CN103644977A - 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 - Google Patents

Abstract

本发明公开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,专用垫板包括垫板主体和紧定螺钉,垫板主体包括上底面和下底面,垫板主体的长度方向与搅拌摩擦焊的焊接方向一致，下底面上垂直于搅拌摩擦焊的焊接方向设有若干沟槽和凸台,沟槽和凸台交替设置,每个沟槽的中部位置有通孔,沿垫板长度方向中心线上的一组通孔内攻有螺纹,紧定螺钉旋入攻有螺纹的通孔内。本发明的专用垫板及其测量方法，能够在搅拌摩擦焊过程中精确、可靠地测量焊件轴肩范围内三维方向各测试点的焊接热循环曲线，进而全面了解和掌握焊接温度场，对于全面系统地实现搅拌摩擦焊温度场的测试，进而促进搅拌摩擦焊的科学研究与工程应用，都具有重要的意义。

Description

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

技术领域

    本发明涉及一种底部开槽搅拌摩擦焊温度场的测量专用垫板及其方法，属于机械技术及材料工程领域。

背景技术

    搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, 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（Thermal Cycle Characteristics of AM 50 Magnesium Alloy Welded by FSW [J]. Key Engineering Materials,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底面的温度；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，即在被焊试板上底面（或从上底面钻孔至内部某点）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”——从试板上底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，限制了从试板上底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，亟需新的技术方案来解决搅拌摩擦焊温度场的测试难题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供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，解决无法方便、准确、可靠地测得焊件在搅拌工具轴肩范围以内温度场的问题，从而有效获取焊接温度场的全面信息。

技术方案：为实现上述目的，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,包括垫板主体和紧定螺钉,所述垫板主体上包括上底面和下底面, 垫板主体的长度方向与搅拌摩擦焊的焊接方向一致，下底面上垂直于搅拌摩擦焊的焊接方向设有若干沟槽和凸台,沟槽和凸台交替设置,每个沟槽的中部位置有若干通孔, 所述沿垫板主体长度方向中心线上的一组通孔内攻有螺纹,紧定螺钉旋入攻有螺纹的通孔内。

作为优选，所述垫板主体为矩形，其上底面和下底面具有一定的平整度。所述沟槽与凸台在下底面等间距地相间分布，所述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。沟槽和凸台的长度与垫板主体的宽度相同，沟槽的宽度、深度与测温所用热电偶的外径相适应，并留有一定余量，以保证热电偶完全放置于沟槽内；凸台具有一定的宽度，两凸台之间为沟槽，凸台面至沟槽底面的距离即为沟槽的深度。

作为优选，所述每个沟槽的若干通孔以垫板主体长度方向的中心线为中心对称分布。通孔之间相隔一定间距，其直径与热电偶的外径相匹配，其中，沿垫板主体长度方向中心线上的一组通孔内攻有螺纹，其他各组通孔无内螺纹并以中心线上的一组通孔为中心对称分布。

作为优选，所述紧定螺钉为开槽平端紧定螺钉，其直径与通孔的内螺纹直径相匹配，紧定螺钉顶端设有用于拧紧和松开的凹槽，凹槽长度略小于垫板的厚度。开槽平端紧定螺钉主要作用在于，在两块焊件试板对接的相应垫板处，即沿垫板主体长度方向（焊接方向）的中心线上，将未布置热电偶的通孔封闭，避免焊接过程中塑性材料下陷进入通孔。

作为优选，所述垫板主体和紧定螺钉的材质均为不锈钢，保证提供足够的力学性能及耐磨、耐腐蚀性能。。

本发明还公开一种基于上述专用垫板的搅拌摩擦焊温度场测量方法，在满足焊件试板装夹的前提下，将热电偶的测温端经由沟槽中间的通孔引出并穿过垫板主体的上底面，再将热电偶测温端固定在焊件待测温位置处，然后将垫板主体与焊件试板和焊接工作台装配，焊接过程中记录热电偶的温度变化曲线。

上述方法的具体步骤如下：

首先，按焊接的要求将焊件试板与所述专用垫板预装配，并使焊缝中心线与垫板主体中心线重合，根据轴肩范围内所需测温点的布置方案，通过沟槽上的通孔在焊件试板的下表面上标出一组待测温点的位置，在这些标记位置处由焊件试板下表面向焊件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主体的上底面，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；

再将热电偶沿下底面的沟槽排布、捋平并引出垫板主体，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主体中心线上未布置热电偶的通孔拧紧封闭，并使开槽平端紧定螺钉的末端与垫板主体的上底面平齐；

最后，按焊接的要求将焊件试板与专用垫板紧密装配，保证焊缝中心线与垫板主体长度方向的中心线重合，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。

作为优选，所述的热电偶测温端固定通过点焊固定，即采用专用点焊机点焊在所述的焊件盲孔底部。

作为优选，所述沿垫板长度方向（焊接方向）中心线上的通孔中若不布置热电偶，则用开槽平端紧定螺钉拧紧，并使螺钉的末端与垫板主体的上底面平齐。

有益效果：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及其方法与现有技术相比，具有以下优点：

(1)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；

(2)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；

(3) 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；

(4) 借助开槽平端紧定螺钉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；

(5)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为垫板上底面示意图；

图2为垫板下底面示意图；

图3为开槽平端紧定螺钉示意图；

图中，1垫板主体，2紧定螺钉，3上底面，4下底面，5沟槽，6凸台，7通孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图3所示，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1和紧定螺钉2,垫板主体1包括上底面3和下底面4, 垫板主体1的长度方向与搅拌摩擦焊的焊接方向一致，下底面4上垂直于搅拌摩擦焊的焊接方向设有若干沟槽5和凸台6,沟槽5和凸台6交替设置,每个沟槽5的中部位置有若干通孔7, 沿垫板主体1长度方向（焊接方向）中心线上的一组通孔7内攻有螺纹,紧定螺钉2旋入攻有螺纹的通孔7内。

