CN108031968A - 基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，解决现有搅拌摩擦焊过程中，当母材由于表面状态不平或焊接过程母材变形翘曲时，压入量无法自动反馈控制导致焊接飞边大、减薄量大等问题。在搅拌摩擦焊过程中，采用高精度激光测距传感器安装在设备主轴上，通过测量标定搅拌工具轴肩后沿与焊接母材表面的距离作为压入量，计算测量压入量与给定压入量之差作为输入量，以恒压入量为控制目标，采用PID控制主轴Z方向的位移，作为输出量，对伺服进给系统进行控制，从而控制焊接压入量，进行搅拌摩擦焊接，焊接同时继续检测压入量值，形成闭环，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的可编程式的搅拌摩擦焊以及异种金属连接过程。

Description

基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型固相连接方法，具有无需焊接填充材料，热输入、焊接变形小，焊接接头缺陷少、力学性能好等优点，该方法应用范围广泛，包括铝、镁合金、以及传统熔化焊难以焊接的材料，甚至可适用于异种金属的焊接。大部分搅拌摩擦焊过程就是以有倾角的方式实现的，搅拌工具时刻与工件表面法向保持2-5°倾角并沿焊缝的切线方向进行跟随。设备主轴的位置可以在横向(X轴)、纵向(Y轴)、高度方向(Z轴)三个方向移动，并保持一定倾角(A轴运动)，以及周向运动(C轴)，使其主轴轴线方向时刻与焊缝轨迹法向保持一致。倾角的存在使搅拌工具前方材料可以进入工具轴肩下方而被拘束，随主轴横向运动，搅拌摩擦焊接过程得以实现。也可以使用无倾角搅拌摩擦焊方法进行焊接，设备主轴仅在横向(X轴)、纵向(Y轴)、高度方向(Z轴)三个方向移动，金属材料在搅拌工具轴肩及搅拌针的内聚花纹的作用下，沿着工具旋转方向向中心流动，在搅拌针附近，金属材料向下流动从而实现对材料的顶锻和压实得到致密的焊缝。

压入量是搅拌摩擦焊至关重要的参数，直接影响了焊缝的压实度，压入量过小会导致焊缝内部隧道和孔洞，压入量过大会导致飞边过大、焊接减薄量过大、影响接头性能，严重的甚至导致焊接过程无法进行。由于工件本身平整度、受热翘曲变形等原因，导致即使焊接主轴Z向位移不变，焊接中压入量仍会出现较大变化，焊接过程不稳定，严重影响焊接质量。

目前，搅拌摩擦焊过程大多无压入量反馈控制，或者通过操作人员看到飞边的大小及工件翘曲变形量，调节手轮，对压入量进行调节。存在着焊接过程无控制、不可控或控制响应速度不够，焊接质量的一致性波动较大，接头质量只能依靠焊后的检测手段进行评价，后续补焊带来繁琐的二次装夹和焊接难题。而且搅拌摩擦焊接头缺陷补焊在小尺寸平直焊缝上实施是较为简便可行的，但对于大尺寸、大质量、复杂结构焊缝的补焊过程繁琐且风险极大。

这是因为搅拌摩擦焊施焊的基本条件就是要求接头背部刚性支撑，而补焊带来的二次装夹难度提高，增加了补焊的质量风险。此外，少数搅拌摩擦焊设备采用压力控制法，通过主轴压力信号，来反馈控制Z向位移，进而控制压入量，控制焊接过程。首先，压力控制法对有无倾角搅拌摩擦焊过程都能适用；其次，该方法需在旋转主轴上安装无线力传感器，力控制成本相对较高，此外，该方法适用于较大批量、固定参数的产品生产模式，而对于多样化、小批量、单件产品的生产模式则不适用，因为，对于任一工艺参数，如板厚、焊速、转速、倾角、搅拌工具尺寸等发生变化，都需对力控制参数进行摸索和学习调整，压力控制参数摸索过程较长，生产效率低。因此，针对多样化、小批量、单件产品的生产模式，为提高焊接质量，采用焊接压入量控制方法，以保证焊缝线能量输入的一致性和接头质量的一致性，意义重大。

