CN104625393A - 搅拌摩擦焊接下压量校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊接下压量校正方法，包括步骤：将距离传感器设置在连接有搅拌头的机头上，搅拌头具有长度为l的搅拌针，控制器内设有搅拌头的设定下压量d₁；使搅拌头的搅拌针接触工件的加工表面，距离传感器测量到工件的待加工表面的初始距离h并传送给控制器；开始焊接，搅拌头连同搅拌针一起下压进入工件的待加工表面且搅拌头的实际下压量定义为d，距离传感器测量到工件的待加工表面的实时距离H并传送给控制器，计算搅拌头的实际下压量d，d＝h-l-H；控制器获得下压量误差Δ，Δ＝d₁-d；控制器基于下压量误差Δ调整实际下压量d而使下压量误差Δ保持在容许范围之内；控制搅拌头继续对工件进行焊接，焊接过程中不断地调整实际下压量d并使下压量误差Δ趋于零。

Description

搅拌摩擦焊接下压量校正方法

技术领域

本发明涉及一种焊接控制方法，尤其涉及一种搅拌摩擦焊接下压量校正方法。

背景技术

与传统的气体保护焊相比，使用搅拌摩擦焊加工铝合金结构所得到的焊缝具有无缺陷、强度高等突出的优点，因此搅拌摩擦焊在工业领域内正得到越来越广泛的应用。特别是在航空航天、高速列车、高速船舶等行业的大型铝合金壳体的加工过程中，搅拌摩擦焊能够加工气体保护焊不好加工或不能加工的高强度焊缝，因而在这些行业中取得了不可替代的地位。

搅拌摩擦焊缝的质量主要取决于三个工艺参数：主轴转速、焊接速度、下压量。为了获得具备预期质量的性能均匀的焊缝，必须对上述三个参数进行精确的控制。传统的搅拌摩擦焊设备的数控系统可以对主轴转速与焊接速度两个参数进行精确的闭环控制，但对下压量的控制精度不足，原因在于传统数控系统通过安装在执行电机上的编码器或安装在导轨上的光栅尺测量执行电机输出轴转过的角度或在导轨上运动的机头在坐标空间中的位置，然后换算搅拌头的位置和下压量，当设备为理想刚体时，这种换算是精确的，然而当设备由于柔性发生非预期变形时就会造成下压量偏离设定值。研究证明，下压量产生0.1mm的变化就会使接头强度产生数十到百余兆帕的变化，而在搅拌摩擦焊过程特有的大顶锻力作用下设备变形会轻易超出这一尺度，因而对焊缝质量造成不良影响。特别是设备变形问题会随着工件尺寸的增大而更加明显，因此焊接大型工件的搅拌摩擦焊设备不得不大幅提高结构尺寸以提高刚度，使设备的体积、重量和成本都大幅上升。另外，由于传统数控系统对搅拌头位置测量和控制的不准确性，系统不能准确获知搅拌针端面与工件背面刚性垫板的距离，为了避免搅拌针与垫板接触造成搅拌针的磨损乃至折断，实际生产中必须在搅拌针端面和垫板之间留出一定的安全空间，导致该区域的材料受到搅拌作用不足、相互结合不充分，从而造成未焊透或弱结合缺陷。

发明内容

鉴于背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其能实现对下压量的动态精确控制，从而提高搅拌摩擦焊接的质量稳定性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其包括步骤：步骤一，将距离传感器设置在连接有搅拌头的机头上，并使距离传感器位于焊接前进方向的一侧且靠近搅拌头并通信连接于控制器，搅拌头具有搅拌针且搅拌针的长度为l并通信连接于控制器，控制器内设有搅拌头的设定下压量d₁；步骤二，使搅拌头的搅拌针接触待焊接工件的加工表面，距离传感器测量距离传感器到工件的待加工表面的初始距离h并将测得的初始距离h传送给控制器；步骤三，开始焊接，在控制器的控制下机头带动搅拌头和距离传感器沿垂直于工件的加工表面的方向运动，搅拌头连同搅拌针一起下压进入工件的待加工表面的对应部分且搅拌头的实际下压量定义为d，距离传感器测量到工件的待加工表面的实时距离H并将测得的实时距离H传送给控制器，控制器基于搅拌头的搅拌针的端面与距离传感器之间的距离固定，h＝d+l+H，计算搅拌头的实际下压量d，d＝h-l-H；步骤四，控制器将搅拌头的实际下压量d与设定下压量d₁比较，获得下压量误差Δ，Δ＝d₁-d；步骤五，控制器基于下压量误差Δ调整搅拌头沿垂直于工件的加工表面的方向运动，以调整实际下压量d而使下压量误差Δ保持在容许范围之内；以及步骤六，控制器控制搅拌头继续对工件进行焊接，在焊接过程中按照规定频率循环执行步骤三至步骤五，从而不断地调整实际下压量d并使下压量误差Δ趋于零。

