、皮带14、支撑块15、皮带张紧机构16，伺服电机17，手动转轮18，第一梅花型旋钮19，U型块20、第一夹块21、第二夹块22、螺杆23，第二梅花型旋钮24、夹具基座25、第一立柱26，第二立柱27，侧挡板28、第一挡板29、第二挡板30，长方体垫块31，

具体实施方式

现结合实施例附图对本发明作进一步描述：

本实施例的搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，由机座1、行走机构2、传动机构7、夹具夹紧装置3、可视化夹具4以及空心搅拌头5组成，其中：

该行走机构2由侧面的手动转轮18以及蜗轮蜗杆机构组成，行走机构2位于机座1前侧，行走机构2通过内部的蜗轮蜗杆机构与机座1配合连接，手动转轮18位于行走机构2的侧面，转动手动转轮18可使行走机构2相对于机座左右移动，转动位于机座1下部的第一梅花型旋钮19可使行走机构2相对于机座1作前后移动；

该传动机构7由第一皮带轮8、空心轴9、第二皮带轮13、皮带14、支撑块15、皮带张紧机构16以及伺服电机17组成，伺服电机17与空心轴9通过轴承分别固定在支撑块15的两端，支撑块15安装在机座1两侧的垂直块上的导轨10上，通过穿过机座1上端横杠和支撑块15左侧的支撑轴11支撑支撑块15并可通过支撑轴11上的旋钮12控制支撑块15沿机座1垂直块上的导轨10上下运动；空心轴9上端与皮带轮14穿套配合并可随第一皮带轮8转动；

该夹具夹紧装置3由U型块20、第一夹块21、第二夹块22、第二梅花型旋钮24以及螺杆23组成，螺杆23与第二梅花型旋钮24固定连接，然后穿过第一夹块21和第二夹块22后插入U型块20的孔中，螺杆23上在第一夹块21与U型块20之间和第二夹块22与U型块20之间设有螺纹，且两段螺纹互为反向，夹具夹紧装置3用螺栓固定在行走机构2外盒的中部；

该可视化夹具4由夹具基座25、侧挡板28、第一挡板29、第二挡板30以及长方体垫块31组成，可视化夹具4放置在夹具夹紧装置3的第一夹块21与第二夹块22之间，通过旋动夹具夹紧装置3上的第二梅花型旋钮24调整第一夹块21与第二夹块22之间的相对距离来夹紧可视化夹具4，夹具基座25的第一立柱26与第二立柱27之间用于放置透明材料；

该空心搅拌头5为中空结构上端为锥形，空心搅拌头5轴肩部分沿空心搅拌头5中轴线环形方向开有阶梯孔，空心搅拌头5上端穿套于空心轴9下端内，通过旋紧螺母6以及利用空心搅拌头5上端的锥形结构将空心搅拌头5与空心轴9锁紧

本实施例中的空心搅拌头的搅拌针直径为φ4mm，长度为4.7mm，搅拌针带有螺纹，轴肩直径为φ20mm，在轴肩上沿空心搅拌头中轴线环形方向开有两个阶梯孔，阶梯孔大孔直径为φ6mm，小孔直径为φ4，阶梯孔的中心轴至轴肩中心轴的距离为5mm，阶梯孔中安装有与阶梯孔尺寸相配合的蓝宝石玻璃铅块试样尺寸为30mm×8mm×80mm，铅块试样放置于夹具基座内的长方体垫块上，通过第一挡板和第二挡板以及螺钉固定铅块试样；置于夹具基座的第一立柱与第二立柱之间的透明材料亦选用蓝宝石玻璃，其尺寸为30mm×40mm×12mm，通过侧挡板和螺钉来固定立柱之间的蓝宝石玻璃，蓝宝石玻璃与铅块试样齐平。伺服电机驱动空心搅拌头旋转，转动行走机构上的手动转轮以及第二梅花型旋钮调整铅块空心搅拌头与试样的相对位置，使空心搅拌头的搅拌针外圆周相切于铅块试样与立柱之间蓝宝石玻璃的结合面，转动支撑轴上的旋钮使旋转着的空心搅拌头缓慢下降插入铅块试样中，然后转动手动转动使铅块试样沿水平方向运动，从而模拟搅拌摩擦焊接过程试验过程中，红外测温仪可从空心轴的上端口透过空心搅拌头轴肩阶梯孔上安装的蓝宝石玻璃检测空心搅拌头轴肩与试样上表面接触部位的温度场分布。同时，通过夹具基座第一立柱与第二立柱之间安放的透明材料可观测和记录模拟焊接过程中试样金属的流动行为或利用红外测温仪可检测到模拟搅拌摩擦焊接过程中铅块试样与透明材料接触部分的温度场分布。

