CN103592047A - 搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置，由温度采集器、旋转编码器、半自然热电偶、搅拌头、计算机和数据处理软件等部分构成。本发明采用半自然热电偶测温法，将标准热电偶的一级安装到搅拌头中，将自然电极与待焊试样连接。再将两个电极与温度采集器连接，利用热电偶测温原理对摩擦界面的温度进行测量。旋转编码器用于记录搅拌头旋转频率，配合温度采集器记录的温度数值，将位于测量点水平面上不同摩擦界面位置的温度值测量并分离出来。通过温度采集器及旋转编码器与计算机通讯，结合数据处理软件，可以对温度数据进行事后显示和实时监视。

Description

搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置
技术领域：本发明涉及一种搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置。
背景技术：在搅拌摩擦焊接过程中，摩擦界面的温度及其分布对于了解搅拌摩擦焊接过程、研究搅拌摩擦焊产热机制、探索搅拌摩擦焊接过程金属的塑性变形与流动规律，特别是对于阐明接头组织的变化规律及焊接缺陷的形成原因具有重要意义。由于搅拌摩擦焊接过程中，旋转工件的高速旋转、摩擦界面的不可见性、摩擦界面及其附近区域金属的剧烈塑性变形和塑性流动，都给搅拌摩擦焊接摩擦界面温度的测量带来了很大困难。尽管人们经过不懈努力，对搅拌摩擦焊接过程的温度场分布规律有了较明确的认识，但对摩擦界面处的温度分布规律仍未得到满意的结果。因此，一种关于搅拌摩擦焊接摩擦界面温度的测量方法是十分必要的。
发明内容：本发明的目的是提供了一种能够动态采集、采用实时分析模式，测量精度高，范围广的搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置。本发明为一种搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置，第一工件（1）和第二工件（11）水平固定安装，在焊接过程中搅拌头（4）与第一工件（1）和第二工件（11）进行搅拌摩擦，半自然热电偶中的标准电极（6）穿过搅拌头（4）上的通孔（3），焊接到搅拌头（4）外表面上；自然电极（7）与第一工件（1）或第二工件（11）连接，标准电极（6）、自然电极（7）分别与温度采集器（8）连接，温度采集器(8)的温度信号通过数据传输线（10）传输到计算机（12）中，并由计算机（12）中装载的数据处理软件进行分析处理，旋转编码器（5）与安装搅拌头（4）的主轴连接，旋转编码器（5）通过数据采集线（9）将采集到的转速数据传输到计算机（12）中。
搅拌头（4）带有测量位置通孔（3），通孔（3）内布有陶瓷管（2），标准电极（6）通过陶瓷管穿入搅拌头（4）内并有一小部分保留在搅拌头（4）外侧。
本发明采用半自然热电偶测温法，当进行搅拌摩擦焊接时，将半自然热电偶中的标准电极（6）安装到搅拌头（4）中，将自然电极（7）与第一工件（1）或第二工件（11）连接。再将标准电极（6）、自然电极（7）与温度采集器（8）连接，从而利用热电偶测温原理对摩擦界面的温度进行测量。旋转编码器（5）用于记录搅拌头（4）旋转频率，配合温度采集器（8）记录的温度数值，从而可以将位于测量点水平面上不同摩擦界面位置的温度值从温度采集器（8）记录的数值中分离出来，从而通过一个测量点，测量整个测量点所在水平面上摩擦界面的温度数值。通过温度采集器（8）及旋转编码器（5）与计算机（12）通讯，结合数据处理软件，可以对温度数据进行时时监视和事后显示。
半自然热电偶由自然电极（7）和标准电极（6）两部分构成，自然电极用待焊材料制成，标准电极选用与自然电极电特性相差较大的电极。半自然热电偶的热电势与温度间的对应关系通过标定试验获得。搅拌头（4）由标准搅拌头在测量位置打通孔（3）后制得。通孔内布有陶瓷管（2），标准电极通过陶瓷管穿入搅拌头内，并有一小部分漏在搅拌头（4）外侧。焊接时，漏在搅拌头（4）外侧的标准电极（6），与第一工件（1）、第二工件（11）接触，从而形成半自然热电偶，通过半自然热电偶与温度采集器（8）的连接，将温度记录下来。
本发明具有如下优点和效果：
