CN107921574A - 以摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置及方法 - Google Patents

以摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置及方法 Download PDF

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Abstract

用于以要被接合的至少两个部件(6)的形式通过摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置和方法，具有下列特征：a)用于实施所述方法的插槽板(1)，通过引导机器而引导且具有驱动头(2)和锁固至所述驱动头(2)的锥体组件(3)，而且具有焊接蹄片固定件(4)和焊接蹄片(8)的焊接销(11)的销轴承(5)；b)为了在要接合的所述部件(6)的两侧上都实现无孔洞且具有满意表面的焊接结果，确定相关于控制焊接过程的相关测量参数，其中条形传感器(23)是沿所述锥体组件(3)的该侧而设，其中用于感测轴向力的传感器(20)被提供，其中具有应变计带体形式的至少三个传感器(25)适用于测量作用于所述焊接销(11)上的轴向力，而且其中进一步的压电力测量传感器(24)是设置在所述摩擦销的柄(7)的纵轴中，所述压电力测量传感器(24)同样是用于测量轴向力。

Description

以摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置及方法
技术领域
本发明是关于以摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置及方法。
背景技术
在背景技术方面，特别是涉及了用于管道的轨道焊接的焊接装置以及焊接方法的专利公开号EP2027962A1是已知的。在这份公开文件中提到了已知的背景技术的一些缺点，消除所述缺点即为本申请案的目的。根据权利要求1的细节，在此所述的焊接装置是一种电弧焊接装置，其包括用于通过焊接输出将焊接电弧施加到第一和第二工件之间的接合点上的焊接头，以便产生焊池，其中所述焊接电弧相对于所述第一工件和所述第二工件是可移动的。在权利要求1的特征部分中所宣称本发明要求保护的是，所述焊接装置包括用于测量焊池附近的温度的温度测量装置和死循环控制装置，其中死循环控制装置被配置用于根据测量的温度而产生至少一个信号，该信号用于控制至少一个焊接参数。进一步要求保护的是，此处的温度测量装置优选地配置为高温计及/或该温度测量装置被设置成使得温度至少在焊池前、旁、及/或后方的一个温度测量点被测量，其中所述温度测量装置优选地设置成使得所述后者包括温度允许根据所述焊池温度得出结论的区域。
一般来说，由于重力对熔体和保护气体的影响，通过传统的焊接方法(例如MIG或MAG焊接)对管状部件进行轨道焊接，会导致在过程控制方面非常高的复杂性。当在现场使用轨道焊接时，例如在地下电网和管道中，传统的轨道方法在环境条件方面是更是非常易受影响的。风和湿气会严重影响焊接过程。
关于背景技术进一步参照EP2561948A1，其涉及通过摩擦搅拌焊接来制造凸缘-管道-凸缘组件的方法和系统。根据权利要求11的前言部分，这样的系统基于简化凸缘和管道的置中以及利用焊池支撑物的目的(除了用于支撑由摩擦搅拌焊接软化的区域外)，也可用于接受摩擦搅拌焊接中的接触压力，并根据凸缘的纵向轴来置中管道，同时省去了测量和设置程序，且同时减少了生产时间，同时节省了材料和保证经济效益。为此，在权利要求11的特征部分中要求保护的是，焊池支撑物被构造为气动可夹紧且可释放的夹紧和支撑盘体，以使管道置中于凸缘的旋转轴上，并且用于接收摩擦搅拌焊接中的接触压力，用于感测管道及凸缘间对接接合点的传感器被提供，并且进一步提供用于驱进和驱出在切平面投影中的成形楔的装置，所述切平面水平地位于旋转轴上方，并且延伸通过对接接合点，所述装置是为了摩擦搅拌焊接工具的摩擦搅拌焊接探头可被移出摩擦搅拌焊接对接接合点而不留下孔洞所提供，其中传感器和用于驱进与驱出成形楔的装置是连接至控制器。