当然在其他实施例中，所述行走机构2也可改成电机驱动，便于精确控制夹具的移动速度和距离，试样材料可根据电机功率选用其他金属，透明材料亦可根据实际需要选用其他材料。

Claims (3)

1.一种搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，其特征在于包括机座(1)、行走机构(2)、夹具夹紧装置(3)、可视化夹具(4)、空心搅拌头(5)、传动机构(7)、导轨(10)和支撑轴(11)；在机座(1)上设有行走机构(2)，所述行走机构(2)内部设有蜗轮蜗杆机构，手动转轮(18)位于行走机构(2)的侧面，通过转动手动转轮(18)使行走机构(2)相对于机座左右移动；行走机构(2)通过内部的蜗轮蜗杆机构与机座(1)配合连接，转动位于机座(1)下部的第一梅花型旋钮(19)可使行走机构(2)相对于机座(1)作前后移动；在行走机构(2)中部安装夹具夹紧装置(3)，夹具夹紧装置(3)上设有可视化夹具(4)；在机座(1)门形框两竖直杆的内侧设有导轨(10)，导轨(10)上装有支撑块(15)，并通过支撑轴(11)和旋钮(12)固定在导轨(10)上，支撑块(15)上设有传动机构(7)，传动机构(7)与可视化夹具(4)相对的上方的位置通过旋紧螺母(6)连接空心搅拌头(5)；所述空心搅拌头(5)为中空结构上端为锥形，轴肩部分沿中轴线环形方向开有阶梯孔，空心搅拌头(5)上端穿套于空心轴(9)下端内；所述传动机构(7)包括第一皮带轮(8)、空心轴(9)、第二皮带轮(13)、皮带(14)、支撑块(15)、皮带张紧机构(16)以及伺服电机(17)；伺服电机(17)与空心轴(9)通过轴承分别固定在支撑块(15)的两端，支撑块(15)安装在机座(1)两侧的垂直块上的导轨机构(10)上，通过穿过机座(1)门形框上端横杠和支撑块(15)左侧的支撑轴(11)支撑着支撑块(15)，并可通过支撑轴(11)上的旋钮(12)控制支撑块(15)沿机座(1)垂直的导轨(10)上下运动；空心轴(9)上端与第一皮带轮(8)穿套配合并可随第一皮带轮(8)转动。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，其特征在于：所述夹具夹紧装置(3)包括U型块(20)、第一夹块(21)、第二夹块(22)、第二梅花型旋钮(24)和螺杆(23)；第一夹块(21)和第二夹块(22)置于U型块(20)中，螺杆(23)与第二梅花型旋钮(24)固定连接，然后穿过第一夹块(21)和第二夹块(22)后插入U型块(20)的孔中；螺杆(23)上在第一夹块(21)与U型块(20)之间和第二夹块(22)与U型块(20)之间设有螺纹，且两段螺纹互为反向。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接物理模拟试验装置，其特征在于：所述可视化夹具(4)包括夹具基座(25)、侧挡板(28)、第一挡板(29)、第二挡板(30)和长方体垫块(31)；在L型的夹具基座(25)的一侧上设有第一立柱(26)和第二立柱(27)，立柱与夹具基座(25)的L型立柱中间设有长方体垫块(31)，第一立柱(26)与L型立柱上端设有第一挡板(29)，第二立柱(27)与L型立柱上端设有第二挡板(30)，第一立柱(26)和第二立柱(27)的外沿设有侧挡板(28)。

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