a、本发明采用半自然热电偶的测温原理，采用标准热电偶其中的一个偶丝作为半自然热电偶的一极，称为标准极（6），采用与被焊工件相同材质的金属丝作为自然极（7），两种材料形成非标的热电偶，并进行标定。标准极（6）的测温点埋设在搅拌头（4）的表面，由于被焊工件和自然极采用相同材质，则标准极测温点与被焊工件摩擦界面的接触点即为测温点，焊接过程中测温点位置的温度信号将被半自然热电偶采集，转换为弱电信号，并传送给温度采集器（8）进行数据分析与处理；b、焊接界面为搅拌头（4）和第一工件（1）和第二工件（11）的摩擦界面，由于搅拌摩擦焊接是一个动态过程，因此摩擦界面也是动态变化的，采用常规定点埋设标准热电偶的方法，很难检测到摩擦界面动态温度变化过程。而采用该半自然热电偶测温方法，热电偶的其中一极——标准极（6）直接与搅拌头（4）相连，热电偶的另外一极——自然电极（7）与工件相连，搅拌头（4）在旋转过程中，标准极（6）与焊接界面时刻接触，与自然极（7）形成热电势，能够实时监测焊接界面温度；c、由于搅拌摩擦焊接界面位于工件内部，普通测温方法包括标准热电偶、红外测温等测温方法，均不能准确测量焊接界面温度。而采用半自然热电偶进行测温，半自然热电偶的标准极（6）随搅拌头（4）一同旋转，即标准极（6）的测温点以搅拌头（4）的轴心为圆心做圆周运动，在旋转过程中与工件摩擦界面时刻接触，能够采集到动态摩擦界面的温度；d、在焊接过程中，由编码器（5）采集搅拌头（4）的转速，根据转速数据能够确定自然热电偶的标准极（6）在某一时间点所处的位置，结合温度采集器（8）采集的温度数据，能够确定摩擦界面某一点的温度值。由于标准极（6）的测温点做圆周运动，则半自然热电偶将采集到测温点所在水平面的整个圆周方向界面的温度；e、搅拌头（4）上的标准极（6）可以焊接在不同的竖直位置上，可以对不同平面上的摩擦界面温度进行测量，通过对多个不同高度的摩擦界面进行测量，获得摩擦界面三维温度场。f、采用半自然热电偶对搅拌摩擦焊接界面温度进行采集，热电偶能够准确的检测到摩擦界面处的温度，因此测量温度准确。
本发明可以通过一个测量点，测量整个测量点所在水平面上摩擦界面的温度数值。并通过数据分析软件将不同位置的温度表征出来。
本发明测量精度高，不受被焊材料限制，并且可以测量摩擦界面中任何一点的温度。
本发明可以通过计算机（12）对界面温度进行事后显示分析以及实时监视。
本发明在采用实时模式时，操作者可以根据温度变化值随时改变焊接参数。
附图说明
图1为本发明的组成示意图。
具体实施方式
由图1所示，第一工件1和第二工件11水平固定安装，在焊接过程中搅拌头4与第一工件1和第二工件11进行搅拌摩擦，半自然热电偶中的标准电极6穿过搅拌头4上的通孔3，焊接到搅拌头4外表面上；自然电极7与第一工件1或第二工件11连接，标准电极6、自然电极7分别与温度采集器8连接，温度采集器8的温度信号通过数据传输线10传输到计算机12中，并由计算机12中装载的数据处理软件进行分析处理，旋转编码器5与安装搅拌头4的主轴连接，旋转编码器5通过数据采集线9将采集到的转速数据传输到计算机12中。
搅拌头4带有测量位置通孔3，通孔3内布有陶瓷管2，标准电极6通过陶瓷管穿入搅拌头4内并有一小部分保留在搅拌头4外侧。
本发明装置采用半自然热电偶测温法，当进行搅拌摩擦焊接时，将半自然热电偶中的标准电极6安装到搅拌头4中，将自然电极7与第一工件1或第二工件11连接。再将两个电极与温度采集器8连接，从而利用热电偶测温原理对摩擦界面的温度进项测量。旋转编码器5用于记录搅拌头旋4转频率，配合温度采集器8记录的温度数值，从而可以将位于测量点水平面上不同摩擦界面位置的温度值从温度采集器8记录的数值中分离出来，从而通过一个测量点，测量整个测量点所在水平面上摩擦界面的温度数值。通过温度采集器8及旋转编码器5与计算机12通讯，结合数据处理软件，可以对温度数据进行事后显示和时时监视。

Claims (2)

1.一种搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置，其特征是：第一工件（1）和第二工件（11）水平固定安装，在焊接过程中搅拌头（4）与第一工件（1）和第二工件（11）进行搅拌摩擦，半自然热电偶中的标准电极（6）穿过搅拌头（4）上的通孔（3），焊接到搅拌头（4）外表面上；自然电极（7）与第一工件（1）或第二工件（11）连接，标准电极（6）、自然电极（7）分别与温度采集器（8）连接，温度采集器(8)的温度信号通过数据传输线（10）传输到计算机（12）中，并由计算机（12）中装载的数据处理软件进行分析处理，旋转编码器（5）与安装搅拌头（4）的主轴连接，旋转编码器（5）通过数据采集线（9）将采集到的转速数据传输到计算机（12）中。
2.根据权利要求1所述的一种搅拌摩擦焊接摩擦界面温度测量装置，其特征是：搅拌头（4）带有测量位置通孔（3），通孔（3）内布有陶瓷管（2），标准电极（6）通过陶瓷管穿入搅拌头（4）内并有一小部分保留在搅拌头（4）外侧。
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