CN108544080B - 电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，属于金属焊接技术领域。由液压驱动及控制单元，精密机械驱动及控制单元，电磁加载单元，试件夹持单元，信号检测单元，试件保护单元以及支撑单元组成。可实现电磁辅助下的搅拌摩擦焊接，以研究电场和磁场对焊接材料性能的影响；同时可以实现在精密流量控制下不同速率的搅拌摩擦焊接，从而实现X轴和Z轴方向运动的精密控制。可以提供1T磁场大小以及1.5A电流大小的电磁辅助单元，并且可以实现单一辅助和复合辅助下的搅拌摩擦焊接测试。其可以用于焊接厚度为2mm的高硬度，导磁导电性材料。结构紧凑，集成液压和机械技术，可以对材料力学性能进行跟深入了解和研究，实现更高程度的自动化控制。
Description
技术领域
本发明涉及金属焊接技术领域，涉及一种电磁辅助作用下的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，用以研究电场和磁场辅助对焊接材料性能的影响。同时本装置可以实现在精密流量控制下不同速率的搅拌摩擦焊接，从而实现X轴和Z轴方向运动的精密控制；同时本发明可以提供1T磁场大小以及1.5A电流大小的电磁辅助单元，并且可以实现单一辅助和复合辅助下的搅拌摩擦焊接测试，其可以用于焊接厚度为2mm的高硬度，导磁导电性材料。
背景技术
1991年，英国焊接研究所发明一种针对铝合金开发的先进的固相连接技术—搅拌摩擦焊。与传统焊接相比，搅拌摩擦焊效率高、耗能小、变形小、无污染等特点。但是由于钢、钛等高熔点材料具有较高的强度和硬度，因此对搅拌头的性能要求较高，同时焊接接头仍存在残余应力，孔洞缺陷，焊接性较差的问题。
在搅拌摩擦焊接工艺中，加热金属所需的热量主要来源于搅拌头轴肩与焊件上表面之间的摩擦，焊接时表层温度高而远离台肩处温度较低，难以获得组织均匀的焊缝。同时单一的辅助方法很难达到高熔点金属塑性变形所需的温度，对机床的要求高。因此，在金属材料尤其是高熔点材料搅拌摩擦焊中引入辅助物理场，不但有利于焊缝成形，而且能降低焊具摩损，提高焊具使用寿命。
在已有研究中，针对材料的种类大都针对铝合金等低硬度的材料，并且现有搅拌摩擦焊接装置大都采用机械驱动方式，不仅结构体积大，而且自动化程度低。
随着现代工业的发展，机械设备对自动化程度的要求越来越高，液压驱动具有显著优点：在相同体积下，液压装置能产生更大的驱动力；在相同功率下，液压装置体积更小，结构更加紧凑；液压装置传动平稳，响应速率快。液压装置易于实现自动化，利于液压传动实现直线运动比利用机械传动容易实现。
综上所述，利用液压与机械结合的驱动方式，电场与磁场单一和复合辅助下的搅拌摩擦焊接装置来研究高硬度，导磁导电性材料是十分有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，解决了现有技术存在的上述问题。本发明可以提供液压和机械复合紧密驱动，基于其大加载能力及变速等调节能力，实现不同焊接速率下的搅拌摩擦焊；同时本发明可以提供垂直于焊接方向的电场加载以及Y轴和Z轴两个方向单一或复合方式的磁场加载。结合扫描电子显微镜等光学成像系统，可开展丰富的材料性能测试。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，包括液压驱动及控制单元、精密机械驱动及控制单元、电磁加载单元、试件夹持单元、信号检测单元、氩气保护单元以及支撑单元。其中液压驱动及控制单元、机械驱动及控制单元、电磁加载单元、试件夹持单元、信号检测单元、氩气保护单元固定于箱体20内。机械驱动及控制单元控制搅拌头夹具体26沿Z轴的直线以及旋转运动；液压驱动及控制单元控制试件夹持单元沿X轴的直线往复运动，从而构成电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置。
