CN107457479B - 一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，主要包括搅拌头主体、夹持装置、超声波辅助装置和终端控制器，搅拌头主体内部由上至下分别设有驱动段搅拌针和传动段搅拌针，传动段搅拌针的内部设有温度传感器和电导丝，驱动段搅拌针的上方连接有驱动电机，搅拌头主体的外壁上设有两个横向凹槽，夹持装置通过横向凹槽与搅拌头主体相连，夹持装置内部设有电缆接盘，分别连接驱动电机和终端控制器，夹持装置的外壁设有横向夹杆，超声波辅助装置分别通过横向夹杆和导线与搅拌头主体和终端控制器连接；总之，本发明焊接效果良好，适应性广泛。

Description

一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置及方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction stir welding简称FSW)是1991年英国焊接研究所发明的一项固相连接技术，具有焊接变形小、焊接质量高和绿色无污染等优点，被称为“21世纪最具革命性的连接技术”。

无论是平面还是曲面，搅拌摩擦焊的工业应用主要集中在等厚焊接组件，现有技术中也提出了可调节式的搅拌头，但这无法满足在焊接厚度不均时可根据实施情况对搅拌针进行调控，以使其达到良好的焊接效果。但是由于焊接过程中，搅拌头受到巨大的轴向下压力和水平剪切力，其焊接速度受限，搅拌头磨损严重，也在一定程度上难以实现实时反馈，如果根据此粗略地变换搅拌针的长度，会加剧搅拌头的磨损，严重时会导致搅拌针断裂，焊接质量严重下降，影响了搅拌头的使用寿命；同时，对搅拌摩擦焊设备和工装卡具也提出了很高的要求。国内外学者通过采用移动式感应线圈、电阻热、激光能或等离子弧做等附加辅助热源的方法来改善焊接环境，但是他们具有适用范围窄、效率低或者可使用工艺参数少等缺点。

超声波是声波的一种，具有频率高、穿透能力强等特点。超声波不仅可以改变材料的本构关系，降低其变形抗力，通过在搅拌摩擦焊的过程中复合超声来改善焊接环境，从而提高焊接速度和焊接质量。还多用于金属探伤检测和内部结构成像检测，因此，现需要一种能够对厚度不均的焊接组件先进行预扫描形成厚度梯度曲线，又能在焊接过程中改善焊接环境，同时还能进行焊接后的成像检查的摩擦搅拌焊接装置。

发明内容

针对以上技术问题，本发明提供一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置及方法。

本发明的技术方案为：一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，主要包括搅拌头主体、夹持装置、超声波辅助装置和终端控制器，搅拌头主体的下端固定连接有圆形凸台，搅拌头主体内部设有可伸缩搅拌针，可伸缩搅拌针分为传动段搅拌针和驱动段搅拌针，传动段搅拌针和驱动段搅拌针的交界处设有限位环，传动段搅拌针位于搅拌头主体内部的下端并贯穿圆形凸台，传动段搅拌针的内部末端设有温度传感器，可对搅拌针的温度进行实时反馈，温度传感器的上方设有电导丝，当搅拌针摩擦时热度不够时使用电导丝加热，有助于焊接，驱动段搅拌针位于传动段搅拌针的上方，驱动段搅拌针为嵌套空心圆柱形结构，驱动段搅拌针的上方连接有驱动电机，可实现搅拌针长度的自由伸缩，搅拌头主体的外壁上设有两个横向凹槽，横向凹槽的底面上设有压力传感器，监控轴肩压力，防止压力过大导致的飞边缺陷，夹持装置通过横向凹槽与搅拌头主体活动连接，夹持装置内部设有电缆接盘，电缆接盘的下端分别通过绝缘导线与温度传感器、压力传感器、驱动电机和电导丝相连，夹持装置的外壁靠近横向凹槽方向处设有横向夹杆，超声波辅助装置包括超声波发生器和超声波探测器，超声波发生器通过导线与超声波探测器相连，超声波探测器与横向夹杆活动连接，终端控制器分别与超声波发生器和电缆接盘通过电缆线相连。

进一步的，超声波探测器的末端设有半球形壳体外罩，半球形壳体外罩上设有-个通孔，半球形壳体外罩内还设有与2-8个通孔相对应的超声波探头，超声波探头分别通过导线与超声波发生器相连，分布为半球形的超声波探头无论是在竖直方向还是倾斜方向都能发挥最大的功效。

进一步的，超声波探测器具有前期探测组件厚度、中期超声振动辅助焊接和后期成像检测三个功能，超声波探测器在前期探测组件厚度功能可将组件的厚度由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至终端控制器转化为数字信号，并记录成为组件厚度梯度曲线，便于中期搅拌针实现自由伸缩调整长度；超声波探测器的中期超声振动辅助焊接功能可提高摩擦焊接的效率，并减缓搅拌针的磨损；超声波探测器的后期成像检测可即时检测到焊接组件的有无内部缺陷的情况。