本实施例中，垫板主体1为矩形，其上底面3和下底面4具有一定的平整度，沟槽5与凸台6在下底面4等间距地相间分布，其中，沟槽5沿下底面4的宽度方向（垂直搅拌摩擦焊的焊接方向）加工出来，下底面4未加工沟槽5的部分即为凸台6，每个沟槽5的若干通孔7沿螺纹孔中心对称分布，紧定螺钉2为开槽平端紧定螺钉2，紧定螺钉2顶端设有用于拧紧和松开的凹槽，凹槽长度略小于垫板主体1的厚度，垫板主体1和紧定螺钉2的材质为不锈钢。

一种基于上述专用垫板的搅拌摩擦焊温度场测量方法，在满足焊件试板装夹的前提下，将热电偶的测温端经由沟槽5中间的通孔7引出并穿过垫板主体1的上底面3，再将热电偶测温端固定在焊件待测温位置处，然后将垫板主体1与焊件试板和焊接工作台装配，焊接过程中记录热电偶的温度变化曲线。

上述方法具体包括以下步骤：

首先，按焊接的要求将焊件试板与专用垫板预装配，并使焊缝中心线与垫板主体1中心线重合，根据轴肩范围内所需测温点的布置方案，通过垫板沟槽5上的通孔7在焊件试板的下表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7引出垫板的上底面3，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4的沟槽5排布、捋平并引出垫板主体1，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，的热电偶测温端固定通过点焊固定，即采用专用点焊机点焊在的焊件盲孔底部，用开槽平端紧定螺钉2将垫板主体1中心线上未布置热电偶的通孔7拧紧封闭，并使开槽平端紧定螺钉2的末端与垫板主体1的上底面平齐；

最后，按焊接的要求将焊件试板与专用垫板紧密装配，保证焊缝中心线与垫板主体1长度方向的中心线重合，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。

本实施例中，沿垫板长度方向（焊接方向）中心线上的通孔7中若不布置热电偶，则用开槽平端紧定螺钉2拧紧，并使开槽平端紧定螺钉2的末端与垫板的上底面3平齐。

本发明的一种底部开槽搅拌摩擦焊温度场的测量专用垫板及其方法，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7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。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种底部开槽的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（1）和紧定螺钉（2）,所述垫板主体（1）包括上底面（3）和下底面（4）, 垫板主体（1）的长度方向与搅拌摩擦焊的焊接方向一致，下底面（4）上垂直于搅拌摩擦焊的焊接方向设有若干沟槽（5）和凸台（6）,沟槽（5）和凸台（6）交替设置,每个沟槽（5）的中部位置有若干通孔（7）,沿垫板主体（1）长度方向中心线上的一组通孔（7）内攻有螺纹,所述紧定螺钉（2）旋入攻有螺纹的通孔（7）内。

2.    根据权利要求1所述的底部开槽的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（1）为矩形，所述沟槽（5）与凸台（6）在下底面（4）等间距地相间分布，所述沟槽（5）沿下底面（4）的宽度方向加工出来，下底面（4）未加工沟槽（5）的部分即为凸台（6）。

3.根据权利要求1所述的底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，其特征在于：所述每个沟槽（5）的若干通孔（7）以垫板主体（1）长度方向的中心线为中心对称分布。

4.根据权利要求1所述的底部开槽的搅拌摩擦焊温度场测量专用垫板，其特征在于：所述紧定螺钉（2）为开槽平端紧定螺钉（2），紧定螺钉（2）顶端设有用于拧紧和松开的凹槽，凹槽长度略小于垫板主体（1）的厚度。

5.根据权利要求1所述的底部开槽的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（1）和紧定螺钉（2）的材质均为不锈钢。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述的底部开槽的专用垫板的搅拌摩擦焊温度场测量方法，其特征在于：在满足焊件试板装夹的前提下，将热电偶的测温端经由沟槽（5）中间的通孔（7）引出并穿过垫板主体（1）的上底面（3），再将热电偶测温端固定在焊件待测温位置处，然后将垫板主体（1）与焊件试板和焊接工作台装配，焊接过程中记录热电偶的温度变化曲线。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于包括以下步骤：

首先，按焊接的要求将焊件试板与所述专用垫板预装配，并使焊缝中心线与垫板主体（1）中心线重合，通过沟槽（5）上的通孔（7）在焊件试板的下表面标出一组待测温点的位置，在这些标记位置处由焊件试板下表面向焊件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（7）引出垫板主体（1）的上底面（3），通过点焊机将热电偶的测温端一一固定在焊件试板待测点位置；

再将热电偶沿下底面（4）的沟槽（5）排布、捋平并引出垫板主体（1），将热电偶的冷端与记录设备连接，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（2）将垫板主体（1）中心线上未布置热电偶的通孔（7）拧紧封闭，并使开槽平端紧定螺钉（2）的末端与垫板主体（1）的上底面（3）平齐；

最后，按焊接的要求将焊件试板与专用垫板紧密装配，保证焊缝中心线与垫板主体（1）长度方向的中心线重合，两者一起固定于搅拌摩擦焊设备的焊接平台，焊接过程中，记录所有热电偶的温度变化曲线，即焊接热循环曲线。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述的热电偶测温端固定通过点焊固定。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于：所述沿垫板主体（1）长度方向中心线上的通孔（7）中未布置热电偶的通孔（7），要用开槽平端紧定螺钉（2）拧紧，并使开槽平端紧定螺钉（2）的末端与垫板主体（1）的上底面（3）平齐。

Images