所述的液压驱动及控制单元包括两组X轴带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8、油箱40、滤油器42、液压泵41、溢流阀36、节流阀38、单向阀39、液压管9、电机35以及电液伺服阀37，其中，进油口与出油口分别通过液压管9与液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8以及电液伺服阀37的输出端连接，液压管9通过液压管接头5连接，，带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的连接杆7分别与箱体两侧的支撑架刚性连接，储存于油箱40中的液压油通过液压泵41泵出，经过滤油器42送至电液伺服阀37的输入端构成回路，溢流阀36、单向阀39、节流阀38置于此回路中，带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8可以实现100mm的运动距离，带动试件夹持单元沿导轨18做X轴的直线往复运动。同时电液伺服阀可以精密的进行流量控制，使带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ轴端的活塞杆13输出不同速率的X轴向运动。
所述的液压驱动及控制单元还包括一组Z轴液压缸10，所述Z轴液压缸10可以实现100mm的运动距离，20KN的推拉力，实现高硬度材料的搅拌摩擦焊接测试，同时电液伺服阀进行流量控制，使Z轴液压缸10沿Z轴以不同速率运动；结合安装于箱体背板垫块33上的Z轴导轨以及安装于电机法兰34上的滑块14，使固定于电机支撑台2上的精密机械驱动及控制单元随滑块一起沿Z轴做直线往复运动；搅拌头24通过固定螺栓与搅拌头夹具体26连接，搅拌头夹具体26通过键与锥齿轮组27刚性连接，通过Z轴液压缸10驱动，沿Z轴做往复直线运动。
所述的试件夹持单元包含压紧块15、夹具板16、夹具板连接块17，两组X轴带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的活塞杆13通过螺纹螺母与夹具板连接块17刚性连接，并由液压调速同步回路控制驱动试件夹持单元沿X轴做往复直线运动；压紧块15通过螺栓与夹具板16刚性相连，并将试件压紧在夹具板16上。
所述的精密机械驱动及控制单元包括电机35、电机法兰34、联轴器32、锥齿轮组27，电机法兰34通过螺纹连接固定在Z轴支撑台2上，电机35通过螺钉螺母固定在电机法兰34上，电机的输出轴通过联轴器32与锥齿轮组27的输入轴连接；锥齿轮组27起到换向的作用，将绕X轴的旋转运动转为绕Z轴的旋转运动，从而驱动搅拌头24做旋转运动。
所述的电磁加载单元包括电磁感应装置22、直流电加载装置23、柔性架25，所述电磁感应装置22由四个磁芯、四个励磁线圈22-2和四个磁头22-1组成，其通过螺栓19固定在箱体20底板上，其中由壳体包裹的励磁线圈22-2绕在磁芯上，并通以交流电使励磁线圈22-2产生磁力线，从而形成沿Y轴和Z轴两个方向的强磁场；直流电加载装置23的正负电极通过柔性架25上的螺纹孔与柔性架连接，从而将电流加载在垂直于试件焊接方向；柔性架25通过螺钉固定在磁头22-1上。
所述的信号检测单元包括热电偶21、力传感器29、位移传感器Ⅰ、Ⅱ12、31，所述力传感器29通过螺纹与锥齿轮组27连接，并且通过螺栓螺母与力传感器固定座30紧固连接；热电偶21安装于夹具板连接块17的凹孔内，用以监测试件的温度；位移传感器Ⅰ12通过销钉与箱体20的侧板固定，为X轴上的电液伺服阀37的精密流量反馈控制提供模拟反馈信号，从而控制焊接速度；位移传感器Ⅱ31通过销钉固定在箱体上侧，配合固定在锥齿轮组外壳上的挡板28，测量搅拌头24的Z轴位移。
所述的试件保护单元是通气管11，在搅拌摩擦焊接过程中将氩气通过通气管11输送，以防止试件被氧化。
所述的支撑单元是由箱体上门1，箱体下门4和箱体20组成，在整个装置中起到支撑和定位作用。
本发明的有益效果在于：结构紧凑，集成液压和机械技术，可以对材料力学性能进行跟深入了解和研究，实现更高程度的自动化控制。可进行电，力，磁多物理场单一或复合加载，可研究材料在不同物理场下下的焊接性能。可以实现在精密流量控制下不同速率的搅拌摩擦焊接，从而实现X轴和Z轴方向运动的精密控制；同时本发明可以提供1T磁场大小以及1.5A电流大小的电磁辅助单元搅拌摩擦焊接测试，其可以用于焊接厚度为2mm的高硬度，导磁导电性材料。综上所述，本发明对焊接材料具有重要的意义和良好的应用开发前途。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构外观结构示意图；
图2为本发明的整体结构正视图；
图3为本发明的柔性架的整体外观结构示意图；
图4为本发明的电磁装置整体结构示意图；
图5为本发明的X轴液压控制系统的回路结构图；
