CN103212783B - 一种搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，包括垫板主体和设在该垫板主体下表面的沟槽，所述沟槽内设有多个通孔；所述通孔内设有热电偶，且该热电偶的测温端穿过通孔设在被焊工件的测温点处。本发明在满足不同板厚、不同尺寸试板的装夹要求的前提下，实现搅拌摩擦焊接过程中温度场测量，且可满足不同位置测温点的需要，为实现搅拌摩擦焊温度场的全面、可靠、准确测量和表征提供了可能；能有效地防止焊接过程中焊件对接位置处由于塑性材料下陷导致焊缝成型不良的问题，保证了焊接质量；结构简单，制作方便，实用性强，在保证尺寸匹配的条件下，能适合不同材料、不同尺寸焊接的搅拌摩擦焊接及其温度场测量。

Description

一种搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板

技术领域

本发明属于技术材料加工焊接技术领域，尤其涉及搅拌摩擦焊接机的垫板。

背景技术

搅拌摩擦焊（FrictionStirWelding,FSW）作为一种先进的固相连接技术，已经在航空航天、轨道交通、造船、国防工业等领域获得了广泛的应用。通常，在搅拌摩擦焊过程中搅拌摩擦焊设备会产生较大的摩擦力和顶锻力，因此必须对焊件进行严格的装夹（包括对焊接背部的刚性支撑），以保证焊接接头的质量。同时，搅拌摩擦焊是通过复杂的“热—力耦合”作用来实现，焊接温度场是与“热—力耦合”最密切相关的参数，对焊接过程中的塑性流动、接头最终组织与性能都有重要影响，也是搅拌摩擦焊数值模拟技术的基础及重要研究内容。S.Lu等人的研究（ThermalCycleCharacteristicsofAM50MagnesiumAlloyWeldedbyFSW[J].KeyEngineeringMaterials,2010,419-420:533-536.）还表明，搅拌摩擦焊温度场在焊件纵向、横向及厚度三维方向上具有不对称梯度分布的特征。

因此，在搅拌摩擦焊的研究和应用中，必须测量并分析研究焊接温度场，尤其是包含焊核区、热机影响区的轴肩范围以内的三维方向温度场。焊接温度场是指焊接过程中，某一时刻焊接接头中的温度分布。在实际研究和应用中一般都是通过测量焊接热循环曲线，即在焊接热源作用下焊件上某点的温度随时间变化的曲线，进而描绘焊接温度场特征。也可直接从焊接热循环曲线中提取加热速度、最高加热温度、在相变温度以上停留的时间和冷却速度等重要参数，从而对搅拌摩擦焊的“热—力耦合”过程及接头组织与性能进行分析研究。

目前，主要是通过热电偶或红外测温技术测量焊接热循环曲线或焊接温度场。红外测温是一种非接触测温技术，一般只能测试焊件上表面的温度；热电偶因具有装配简单、更换方便、测量精度高、测量范围大（－270℃～2800℃）、热响应时间快等优点，是焊接热循环曲线或焊接温度场的主要测量方法。但热电偶必须通过接触测温，一般都是采用“自上而下”的方法，即在被焊试板上表面（或从上表面钻孔至内部某点）固定布置热电偶进行测量。由于轴肩和搅拌针在搅拌摩擦焊的过程中对布置在轴肩范围内的热电偶会产生破坏作用，现有的热电偶测试方法只能获取轴肩以外的焊接热循环曲线或焊接温度场，对轴肩范围以内的焊接温度场则难以进行完整、精确的测量。也有人采用沿焊接试板侧面（即宽度方向）钻孔的方式布置热电偶测量轴肩范围以内的焊接温度场，但因距离长、钻孔定位不准、热偶固定难，并对试板破坏较大，从而影响实验结果的准确性和焊接质量等问题，且一次只能测试有限几个点的温度，故难以实施和推广。

由此可知，限于搅拌摩擦焊设备、焊接过程和热电偶测温的特点，为防止热电偶被搅拌工具的轴肩和搅拌针所破坏，现行的搅拌摩擦焊温度场测试都主要集中在轴肩外沿的一定范围内，并采用“自上而下”——从试板上表面加工盲孔后将热电偶固定的方法进行测温；即使在轴肩范围内布置热电偶，也仅能真实地记录热电偶被搅拌工具破坏以前的温度变化情况，因此并不能够全面、如实地反映焊缝的温度场，尤其是包含焊核区、热机影响区的轴肩范围以内的焊接温度场特点。此外，由于工装夹具对空间的占用较大，限制了从试板上表面加工盲孔布置热电偶的数量，导致一次焊接过程中能测量的温度点也较少，为获取一个工艺条件下的全面、系统的焊接温度场，就必须重复进行多次焊接实验，每次布置一组不同的测温点，加大了实验工作量，并因每次施焊条件的偏差引起测量误差。

不难看出，现行的“自上而下”布置热电偶的测温方式受到了搅拌摩擦焊搅拌工具及装夹条件的限制。若采用“自下而上”的方式，即从焊件的下表面布置热电偶，则有可能减少搅拌工具及装夹条件的影响，获得更为全面的焊接温度场数据。但搅拌摩擦焊对于焊件的工装夹持要求十分严格（试板背面往往紧贴在焊接平台上），无法直接从下表面布置热电偶。因此，本发明设计了一种底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板及其方法，以解决搅拌摩擦焊温度场的测试难题。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，在有效地满足试板装夹要求的前提下，实现对包括轴肩范围在内的搅拌摩擦焊接头焊接温度场的测量，并可以有效防止焊接过程中塑性材料的下陷，保证焊接质量。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，包括垫板主体和设在该垫板主体下表面的沟槽，所述沟槽内设有多个通孔；所述通孔内设有热电偶，且该热电偶的测温端穿过通孔设在被焊工件的测温点处。