本发明的有益效果如下：

本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法能够实现对实际下压量的动态精确控制，使实际下压量在焊接过程中与设定下压量的误差控制在容许范围之内，可以解决传统的搅拌摩擦焊设备由于设备变形问题存在的下压量不受控的问题，提高搅拌摩擦焊接的质量稳定性。

附图说明

图1为根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法的测量原理示意图；

图2为根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法的焊接结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1距离传感器                 4控制器

N探针                       5工件

2搅拌头                     51加工表面

21搅拌针                    6刚性垫板

211端面                     7执行电机

3机头                       8传动机构

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法。

参照图1和图2，根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法包括步骤：步骤一，将距离传感器1设置在连接有搅拌头2的机头3上，并使距离传感器1位于焊接前进方向的一侧且靠近搅拌头2并通信连接于控制器4，搅拌头2具有搅拌针21且搅拌针21的长度为l并通信连接于控制器4，控制器4内设有搅拌头2的设定下压量d₁；步骤二，使搅拌头2的搅拌针21接触待焊接工件5的加工表面51，距离传感器1测量距离传感器1到工件5的待加工表面51的初始距离h并将测得的初始距离h传送给控制器4；步骤三，开始焊接，在控制器4的控制下机头3带动搅拌头2和距离传感器1沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动，搅拌头2连同搅拌针21一起下压进入工件5的待加工表面51的对应部分且搅拌头2的实际下压量定义为d，距离传感器1测量到工件5的待加工表面51的实时距离H并将测得的实时距离H传送给控制器4，控制器4基于搅拌头2的搅拌针21的端面211与距离传感器1之间的距离固定，h＝d+l+H，计算搅拌头2的实际下压量d，d＝h-l-H；步骤四，控制器4将搅拌头2的实际下压量d与设定下压量d₁比较，获得下压量误差Δ，Δ＝d₁-d；步骤五，控制器4基于下压量误差Δ调整搅拌头2沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动，以调整实际下压量d而使下压量误差Δ保持在容许范围之内；以及步骤六，控制器4控制搅拌头2继续对工件5进行焊接，在焊接过程中按照规定频率循环执行步骤三至步骤五，从而不断地调整实际下压量d并使下压量误差Δ趋于零。

本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法能够实现对实际下压量d的动态精确控制，使实际下压量d在焊接过程中与设定下压量d₁的误差控制在容许范围之内，可以解决传统的搅拌摩擦焊设备由于设备变形问题存在的下压量不受控的问题，提高搅拌摩擦焊接的质量稳定性。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法中，参照图1和图2，待焊接工件5的加工表面51的相反侧设置有刚性垫板6，待焊接工件5的厚度为w，搅拌头2的搅拌针21的端面211距离刚性垫板6的距离为w，则w＝s+l+d，基于h＝d+l+H，得到d+l＝h-H，则搅拌头2的搅拌针21的端面211距离刚性垫板6的距离为s＝w-h+H；控制器4还预先将焊接工件5的厚度w存储，以基于接收的来自距离传感器1的初始距离h和实时距离H控制搅拌头2的搅拌针21的端面211距离刚性垫板6的距离s并保证0＜s＜s′，s′为足以产生弱结合缺陷的极限距离。由此可以准确地控制搅拌头2与工件5的相对位置，在保证搅拌针21不接触刚性垫板6的前提下令搅拌针21的端面211距离刚性垫板6的距离s小于极限值s′，避免产生弱结合缺陷。此外，可以通过距离s选用合适的搅拌针针长，大幅减小搅拌针21与刚性垫板6之间的安全距离，从而避免搅拌摩擦焊接过程中的背面未焊透和弱结合缺陷，解决长期存在的工艺问题。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法中，在步骤二和步骤三中，可忽略搅拌头2和机头3自身的变形，因为搅拌头2和机头3自身的变形不足以对下压量的测量和控制器4对搅拌头2的控制结果造成明显误差。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法的一实施例中，控制器4可为具有人机界面的工控机。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法中，通信连接可为有线连接或无线连接。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法的一实施例中，参照图1和图2，距离传感器1可为具有探针N的直线位移传感器，直线位移传感器通过探针N与工件5的待加工表面51的接触来确定初始距离h和实时距离H。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法的一实施例中，距离传感器1可为激光传感器。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法中，在步骤六中，规定频率可为固定频率。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量校正方法中，在步骤二至步骤六中，参照图2，控制器4可通过控制与机头3连接的执行电机7和传动机构8来控制机头3沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动。