图6为本发明的Z轴液压控制系统的回路结构图。
图中：1、箱体上门；2、电机支撑台；3、Z轴液压缸活塞杆；4、箱体下门；5、液压管接头；6、带接近开关的液压缸Ⅰ；7、液压缸连接杆；8、带接近开关的液压缸Ⅱ；9、液压管；10、Z轴液压缸；11、通油管；12、位移传感器Ⅰ；13、活塞杆；14、滑块；15、压紧块；16、夹具板；17、夹具板连接块；18、导轨；19、螺栓；20、箱体；21、热电偶；22、电磁感应装置；22-1、磁头；22-2、励磁线圈；23、直流电加载装置；24、搅拌头；25、柔性架；26、搅拌头夹具体；27、锥齿轮组；28、挡板；29、力传感器；30、力传感器固定座；31、位移传感器Ⅱ；32、联轴器；33、箱体背板垫块；34、电机法兰；35、电机；36、溢流阀；37、电液伺服阀；38、节流阀；39、单向阀；40、油箱；41、液压泵；42、滤油器。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图6所示，本发明的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，包括液压驱动及控制单元、精密机械驱动及控制单元、电磁加载单元、试件夹持单元、信号检测单元、氩气保护单元以及支撑单元。其中液压驱动及控制单元、机械驱动及控制单元、电磁加载单元、试件夹持单元、信号检测单元、氩气保护单元固定于箱体20内。机械驱动及控制单元控制搅拌头夹具体26沿Z轴的直线以及旋转运动；液压驱动及控制单元控制试件夹持单元沿X轴的直线往复运动，从而构成电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置。
本发明可以实现电磁辅助下的搅拌摩擦焊接，以研究电场和磁场对焊接材料性能的影响。同时本发明可以实现在精密流量控制下不同速率的搅拌摩擦焊接，从而实现X轴和Z轴方向运动的精密控制。本发明提供了一种电磁辅助搅拌摩擦焊接装置，其可以提供1T磁场大小以及1.5A电流大小的电磁辅助单元，并且可以实现单一辅助和复合辅助下的搅拌摩擦焊接测试；其可以用于焊接厚度为2mm的高硬度，导磁导电性材料。本发明结构紧凑，集成液压和机械技术，可以对材料力学性能进行跟深入了解和研究，实现更高程度的自动化控制。
所述的液压驱动及控制单元包括两组X轴带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8、油箱40、滤油器42、液压泵41、溢流阀36、节流阀38、单向阀39、电机35以及电液伺服阀37，其中，进油口与出油口分别通过油管接头5与液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8以及电液伺服阀37的输出端连接，完成夹具板连接块的X轴往复运动。两组带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的连接杆7分别与箱体20两侧的支撑架刚性连接，储存于油箱40中的液压油通过液压泵41泵出，经过滤油器42送至电液伺服阀37的输入端构成回路，溢流阀36、单向阀39、节流阀38置于此回路中，起到主回路定压溢流，安全保护和主回路进油单向节流的流量初步控制作用。带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8可以实现100mm的极限运动距离，同时电液伺服阀可以精密的进行流量控制，使带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ轴端的活塞杆13输出不同速率的X轴向运动。
所述的液压驱动及控制单元还包括一组Z轴液压缸10，所述Z轴液压缸10可以实现100mm的极限运动距离，20KN的推拉力，可以实现高硬度材料的搅拌摩擦焊接测试，所述Z轴液压缸10的控制单元与带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ6、8的控制单元相同，实现流量的精密控制，使Z轴液压缸10沿Z轴以不同速率运动；结合安装于箱体背板垫块33上的Z轴导轨以及安装于电机法兰34上的滑块14，使固定于电机支撑台2上的精密机械驱动及控制单元随滑块一起沿Z轴做直线往复运动。搅拌头24通过固定螺栓与搅拌头夹具体26连接，搅拌头夹具体26通过键与锥齿轮组27刚性连接，由Z轴液压缸10驱动沿Z轴做往复直线运动。