在摩擦搅拌焊接中，由于在同时以平移方式移动的旋转工具之间的摩擦，在待焊接材料的接合区域中使待焊接材料转变为塑性状态的摩擦热被产生且压力而施加。此处的工具沿着接合区域移动并且搅拌相互邻接的待连接材料的接缝内部的塑化材料。该接缝端部的工具从连接区域撤出，并且焊缝立即可受到应力。
发明内容
本发明所根据的目的在于，指明一种装置和方法，其能够以高质量标准通过摩擦搅拌焊接来均匀焊接二维弯曲结构，其中将要投入的整体过程能量可被最小化。
二维弯曲结构可以被认为是具有圆形、椭圆形或卵形截面的管道，或不然是被弯曲成波纹状的金属片。
这是根据权利要求1而实现：
一种用于以至少两个匹配件(6)的形式通过摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置，所述装置具有下列特征：
a)插槽板(1)，通过引导机器而引导且具有驱动头(2)和锁固至所述驱动头(2)的工具圆顶(3)，而且具有焊接蹄片固定件(4)和焊接蹄片(8)的焊接销(11)的销轴承(5)；
b)所述焊接蹄片(8)具有圆形基本形状，其上方置有横向腹板，所述后者在所述基本形状的截面间延伸并与所述基本形状垂直，所述横向腹板具有大约为所述基本形状的直径的1/4至1/5的宽度，而且具有弓形蹄片滑动面和蹄片平滑面，其中具有切口型锥体形式、切屑引导阶部(9)的小平面表面是置位在此表面的周边的区域中而位于此表面前侧，而且其中所述蹄片滑动面和所述蹄片平滑面实质上对应至所述匹配件(6)的表面曲率；
c)所述工具圆顶(3)具有条形传感器(23)，其是被配置以确定力、压力或行径，而且是附接到所述工具圆顶(3)中与焊接过程的流动方向相对的那一侧，而且其中锥形缩部(17)被设在工具插槽锥部(26)的相对较宽区域中，所述锥形缩部(17)用于接收用于取得焊接销(11)上轴向力、扭矩和弯曲动量的传感器(20)，而且其中在所述工具插槽锥部(26)的前区域中的另一收缩部分具有至少三个传感器(25)，其分布在周围上相隔120度的间隔处，用于测量作用在所述焊接销(11)上的轴向力，而且具有压电力测量传感器(24)，同样是用于测量轴向力，该另一收缩部分设置在所述摩擦销的轴杆(7)的纵轴中，而且其中设有具有旋转天线(21)的传感器信号放大器，其用于接收、用于放大和用于传送所有取得的测量值，其中这些测量值是从静态天线(22)传送到机器控制器，而且其中设有用于从移动的次级线圈(19)和从固定不动的主线圈(18)供应测量系统的感应式电源供应系统。且主张所述焊接销(11)及/或所述焊接蹄片(8)的温度是由传感器所侦测。
以及根据权利要求3而实现：
一种用于以至少两个匹配件(6)的形式通过摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的方法，所述法具有下列特征：
a)用于实施所述方法的插槽板(1)，通过引导机器而引导且具有驱动头(2)和锁固至所述驱动头(2)的工具圆顶(3)，而且具有焊接蹄片固定件(4)和焊接蹄片(8)的焊接销(11)的销轴承(5)；
b)为了在所述匹配件(6)的两侧上都实现无孔洞且具有无暇表面的焊接结果，确定用于控制焊接过程的相关测量参数，其中条形传感器(23)是沿所述工具圆顶(3)的该侧而设，用于侦测力、压力或行径，其中设有用于取得焊接销(11)上轴向力、扭矩和弯曲动量的传感器(20)，其中分布在工具插槽锥部(24)的周围上的具有应变计带体形式的至少三个传感器(25)适用于测量作用于所述焊接销(11)上的轴向力，而且其中进一步的压电力测量传感器(24)是设置在所述摩擦销的轴杆(7)的纵轴中，所述压电力测量传感器(24)同样是用于测量轴向力。
进一步主张的是，通过一个或多数个压电致动器组件(未更详细提及)，执行作用在所述焊接销(11)上的轴向力的测量和死循环控制，执行作用在所述焊接销(11)上的扭矩的测量和死循环控制，以及执行所述焊接销(11)的自动长度调整，而且通过红外线传感器(未更详细提及)测量所述焊接销(11)上的温度。同样主张的是，执行作用在所述焊接蹄片(8)的压缩力的测量和死循环控制；执行焊接蹄片(8)的前进以根据所述焊接蹄片(8)的测量轴向压力；所述焊接蹄片(8)的温度是通过温度传感器(未更详细提及)测量；以及在整个焊接过程中以光学方式并且通过与所述匹配件对应的质量参数持续监测焊缝的型态、后者的质量和后者的轮廓。主张一种计算器软件程序，具有在所述程序于计算器上执行时用于实施所述的方法步骤的程序代码；以及主张一种机器可读介质，具有计算器软件程序的程序代码，以在所述程序于计算器上执行时用于实施所述的方法。