Claims (9)

1.一种搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，包括步骤：

步骤一，将距离传感器(1)设置在连接有搅拌头(2)的机头(3)上，并使距离传感器(1)位于焊接前进方向的一侧且靠近搅拌头(2)并通信连接于控制器(4)，搅拌头(2)具有搅拌针(21)且搅拌针(21)的长度为l并通信连接于控制器(4)，控制器(4)内设有搅拌头(2)的设定下压量d₁；

步骤二，使搅拌头(2)的搅拌针(21)接触待焊接工件(5)的加工表面(51)，距离传感器(1)测量距离传感器(1)到工件(5)的待加工表面(51)的初始距离h并将测得的初始距离h传送给控制器(4)；

步骤三，开始焊接，在控制器(4)的控制下机头(3)带动搅拌头(2)和距离传感器(1)沿垂直于工件(5)的加工表面(51)的方向运动，搅拌头(2)连同搅拌针(21)一起下压进入工件(5)的待加工表面(51)的对应部分且搅拌头(2)的实际下压量定义为d，距离传感器(1)测量到工件(5)的待加工表面(51)的实时距离H并将测得的实时距离H传送给控制器(4)，控制器(4)基于搅拌头(2)的搅拌针(21)的端面(211)与距离传感器(1)之间的距离固定，h＝d+l+H，计算搅拌头(2)的实际下压量d，d＝h-l-H；

步骤四，控制器(4)将搅拌头(2)的实际下压量d与设定下压量d₁比较，获得下压量误差Δ，Δ＝d₁-d；

步骤五，控制器(4)基于下压量误差Δ调整搅拌头(2)沿垂直于工件(5)的加工表面(51)的方向运动，以调整实际下压量d而使下压量误差Δ保持在容许范围之内；以及

步骤六，控制器(4)控制搅拌头(2)继续对工件(5)进行焊接，在焊接过程中按照规定频率循环执行步骤三至步骤五，从而不断地调整实际下压量d并使下压量误差Δ趋于零。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，

待焊接工件(5)的加工表面(51)的相反侧设置有刚性垫板(6)，

待焊接工件(5)的厚度为w，搅拌头(2)的搅拌针(21)的端面(211)距离刚性垫板(6)的距离为w，则w＝s+l+d，基于h＝d+l+H，得到d+l＝h-H，则搅拌头(2)的搅拌针(21)的端面(211)距离刚性垫板(6)的距离为s＝w-h+H；

控制器(4)还预先将焊接工件(5)的厚度w存储，以基于接收的来自距离传感器(1)的初始距离h和实时距离H控制搅拌头(2)的搅拌针(21)的端面(211)距离刚性垫板(6)的距离s并保证0＜s＜s′，s′为足以产生弱结合缺陷的极限距离。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，在步骤二和步骤三中，忽略搅拌头(2)和机头(3)自身的变形。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，控制器(4)为具有人机界面的工控机。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，通信连接为有线连接或无线连接。

6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，距离传感器(1)为具有探针(N)的直线位移传感器，直线位移传感器通过探针(N)与工件(5)的待加工表面(51)的接触来确定初始距离h和实时距离H。

7.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，距离传感器(1)为激光传感器。

8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，在步骤六中，规定频率为固定频率。

9.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其特征在于，在步骤二至步骤六中，控制器(4)通过控制与机头(3)连接的执行电机(7)和传动机构(8)来控制机头(3)沿垂直于工件(5)的加工表面(51)的方向运动。