进一步的，搅拌头主体外壁靠近圆形凸台上方的位置设有两个喇叭形喷嘴，喇叭形喷嘴远离搅拌头主体的一侧设有进气口，进气口可连接空压机或制冷机，防止搅拌头本体过热而影响焊接质量。

进一步的，横向夹杆的末端连有双层夹环，双层夹环包括左外环、左内环、右外环和右内环，左外环和左内环通过压缩弹簧连接，右外环和右内环通过固定杆连接，当搅拌头主体下压时，压缩弹簧的设置易于超声波探测器在压力作用下发生倾斜偏移。

进一步的，传动段搅拌针形状可为反螺纹圆柱形、正螺纹圆柱形、正螺纹圆锥形、反螺纹圆锥形、正螺纹凸轮形或反螺纹凸轮形中任意一种。

进一步的，传动段搅拌针形状优选的使用反螺纹圆锥形，采用反螺纹圆锥形的表面和内部缺陷相较更小。

一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

步骤一：将两个厚度不均的焊接组件拼接为待焊接头，焊接组件的上表面水平，先利用超声波探测器以频率为0.5-15MHZ、移动速度为60-100mm/s对沿两个焊接组件的缝隙进行测厚，将测量的焊接组件厚度由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至终端控制器转化为数字信号，并记录成为组件厚度梯度曲线；

步骤二：下压搅拌头主体，将传动段搅拌针对准上述步骤一中的超声波探测器的起始原点，并使得超声波探测器在压力作用下发生倾斜偏移，超声波探头距搅拌头主体轴线10-50mm，利用电导丝对传动段搅拌针进行预加热，同时超声波探头以15-60KHZ的频率在传动段搅拌针前方进行振动辅助，传动段搅拌针根据组件厚度梯度曲线以向前行进，并根据组件厚度通过驱动电机和驱动段搅拌针控制变换传动段搅拌针的长度，搅拌头主体的转速为350-1100r/min，焊接速度50-300mm/min。

步骤三：当焊接到末尾时，传动段搅拌针缓慢回缩并使搅拌头主体远离焊接面，此时，超声波探头在压力减少下恢复垂直状态，并以频率为0.5- 15MHZ、移动速度为50-120mm/s沿返程方向对焊接组件进行成像检测。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明的搅拌摩擦焊接装置可利用超声波辅助对厚度不均的组件进行焊接，其中，超声波探测器先进行前期探测组件厚度，超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至终端控制器转化为数字信号，并记录成为组件厚度梯度曲线；中期驱动电机和驱动段搅拌针控制变换传动段搅拌针根据组件厚度梯度曲线变换长度，同时利用超声振动辅助焊接提高摩擦焊接的效率，并减缓搅拌针的磨损；后期成像检测可即时检测到焊接组件的有无内部缺陷的情况。其中，超声波探测器可活动连接在搅拌头主体上，并可改变倾斜角度，操作更加方便，其中，超声波探测器末端设有分布为半球形的超声波探头，无论是在竖直方向还是倾斜方向都能发挥最大的功效。总之，本发明设计合理、焊接缺陷少、焊接效果良好，具有广泛的适应性。

附图说明

图1是本发明的整体结构及连接关系示意图；

图2是本发明的超声波探测器末端的结构示意图；

图3是本发明的双层夹环的结构示意图；

图4是本发明的超声波探测器的前期探测组件厚度的运动状态图；

图5是本发明的超声波探测器的中期超声振动辅助焊接的运动状态图；

图6是本发明的超声波探测器的后期成像检测的运动状态图。

其中，1-搅拌头主体、11-圆形凸台、12-可伸缩搅拌针、121-传动段搅拌针、1211-温度传感器、1212-电导丝、122-驱动段搅拌针、13-驱动电机、14- 横向凹槽、141-压力传感器、15-喇叭形喷嘴、151-进气口、2-夹持装置、21- 电缆接盘、22-横向夹杆、23-双层夹环、231-左外环、232-左内环、233-右外环、234-右内环、235-压缩弹簧、236-固定杆、3-超声波辅助装置、31-超声波发生器、32-超声波探测器、321-半球形壳体外罩、322-通孔、323-超声波探头、4-终端控制器、5-焊接组件。