附图说明
现将于下文中更详细说明根据本发明的装置。在个别图式中：
图1示出了用于摩擦搅拌焊接的组件的侧视图；
图2示出了优选的焊接蹄片的图式；
图3示出了销出口的截面图的图式；
图4示出了在握持锥部3中的测量值取得的细节。
具体实施方式
在图1中以侧视图示出了用于二维弯曲结构上的摩擦搅拌焊接的组件。可以由机器人臂(这里未示出)引导的插槽板1支撑具有用于接收焊接蹄片的工具圆顶3的驱动头2。焊接蹄片通过其销轴承5通过环形握持器4而于此固定在握持锥部3上。两个匹配件的弯曲结构的部件在截面图中示出并且可以从前面看到，其由组件符号6表示。
图2示出了优选的焊接蹄片8的图式。这里的焊接蹄片8在图2a中示出，从而可在截面图中看到横越焊接程序的移动方向横跨两个二维弯曲的匹配件。此外，这里的焊接蹄片8的滑动面实质上是调适于匹配件6的表面曲率。在图2b中的焊接程序的移动方向上可以直接看到相同的焊接蹄片，其中两个匹配件可以看成是横向于所述匹配件的弯曲面的线性形状。因为销轴杆7的握持机构，在这两个图式中可以不同方式看到所述焊接蹄片8的销轴杆7(具有其销轴承5)。材料移出区域10和焊接销11都被标示于图2a中。焊接蹄片(8)具有圆形基本形状，后者位于该基本形状上，横向腹板横越所述基本形状的横截面并且垂直于所述基本形状而延伸，所述横向腹板大约具有基本形状的直径的1/4至1/5的宽度，并且具有弓形蹄片滑动面和蹄片平滑面，其中具有凹口型锥体形式的小平面表面(切屑引导阶部(9))是位于该表面的前侧，在此表面的的周边地区中。
在焊接蹄片8的前侧上示出了切屑引导阶部9，通过所示的箭头可识别所述前侧，以识别出焊接程序的移动方向。在图2a中可以看到相应的匹配件6为弯曲的形状。图2b所图示中的后匹配件另以组件符号13来标记，而前匹配件另以组件符号14来标记。
图3示出了一个销出口的截面图图式。这里所示的两个同心圆代表匹配件6的横截面，在这种情况下，为了简化图示，匹配件6代表具有相对于有其焊接销11的焊接蹄片5而言较小直径的管道。特别地，摩擦销可以具有位于材料中的端部的圆锥形形状，以便让体积变化在撤回运动中保持线性。
可以看到左侧的焊接销11是处于所述焊接销11开始摩擦搅拌焊接程序终止、而且开始降低对匹配件的压力及退出与匹配件的接触的位置。由于在焊接销11的这个撤出程序中的焊接蹄片5继续在箭头的方向在焊接程序的路径上移动，因此所示出口曲线15是由所绘制的移动量迭加而产生的。
这个运动是由两个比例所组成。因此在实际上销的撤出被执行，也就是说旋转组件另外以轴向方式移位。此外，在旋转销未以纵向方式进行调整的同时，静止的非旋转肩部的前进会被执行。此处执行摩擦销的位置控制和蹄片的力控制。两个死循环控制动作必须同步化。在所有情况下，必须通过相应的接触压力条件来确保压缩过程，也就是说保存特定压力条件是必不可少的。
图3所示的图式仅是示例性的。以阶梯状方式延伸的出口曲线(而不是以连续方式延伸的所示出口曲线15)同样可以在个案的基础上证明是有利的。然而，在所描述的所有程序的情况下，具有与焊接销11的温度有关的了解是重要的。为此，提供了特别的温度传感器(未在任一图中示出)，特别是红外线传感器。该温度传感器的类型在每一情况取决于特别的任务，并且可以通过测量相应的焊接过程的环境温度来直接或间接地确定焊接销的温度。
此处的出口曲线15和整个焊接过程是可3D进行的。这表示，由于所有相关的过程参数的取得，因此整个焊接过程可以在所有空间平面和所有空间方向上实时进行。更不用说的是，焊接过程不会在接合区域留下任何痕迹，而且特别是在焊接销的出口区域中不会看到有孔洞形成。
图4示出了测量值取得的细节。在该图中示意性地示出了具有工具接收锥部26的工具圆顶3。