进一步改进，所述垫板主体中部设有焊缝对准线，且通孔聚集在焊缝对准线左右。

进一步的，沿所述焊缝对准线设置的通孔为螺纹通孔，且所述螺纹通孔未设置热电偶的部分均设有开槽平端紧定螺钉。

进一步的，所述被焊工件底部对应通孔位置设有盲孔，所述热电偶的测温端通过电焊方式固定在盲孔底部。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：在满足不同板厚、不同尺寸试板的装夹要求的前提下，可以满足搅拌摩擦焊接过程中温度场测量，尤其是对于焊接接头轴肩部分温度场的测量要求；垫板的设计可以满足不同位置测温点的需要，为实现搅拌摩擦焊温度场的全面、可靠、准确测量和表征提供了可能；由于垫板能起到模板的作用，可有效保证各测温点的位置的精准度，有利于不同批次实验时，相对应的测试点实验结果的比较；能有效地防止焊接过程中焊件对接位置处（即焊缝中心）由于塑性材料下陷导致焊缝成型不良的问题，保证了焊接质量；结构简单，制作方便，实用性强，在保证尺寸匹配的条件下，能适合不同材料、不同尺寸焊接的搅拌摩擦焊接及其温度场测量。

附图说明

图1为本发明所述搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板的结构示意图；

图2为本发明所述专用垫板底部的结构示意图；

图3为本发明所述开槽平端紧定螺钉的结构示意图；

其中，垫板主体1、沟槽2、焊缝对准线3、通孔4、开槽平端紧定螺钉5。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

参见图1，本发明的一种底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，包括垫板主体和开槽平端紧定螺钉。所述的垫板主体为矩形，其上底面和下底面具有一定平整度；沟槽与凸台等间距地相间分布于垫板下底面，其中沟槽沿下底面的宽度方向（垂直搅拌摩擦焊的焊接方向）加工出来，下底面未加工沟槽的部分即为凸台，沟槽具有一定尺寸与深度；通孔位于沟槽中间部分。其中，在垫板长度方向的中心位置设有焊缝对准线，沿该焊缝对准线上的通孔内功有螺纹，而其他沿该焊缝对准线中心对称集中分布在其左右，且这些通孔没有内螺纹。

所述的开槽平端紧钉螺钉的直径与通孔的内螺纹直径相匹配，其顶端设有用于拧紧和松开的凹槽，其长度略小于垫板的厚度。垫板主体和开槽平端紧钉螺钉均采用不锈钢制造，保证提供足够的力学性能及耐磨、耐腐蚀性能。

使用本发明的专用垫板时，按照以下方法对轴肩范围内的温度场实施测量。首先按焊接的要求将被焊工件与上述专用垫板主体预装配，并使焊缝中心线与垫板主体的焊缝对准线重合。根据轴肩范围内所需测温点的布置方案，通过垫板沟槽上的通孔在被焊工件的下底面上标出一组待测温点的位置，在这些标记位置处由焊件下表面向试板垂直钻出所需深度的盲孔。然后，将热电偶的测温端经由待测点对应的通孔引出垫板的上表面，通过专用点焊机将热电偶的测温端一一固定在焊件待测点位置；再将热电偶沿垫板下底面的沟槽排布、捋平并引出垫板，将热电偶的冷端与专用记录设备连接。当待测温度点的热电偶都一一固定布置好后，用开槽平端紧定螺钉将垫板中心线上未布置热电偶的通孔拧紧封闭，并使螺钉的末端与垫板的上表面平齐。最后，按焊接的要求将被焊工件与专用垫板紧密装配，保证焊缝中心线与垫板主体中心线重合，两者一起固定于搅拌摩擦焊设备的焊接平台。焊接过程中，由专用设备记录所有热电偶的温度变化曲线，即焊接热循环曲线。

需要说明的是，采用上述专用垫板和测温方法，通过改变测温点布置方案，（即改变测温点沿焊缝中心线、沿垂直焊缝中心线、沿板厚的三维尺寸位置），可以测量对应于垫板通孔的所有焊件位置处（包括轴肩范围内和轴肩范围以外）的焊接热循环曲线，从而通过有限次的测试实验，获得三维方向上焊接温度场的全面信息。同时，也可以通过采用本发明的专用垫板，结合使用目前通用的“自上而下”布置热电偶的测温方式测量轴肩范围以外的温度场，而采用本发明的方法测量轴肩范围以内的温度场，拓展本发明的应用，并提高搅拌摩擦焊温度场测试方法的柔性和方便性。

尽管结合附图1对本发明的实施进行了如上表述，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，其特征在于：包括垫板主体和设在该垫板主体下表面的沟槽，所述沟槽内设有多个通孔；所述通孔内设有热电偶，且该热电偶的测温端穿过通孔设在被焊工件的测温点处。

2.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，其特征在于：所述垫板主体中部设有焊缝对准线，且通孔聚集在焊缝对准线左右。

3.根据权利要求2所述搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，其特征在于：沿所述焊缝对准线设置的通孔为螺纹通孔，且所述螺纹通孔未设置热电偶的部分均设有开槽平端紧定螺钉。

4.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，其特征在于：所述被焊工件底部对应通孔位置设有盲孔，所述热电偶的测温端通过电焊方式固定在盲孔底部。