具体实施方式

为便于对本发明实施例的理解，下面以具体实施例为例做进一步的解释说明，实施例并不构成对本发明实施例的限定。

如图1、4、5、6所示，一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，主要包括搅拌头主体1、夹持装置2、超声波辅助装置3和终端控制器4，搅拌头主体1的下端固定连接有圆形凸台11，搅拌头主体1内部设有可伸缩搅拌针12，可伸缩搅拌针12分为传动段搅拌针121和驱动段搅拌针122，其中，传动段搅拌针121形状为反螺纹圆锥形，采用反螺纹圆锥形的表面和内部缺陷相较更小。传动段搅拌针121和驱动段搅拌针122的交界处设有限位环123，传动段搅拌针121位于搅拌头主体1内部的下端并贯穿圆形凸台11，传动段搅拌针121的内部末端设有温度传感器1211，可对搅拌针的温度进行实时反馈，温度传感器1211的上方设有电导丝1212，当搅拌针摩擦时热度不够时使用电导丝1212加热，有助于焊接，驱动段搅拌针122位于传动段搅拌针121的上方，驱动段搅拌针122为嵌套空心圆柱形结构，驱动段搅拌针122的上方连接有驱动电机13，可实现搅拌针长度的自由伸缩，搅拌头主体1的外壁上设有两个横向凹槽14，横向凹槽14的底面上设有压力传感器141，监控轴肩压力，防止压力过大导致的飞边缺陷。其中，搅拌头主体1外壁靠近圆形凸台11上方的位置设有两个喇叭形喷嘴15，喇叭形喷嘴15远离搅拌头主体1的一侧设有进气口151，进气口151可连接空压机或制冷机，防止搅拌头本体过热而影响焊接质量。

夹持装置2通过横向凹槽14与搅拌头主体1活动连接，夹持装置2内部设有电缆接盘21，电缆接盘21的下端分别通过绝缘导线与温度传感器1211、压力传感器141、驱动电机13和电导丝1212相连，夹持装置2的外壁靠近横向凹槽14方向处设有横向夹杆22，如图3所示，横向夹杆22的末端连有双层夹环23，双层夹环23包括左外环231、左内环232、右外环233和右内环234，左外环231和左内环232通过压缩弹簧235连接，右外环233和右内环234通过固定杆236连接，当搅拌头主体1下压时，压缩弹簧235的设置易于超声波探测器32在压力作用下发生倾斜偏移。

超声波辅助装置3包括超声波发生器31和超声波探测器32，如图2所示，超声波探测器32的末端设有半球形壳体外罩321，半球形壳体外罩321上设有7个通孔322，半球形壳体外罩321内还设有与7个通孔322相对应的超声波探头323，超声波探头323分别通过导线与超声波发生器32相连，分布为半球形的超声波探头323无论是在竖直方向还是倾斜方向都能发挥最大的功效；其中超声波探测器32具有前期探测组件厚度、中期超声振动辅助焊接和后期成像检测三个功能，超声波探测器32在前期探测组件厚度功能可将组件的厚度由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至终端控制器4转化为数字信号，并记录成为组件厚度梯度曲线，便于中期搅拌针实现自由伸缩调整长度；超声波探测器32的中期超声振动辅助焊接功能可提高摩擦焊接的效率，并减缓搅拌针的磨损；超声波探测器32的后期成像检测可即时检测到焊接组件的有无内部缺陷的情况。超声波发生器31通过导线与超声波探测器32相连，超声波探测器32与横向夹杆22活动连接，终端控制器4分别与超声波发生器31和电缆接盘21通过电缆线相连。

一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接方法，包括以下步骤：

步骤一：将两个厚度不均的焊接组件5拼接为待焊接头，焊接组件5的上表面水平，先利用超声波探测器32以频率为8MHZ、移动速度为80mm/s对沿两个焊接组件5的缝隙进行测厚，将测量的焊接组件5厚度由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至终端控制器4转化为数字信号，并记录成为组件厚度梯度曲线；

步骤二：下压搅拌头主体1，将传动段搅拌针121对准上述步骤一中的超声波探测器32的起始原点，并使得超声波探测器32在压力作用下发生倾斜偏移，超声波探头323距搅拌头主体1轴线30mm，利用电导丝1212对传动段搅拌针121进行预加热，同时超声波探头323以25KHZ的频率在传动段搅拌针121 前方进行振动辅助，传动段搅拌针121根据组件厚度梯度曲线以向前行进，并根据组件厚度通过驱动电机13和驱动段搅拌针122控制变换传动段搅拌针121 的长度，搅拌头主体1的转速为750r/min，焊接速度180mm/min。