如图1所示，在握持锥部的纵轴中可以看到用于摩擦销轴杆的轴向调节的两件式致动器组件16。传感器23以及其关联的放大器27及其天线在此可以在该部分所示的工具圆顶3的下侧看到。作为示例，该传感器23具有应变计带体的形式，其在工具圆顶3的外侧上，用于取得工具圆顶3的形变量。这里的应变计带体是示例性的；这也可以是用于确定力、压力或行径的传感器23。因此，沿纵向方向附接到工具圆顶3的外侧的应变计带体则因此附接到工作圆顶3中与加工方向相对的那一侧，因为工具圆顶3的最强形变是预计在这里。如上述所提及，具有其天线的放大器27用于放大由传感器23确定的测量信号。
所示工具插槽锥部26(其在所述工具插槽锥部26的较宽区域中具有摩擦销7的轴杆)允许有锥形缩部17，该锥形缩部17用于容纳待观看的传感器20。为强调目的，在本文中以显著的方式示出了所述缩部。通过锥形缩部17的横截面的机械收缩以及在该位置处执行的传感器20的放置，使得接合在工具插槽锥部26上的轴向力和扭矩、以及在此产生的弯曲动量可被测量。由传感器20确定的测量值的信号传输通过与工具插槽锥部26一起可旋转的信号放大器21以及通过旋转天线来执行。由传感器20确定的测量值的接收和传输是通过静态不动天线22进行的。为应变计带体25提供空间且使得轴向力作用在销轴杆7上，并且因此直接作用在要被测量的焊接销尖端上的进一步收缩(未详细示出)位于工具插槽锥部26的前部区域中。举例而言，应变计带体25是由三个附接到工具插槽锥部26的圆周上的三个带体所组成，以于所述缩部上间隔120度。在此，也可以附接有三个以上的带体，以便分布在圆周上。同样用于测量轴向力的压电力测量传感器24可以可选地另外于此定位在销轴杆7的纵轴上。传感器24和25的测量值可以在操作中同时获得，以用于特别灵敏处理并相互关联以排除测量故障。由传感器24和25确定的测量值的接收和传输同样在静态不动天线22上进行。感应式电源供应器(其静态主线圈是用组件符号18表示，且其可移动次级线圈是以组件符号19表示)用于向所描述的测量系统供电。
如已经在有关图3的描述中所述，在根据本发明的焊接方法中通过最多样化传感器实时获取所有所关注的过程参数，在过程管理方面的工具上的以下测量值组合和相应的动作都会是实质结果。
a)每一情况在焊接蹄片8和焊接销11上测量有效力。焊接蹄片8和焊接销11在此均受到死循环控制压力的冲击。
b)在焊接蹄片8上测量有效力，而焊接销11仍保持其位置。焊接蹄片8上的有效力是死循环控制的。
c)焊接蹄片8的位置保持不变。焊接销11上的有效力被测量并进行死循环控制。
d)测量焊接蹄片8上的有效力；焊接蹄片8被驱动前进。在焊接销11上测量扭矩、前进量和压力。
e)焊接蹄片8利用切屑引导阶部9的作用进行操作；测量焊接销11的温度。焊接销11的升程被死循环控制，以便依赖于传递的扭矩和有效力。
整体而言，测量和死循环控制作用在焊接销(11)上的轴向力，并且因而测量和死循环控制作用在焊接销(11)上的扭矩。此外，焊接销(11)的自动长度调整是通过一个或多个压电致动器组件(未详细示出)自动执行，所述一个或多个压电致动器组件也具有感官测量特性，并借助于红外线传感器等(未更详细地参考)测量焊接销(11)上的温度。进一步执行作用在焊接蹄片(8)上的压缩力的测量和死循环控制。执行焊接蹄片(8)的前进以取决于在焊接蹄片(8)上测得的轴向压力。后者的温度还通过温度传感器(未更详细地参考)进行测量。在整个焊接过程期间，以光学方式并通过对应于匹配件的质量参数来连续监测焊缝的型态、其质量和其轮廓。
所描述的移动序列的复杂控制需要特殊的控制软件程序。
附图标记
1 插槽板
2 驱动头
3 用于安装焊接蹄片的工具圆顶
4 焊接蹄片环形握持器
5 销轴承
6 匹配件
7 摩擦销轴杆(销轴杆)
8 具有销轴承的焊接蹄片
9 切屑引导阶部
10 材料移出区域
11 焊接销
12 焊接蹄片的滑动面
13 后匹配件
14 前匹配件
15 移出时的销路径
16 销轴杆的轴向调整的致动组件
17 用于接收传感器的锥形缩部
18 感应式电源供应器的主线圈
19 感应式电源供应器的次级线圈
20 工具插槽锥部16的传感器(例如，应变计)
21 传感器信号放大器和旋转天线
22 静态天线
23 在焊接蹄片握持锥部上的传感器(应变计-焊接蹄片的压力计)
24 压电力测量传感器
25 测量轴向力的传感器
26 工具插槽锥部

Claims (7)

1.一种用于以至少两个匹配件(6)的形式通过摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的装置，所述装置具有下列特征：