发明内容

本发明的目的是为了解决焊接工件本身平整度差、受热翘曲变形等原因，导致搅拌摩擦焊接中压入量变化大，焊接过程不稳定，焊接质量差的问题。提出一种基于高精度激光测距传感的压入量控制搅拌摩擦焊方法,该方法适用材料范围广泛，焊接质量好，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的搅拌摩擦焊以及异种金属连接过程。对压入量直接检测及反馈控制，响应快速，过程简单，适应性强，解决了搅拌摩擦焊设备自主程度低、需要人为控制压入量的难题，简化了焊接操作，大大提高焊接质量和稳定性。

本发明的一种基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，采用搅拌摩擦焊工具装卡在设备主轴上，将高精度激光测距传感器安装在设备主轴上，搅拌工具对待焊母材来实施搅拌摩擦焊接，搅拌轴肩具有内聚材料的辅助花纹，包括以下步骤：

首先，将激光测距传感器与搅拌工具轴肩的相对位置进行标定；焊接时，主轴带动搅拌工具以旋转速度ω旋转，并以焊接速度v移动进行搅拌摩擦焊接，该压入量传感反馈控制过程，手轮调节搅拌工具Z向位移来实现压入量的控制过程，将该过程实现自动化；

根据激光测距传感器测得的母材与搅拌针轴肩的相对位置信息，计算压入量值与给定目标压入量之间的差值，作为控制器的输入量，闭环反馈，采用PID控制，利用比例积分微分计算出控制量，即主轴Z方向的位移，作为输出量，对伺服进给系统进行控制，从而控制焊接压入量，进行搅拌摩擦焊接；同时继续测量压入量值，对Z向位移进行调整，以形成闭环；

在保持平稳压入量的条件下，搅拌针和轴肩上的内聚花纹促使材料向中心及下方流动，在机械搅拌作用和热作用的综合影响下，使焊缝区域金属达到塑性状态，以实现焊接。

本发明之基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法控制简单，响应速度快。

本发明的优点是：

(1)与传统无压入量控制搅拌摩擦焊相比，提高了焊接过程自动化程度。常规搅拌摩擦焊中对压入量没有控制，但由于工件本身平整度变化，及焊接材料受热而发生翘曲变形导致焊接压入量不断变化，严重影响焊接质量，造成大飞边、焊缝大减薄量，甚至导致焊接过程中断。通过采用压入量闭环反馈控制，模拟操作人员看到压入量过大或过小，而调整手轮控制Z轴位移，进而控制压入量到达合适位置。

(2)该过程相对于恒压力控制焊接过程成本低，容易实现。力控制首先要对顶锻力进行测量，焊接过程主轴需要高速旋转，力传感器需使用无线模式。目前，商用无线测力传感器价格较高，还不包括对设备和数控系统的二次开发、控制、改造、集成、调试费用，大大增加了设备的研制成本。

(3)压入量为输入量进行控制，更为直观，适应性较好。压入量控制适用于多样化、小批量产品生产模式，可根据焊接板厚对压入量进行设置；而恒压力控制过程对于任一焊接工艺参数，如板厚、焊速、转速、倾角、搅拌工具尺寸等发生变化的情况，都需要对力控制参数进行摸索和学习调整，因此适用于大批量、同参数的产品生产模式。对小批量、变参数、多品种焊接过程并不适用。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊过程示意图。

图2为本发明一实施例的压入量在线检测闭环控制算法流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

具体实施方式一：下面结合图1、图2说明本实施方式，图1所示为本发明一实施例的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊过程示意图，，其中，1为设备主轴，2为微搅拌摩擦焊工具，3为待焊母材，4为搅拌轴肩，5为高精度激光测距传感器。ω为搅拌工具的旋转速度，v为搅拌工具焊接行走速度。本实施方式采用微搅拌摩擦焊工具2装卡在设备主轴1上，将高精度激光测距传感器5安装在设备主轴1上(商用激光测距传感器可选用40-60mm量程，精度21μm)，搅拌工具2对待焊母材铝合金板3来实施搅拌摩擦焊接，搅拌轴肩4具有内聚材料的辅助花纹。首先，将激光测距传感器5与搅拌工具轴肩4的相对位置进行标定。焊接时，主轴1带动搅拌工具2以旋转速度ω旋转，并以焊接速度v沿焊接轨迹移动，完成焊接。图2所示为本发明一实施例的压入量传感反馈控制算法流程图，根据激光测距传感器5测得的母材与搅拌针轴肩的相对位置信息，计算压入量值与给定目标压入量之间的差值，作为控制器的输入量，闭环反馈，采用PID控制方法，计算主轴Z方向的位移，作为输出量，对伺服进给系统进行控制，从而控制焊接压入量，进行搅拌摩擦焊接，焊接同时继续检测压入量值，形成闭环。使搅拌工具相对母材保持平稳的压入量，在机械搅拌作用和热作用(摩擦热和塑性变形产热)的综合影响下，使焊缝区域金属达到塑性状态，在搅拌针5和轴肩4上的内聚花纹促使材料向中心及下方流动，以实现焊接。