本发明的X轴液压控制系统，其为液压同步回路控制系统。流量同步控制可以实现两组带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的活塞杆13以相同的速度驱动夹具板连接块17运动。配合伺服阀使用，则可实现非常高的同步精度，而且频响可以达到较高的水平。
所述的试件夹持单元包含压紧块15、夹具板16、夹具板连接块17，其中两组X轴带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的活塞杆13通过螺纹螺母与夹具板连接块17刚性连接，并由液压调速同步回路控制驱动试件夹持单元沿X轴做往复直线运动；压紧块15通过螺栓与夹具板16刚性相连，并将试件压紧在夹具板16上。
所述的精密机械驱动及控制单元包括电机35、电机法兰34、联轴器32、锥齿轮组27，其中电机法兰34通过螺纹连接固定在Z轴支撑台2上，电机35通过螺钉螺母固定在电机法兰34上，电机的输出轴通过联轴器32与锥齿轮组27的输入轴连接；锥齿轮组27起到换向的作用，将绕X轴的旋转运动转为绕Z轴的旋转运动，从而驱动搅拌头24做旋转运动。
所述的电磁加载单元包括电磁感应装置22、直流电加载装置23、柔性架25，所述电磁感应装置22由四个磁芯、四个励磁线圈22-2和四个磁头22-1组成，其通过螺栓19固定在箱体20底板上，其中由壳体包裹的励磁线圈22-2绕在磁芯上，并通以交流电使励磁线圈22-2产生磁力线，从而形成沿Y轴和Z轴两个方向的强磁场；直流电加载装置23的正负电极通过柔性架25上的螺纹孔与柔性架连接，从而将电流加载在垂直于试件焊接方向；柔性架25通过螺钉固定在磁头22-1上；柔性结构保证了柔性架25的使用寿命，以及保证了对不平整和小角度倾斜试件的自动调节能力。
所述的信号检测单元包括热电偶21、力传感器29、位移传感器Ⅰ、Ⅱ12、31，所述力传感器29通过螺纹与锥齿轮组27连接，并且通过螺栓螺母与力传感器固定座30紧固连接；热电偶21安装于夹具板连接块17的凹孔内，用以监测试件的温度；位移传感器Ⅰ12通过销钉与箱体的侧板固定，其可与X轴的电液伺服阀37的精密流量反馈控制提供模拟反馈信号，从而控制焊接速度；位移传感器Ⅱ31通过销钉固定在箱体上侧，配合固定在锥齿轮组外壳上的挡板28，起到测量搅拌头24的Z轴位移的作用。
其中，力传感器29的型号为KM16z-50KN，位移传感器Ⅰ的型号为LD620-100，位移传感器Ⅱ的型号为LD620-100。在测试过程中，力传感器29用于检测被测试件所受的载荷。力传感器的量程为50KN，位移传感器Ⅰ、Ⅱ的量程为100mm，热电偶的型号为966-1062-ND。
所述的试件保护单元是通气管11，在搅拌摩擦焊接过程中将氩气通过通气管11输送，对试件进行保护，以防止试件被氧化。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：包括液压驱动及控制单元、机械驱动及控制单元、电磁加载单元、试件夹持单元、信号检测单元、氩气保护单元以及支撑单元，其中液压驱动及控制单元、机械驱动及控制单元、电磁加载单元、试件夹持单元、信号检测单元、氩气保护单元固定于箱体（20）内，机械驱动及控制单元控制搅拌头夹具体（26）沿Z轴的旋转运动；液压驱动及控制单元控制试件夹持单元沿X轴和沿Z轴的直线往复运动，从而构成电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置；
所述的电磁加载单元包括电磁感应装置（22）、直流电加载装置（23）、柔性架（25），所述电磁感应装置（22）由四个磁芯、四个励磁线圈（22-2）和四个磁头（22-1）组成，其通过螺栓（19）固定在箱体（20）底板上，其中由壳体包裹的励磁线圈（22-2）绕在磁芯上，并通以交流电使励磁线圈（22-2）产生磁力线，从而形成沿Y轴和Z轴两个方向的恒定强磁场；直流电加载装置（23）的正负电极通过柔性架（25）上的螺纹孔与柔性架连接，从而将电流加载在垂直于试件焊接方向；柔性架（25）通过螺钉固定在磁头（22-1）上。