a)插槽板(1)，通过引导机器而引导且具有驱动头(2)和锁固至所述驱动头(2)的工具圆顶(3)，而且具有焊接蹄片固定件(4)和焊接蹄片(8)的焊接销(11)的销轴承(5)；
b)所述焊接蹄片(8)具有圆形基本形状，其上置有横向腹板，所述后者在所述基本形状的该截面间延伸并与所述基本形状正交，所述横向腹板具有大约为所述基本形状的该直径的1/4至1/5的该宽度，而且具有弓形蹄片滑动面和蹄片平滑面，其中具有切口型锥体形式、切屑引导阶部(9)的小平面表面是置在此表面的该周边的区域中而未于此表面的该前侧，而且其中所述蹄片滑动面和所述蹄片平滑面实质上对应至所述匹配件(6)的该表面曲率；
c)所述工具圆顶(3)具有条形传感器(23)，其是被配置以确定力、压力或行径，而且是附接到所述工具圆顶(3)中与该焊接过程的该流动方向相对的那一侧，而且其中锥形缩部(17)被设在该工具插槽锥部(26)的该相对较宽区域中，所述锥形缩部(17)用于接收用于取得该焊接销(11)上该轴向力、该扭矩和该弯曲动量的传感器(20)，而且其中在所述工具插槽锥部(26)的该前区域中的另一收缩部分具有至少三个传感器(25)，分布在该周围上相隔120度的间隔处，以用于测量作用在所述焊接销(11)上的该轴向力，而且具有压电力测量传感器(24)，同样是用于测量轴向力，该另一收缩部分设置在所述摩擦销的该轴杆(7)的该纵轴中，而且其中设有具有旋转天线(21)的传感器信号放大器，用于接收、用于放大和用于传送所有取得的测量值，其中这些测量值是从静态天线(22)传送到机器控制器，而且其中设有用于从移动的次级线圈(19)和从固定不动的主线圈(18)供应测量系统的感应式电源供应系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：
所述焊接销(11)及/或所述焊接蹄片(8)的该温度是由传感器所侦测。
3.一种用于以至少两个匹配件(6)的形式通过摩擦搅拌焊接均匀焊接二维弯曲结构的方法，所述方法具有下列特征：
a)用于实施所述方法的插槽板(1)，通过引导机器而引导且具有驱动头(2)和锁固至所述驱动头(2)的工具圆顶(3)，而且具有焊接蹄片固定件(4)和焊接蹄片(8)的焊接销(11)的销轴承(5)；
b)为了在所述匹配件(6)的两侧上都实现无孔洞且具有无暇表面的焊接结果，确定用于控制焊接过程的相关的该测量参数，其中条形传感器(23)是沿所述工具圆顶(3)的该侧而设，用于侦测力、压力或行径，其中设有用于取得焊接销(11)上该轴向力、该扭矩和该弯曲动量的传感器(20)，其中分布在该工具插槽锥部(24)的该周围上的具有应变计带体形式的至少三个传感器(25)适用于测量作用于所述焊接销(11)上的该轴向力，而且其中进一步的压电力测量传感器(24)是设置在所述摩擦销的该轴杆(7)的该纵轴中，所述压电力测量传感器(24)同样是用于测量该轴向力。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：
通过一个或多个压电致动器组件(未更详细提及)，执行作用在所述焊接销(11)上的该轴向力的测量和死循环控制，执行作用在所述焊接销(11)上的该扭矩的测量和死循环控制，以及执行所述焊接销(11)的自动长度调整，而且通过红外线传感器(未更详细提及)测量所述焊接销(11)上的该温度。
5.根据权利要求3和4中任一权利要求所述的方法，其特征在于：
执行作用在所述焊接蹄片(8)的该压缩力的测量和死循环控制；执行焊接蹄片(8)的该前进以根据所述焊接蹄片(8)的该测量轴向压力；
所述焊接蹄片(8)的该温度是通过温度传感器(未更详细提及)测量；以及
在该整个焊接过程中以光学方式并且通过与所述匹配件对应的质量参数持续监测该焊缝的该型态、该后者的质量和该后者的轮廓。
6.一种计算器软件程序，具有在所述程序于计算器上执行时用于实施如权利要求3至5中其中之一项所述的方法步骤的程序代码。
7.一种机器可读介质，其具有计算器软件程序的程序代码，以在所述程序于计算器上执行时用于实施如权利要求3至5其中之一项所述的方法步骤。
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