步骤三：当焊接到末尾时，传动段搅拌针121缓慢回缩并使搅拌头主体1 远离焊接面，此时，超声波探头323在压力减少下恢复垂直状态，并以频率为 7MHZ、移动速度为75mm/s沿返程方向对焊接组件5进行成像检测。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，主要包括搅拌头主体(1)、夹持装置(2)、超声波辅助装置(3)和终端控制器(4)，所述搅拌头主体(1)的下端固定连接有圆形凸台(11)，搅拌头主体(1)内部设有可伸缩搅拌针(12)，所述可伸缩搅拌针(12)分为传动段搅拌针(121)和驱动段搅拌针(122)，所述传动段搅拌针(121)和驱动段搅拌针(122)的交界处设有限位环(123)，所述传动段搅拌针(121)位于搅拌头主体(1)内部的下端并贯穿所述圆形凸台(11)，传动段搅拌针(121)的内部末端设有温度传感器(1211)，所述温度传感器(1211)的上方设有电导丝(1212)，驱动段搅拌针(122)位于传动段搅拌针(121)的上方，驱动段搅拌针(122)为嵌套空心圆柱形结构，驱动段搅拌针(122)的上方连接有驱动电机(13)，搅拌头主体(1)的外壁上设有两个横向凹槽(14)，所述横向凹槽(14)的底面上设有压力传感器(141)，所述夹持装置(2)通过横向凹槽(14)与搅拌头主体(1)活动连接，夹持装置(2)内部设有电缆接盘(21)，所述电缆接盘(21)的下端分别通过绝缘导线与所述温度传感器(1211)、压力传感器(141)、驱动电机(13)和电导丝(1212)相连，夹持装置(2)的外壁靠近横向凹槽(14)方向处设有横向夹杆(22)，所述超声波辅助装置(3)包括超声波发生器(31)和超声波探测器(32)，所述超声波发生器(31)通过导线与所述超声波探测器(32)相连，超声波探测器(32)与横向夹杆(22)活动连接，所述终端控制器(4)分别与超声波发生器(31)和电缆接盘(21)通过电缆线相连；所述超声波探测器(32 )的末端设有半球形壳体外罩(321)，所述半球形壳体外罩(321)上设有若干通孔(322)，半球形壳体外罩(321)内还设有与所述若干通孔(322)相对应的超声波探头(323)，所述超声波探头(323)分别通过导线与所述超声波发生器(31)相连。

2.如权利要求1所述的一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述超声波探测器(32)具有前期探测组件厚度、中期超声振动辅助焊接和后期成像检测三个功能。

3.如权利要求1所述的一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述搅拌头主体(1)外壁靠近所述圆形凸台(11)上方的位置设有两个喇叭形喷嘴(15)，所述喇叭形喷嘴(15)远离搅拌头主体(1)的一侧设有进气口(151)，所述进气口(151)可连接空压机或制冷机。

4.如权利要求1所述的一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述传动段搅拌针(121)形状可为反螺纹圆柱形、正螺纹圆柱形、正螺纹圆锥形、反螺纹圆锥形、正螺纹凸轮形或反螺纹凸轮形中任意一种。

5.如权利要求1或4所述的一种用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述传动段搅拌针(121)形状优选的使用反螺纹圆锥形。

6.一种用如权利要求1-5任意一项所述的用于组件厚度不均的可调式搅拌摩擦焊接装置进行摩擦焊接的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：将两个厚度不均的焊接组件(5)拼接为待焊接头，所述焊接组件(5)的上表面水平，先利用超声波探测器(32)以频率为0.5-15MHZ、移动速度为60-100mm/s对沿两个焊接组件(5)的缝隙进行测厚，将测量的焊接组件(5)厚度由超声波脉冲信号转化为电信号，再传输至终端控制器(4)转化为数字信号，并记录成为组件厚度梯度曲线；

步骤二：下压所述搅拌头主体(1)，将所述传动段搅拌针(121)对准上述步骤一中的超声波探测器(32)的起始原点，并使得超声波探测器(32)在压力作用下发生倾斜偏移，所述超声波探头(323)距搅拌头主体(1)轴线10-50mm，利用所述电导丝(1212)对所述传动段搅拌针(121)进行预加热，同时超声波探头(323)以15-60KHZ的频率在传动段搅拌针(121)前方进行振动辅助，传动段搅拌针(121)根据所述组件厚度梯度曲线以向前行进，并根据组件厚度通过所述驱动电机(13)和驱动段搅拌针(122)控制变换传动段搅拌针(121)的长度，搅拌头主体(1)的转速为350-1100r/min，焊接速度50-300mm/min；

步骤三：当焊接到末尾时，传动段搅拌针(121)缓慢回缩并使搅拌头主体(1)远离焊接面，此时，超声波探头(323)在压力减少下恢复垂直状态，并以频率为0.5-15MHZ、移动速度为50-120mm/s沿返程方向对焊接组件(5)进行成像检测。