具体实施方式二：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中待焊母材还可以采用其他材料，如镁合金以及铜合金等。其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中待焊母材还可以采用异种材料进行，如铝合金和铝基复合材料。其它与实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中未防止焊接过程其他干扰信息的影响，更有利于保证焊接过程稳定，还可以使用两个或多个激光测距传感器测量两个或多个母材位置，以降低本方法对飞边等干扰信息的敏感度，提升恒压入量控制搅拌摩擦焊的适应性。其它与实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中闭环控制方法采用比例控制、积分控制、微分控制、PI控制、PD控制、模糊控制、神经控制、智能控制等方法。

具体实施方式六：本实施方式为对实施方式一的进一步限定，本实施方式中焊接过程可以是无倾角式搅拌摩擦焊，也可以是有倾角搅拌摩擦焊，当为无倾角式搅拌摩擦焊时，轴肩成外凸形且具有内聚材料的辅助花纹，当为有倾角式搅拌摩擦焊时，搅拌工具轴肩需为内凹式。

Claims (7)

1.一种基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，采用搅拌摩擦焊工具装卡在设备主轴上，将高精度激光测距传感器安装在设备主轴上，搅拌工具对待焊母材来实施搅拌摩擦焊接，搅拌轴肩具有内聚材料的辅助花纹，其特征在于，包括以下步骤：

首先，将激光测距传感器与搅拌工具轴肩的相对位置进行标定；焊接时，主轴带动搅拌工具以旋转速度ω旋转，并以焊接速度v移动进行搅拌摩擦焊接，该压入量传感反馈控制过程，手轮调节搅拌工具Z向位移来实现压入量的控制过程，将该过程实现自动化；

根据激光测距传感器测得的母材与搅拌针轴肩的相对位置信息，计算压入量值与给定目标压入量之间的差值，作为控制器的输入量，闭环反馈，采用PID控制，利用比例积分微分计算出控制量，即主轴Z方向的位移，作为输出量，对伺服进给系统进行控制，从而控制焊接压入量，进行搅拌摩擦焊接；同时继续测量压入量值，对Z向位移进行调整，以形成闭环；

在保持平稳压入量的条件下，搅拌针和轴肩上的内聚花纹促使材料向中心及下方流动，在机械搅拌作用和热作用的综合影响下，使焊缝区域金属达到塑性状态，以实现焊接。

2.根据权利要求1所述的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述激光测距传感器采用40-60mm量程，精度21µm。

3.根据权利要求1所述的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述待焊母材采用铝合金板、镁合金或铜合金。

4.根据权利要求1所述的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述待焊母材可采用异种材料进行，为铝合金和铝基复合材料。

5.根据权利要求1所述的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，其特征在于，使用两个或多个激光测距传感器测量两个或多个母材位置，提升恒压入量控制搅拌摩擦焊的适应性。

6.根据权利要求1所述的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，其特征在于，所述闭环反馈可采用比例控制、积分控制、微分控制、PI控制、PD控制、模糊控制、神经控制、智能控制方法。

7.根据权利要求1所述的基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，其特征在于，焊接过程采用无倾角式搅拌摩擦焊或有倾角搅拌摩擦焊，当为无倾角式搅拌摩擦焊时，轴肩成外凸形且具有内聚材料的辅助花纹；当为有倾角式搅拌摩擦焊时，搅拌工具轴肩需为内凹式。