2.根据权利要求1所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的液压驱动及控制单元包括两组X轴带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ（6、8）、油箱（40）、滤油器（42）、液压泵（41）、溢流阀（36）、节流阀（38）、单向阀（39）、液压管（9）、电机（35）以及电液伺服阀（37），其中，进油口与出油口分别通过液压管（9）与液压缸Ⅰ、Ⅱ（6、8）以及电液伺服阀（37）的输出端连接，液压管（9）通过液压管接头（5）连接，带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的连接杆（7）分别与箱体（20）侧板的支撑架刚性连接，储存于油箱（40）中的液压油通过液压泵（41）泵出，经过滤油器（42）送至电液伺服阀（37）的输入端构成回路，溢流阀（36）、单向阀（39）、节流阀（38）置于此回路中，带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ（6、8）可以实现100mm的运动距离，带动试件夹持单元沿导轨（18）做X轴的直线往复运动；同时电液伺服阀可以精密的进行流量控制，使带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ轴端的活塞杆（13）输出不同速率的X轴向运动。
3.根据权利要求1或2所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的液压驱动及控制单元还包括一组Z轴液压缸（10），Z轴液压缸活塞杆（3）与电机支撑台（2）连接以实现机械驱动及控制单元100mm的运动距离，20KN的推拉力，从而实现高硬度材料的搅拌摩擦焊接测试，同时电液伺服阀进行流量控制，使Z轴液压缸（10）沿Z轴以不同速率运动；结合安装于箱体背板垫块（33）上的Z轴导轨以及安装于电机法兰（34）上的滑块（14），使固定于电机支撑台（2）上的机械驱动及控制单元随滑块（14）一起沿Z轴做直线往复运动；搅拌头（24）通过固定螺栓与搅拌头夹具体（26）连接，搅拌头夹具体（26）通过键与锥齿轮组（27）刚性连接，通过Z轴液压缸（10）驱动，沿Z轴做往复直线运动。
4.根据权利要求1所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的试件夹持单元包含压紧块（15）、夹具板（16）、夹具板连接块（17），两组X轴带接近开关的液压缸Ⅰ、Ⅱ的活塞杆（13）通过螺纹螺母与夹具板连接块（17）刚性连接，并由液压调速同步回路控制驱动试件夹持单元沿X轴做往复直线运动；压紧块（15）通过螺栓与夹具板（16）刚性相连，并将试件压紧在夹具板（16）上。
5.根据权利要求1所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的机械驱动及控制单元包括电机（35）、电机法兰（34）、联轴器（32）、锥齿轮组（27），电机法兰（34）通过螺纹连接固定在Z轴支撑台（2）上，电机（35）通过螺钉螺母固定在电机法兰（34）上，电机的输出轴通过联轴器（32）与锥齿轮组（27）的输入轴连接；锥齿轮组（27）起到换向的作用，将绕X轴的旋转运动转为绕Z轴的旋转运动，从而驱动搅拌头（24）做旋转运动。
6.根据权利要求1所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的信号检测单元包括热电偶（21）、力传感器（29）、位移传感器Ⅰ、Ⅱ（12、31），所述力传感器（29）通过螺纹与锥齿轮组（27）连接，并且通过螺栓螺母与力传感器固定座（30）紧固连接；热电偶（21）安装于夹具板连接块（17）的凹孔内，用以监测试件的温度；位移传感器Ⅰ（12）通过销钉与箱体（20）的侧板固定，为X轴上的电液伺服阀（37）的精密流量反馈控制提供模拟反馈信号，从而控制焊接速度；位移传感器Ⅱ（31）通过销钉固定在箱体上侧，配合固定在锥齿轮组外壳上的挡板（28），测量搅拌头（24）的Z轴位移。
7.根据权利要求1所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的氩气保护单元是通气管（11），在搅拌摩擦焊接过程中将氩气通过通气管（11）输送，以防止试件被氧化。
8.根据权利要求1所述的电磁辅助作用下的搅拌摩擦焊接装置，其特征在于：所述的支撑单元是由箱体上门（1）、箱体下门（4）和箱体（20）组成，起到支撑和定位作用。
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