CN108971744B - 一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法，焊接方法包括如下步骤：（1）组装焊接工具；（2）将被焊材料固定在工作台上，利用夹持柄在焊机的机头上安装已经组装完成的焊接工具；（3）启动焊机，搅拌摩擦头开始旋转；（4）焊机的机头向下压，直至搅拌摩擦头接触被焊材料；（5）焊机的机头继续下降，使弹簧产生压缩（6）焊接过程中当光滑锥面与激光位置传感器的垂直距离L发生变化时，开始记录（7）当搅拌摩擦头相对被焊材料到达预定焊缝尾部时，焊接结束。该焊接方法减弱焊接过程的轴向压力振荡，同时轴向压力能够自适应调整大小，使焊接过程更平稳，提高薄板金属的搅拌摩擦焊接过程稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及金属材料加工领域，尤其涉及到一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法及装置。
背景技术
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding, FSW）是由英国焊接研究所（The WeldingInstitute, TWI）于1991 年提出的新型固相连接技术，和传统的熔焊相比，搅拌摩擦焊具有以下优点：（1）接头质量高，不易产生气孔、裂纹等缺陷；（2）焊接成本较低，无需填充材料和保护气体，厚焊接件无需加工坡口；（3）焊接过程安全，无污染、飞溅、烟尘、噪声等，且没有严重的电磁干扰和有害物质产生，是一种环保型连接方法；（4）焊接过程中焊件被刚性固定，且固相焊时加热温度较低，焊件不易变形；（5）便于机械化、自动化操作，质量较稳定，重复性高，因此，搅拌摩擦焊接尤其对于高强铝合金的焊接具有无可比拟的优势。
近年来研究表明，由于搅拌摩擦焊接过程中机械搅拌作用，焊缝金属的金属的温度也处于波动之中，直接导致搅拌头与金属的摩擦界面状态不稳定，使焊接区域的金属软化程度不稳定，则导致的轴向力振荡更加严重，如此循环，此外，在高速旋转的搅拌头上如何测量轴向压力一直是个难题，尽管有不同的方法：（1）在垫板下安放压力传感器，但如果焊接较长工件时，则难以应用；（2）无线数据连接高速旋转的压力传感器，但也存在数据传输效率和稳定性等问题。
因此如何抑制焊接过程中轴向力振荡并使焊接区域温度稳定成为了一项迫切需要解决的问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法及装置，减少轴向力振荡。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明是一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
（1）组装焊接工具；
（2）将被焊材料固定在工作台上，利用夹持柄在焊机的机头上安装已经组装完成的焊接工具即搅拌摩擦头；
（3）启动焊机，搅拌摩擦头开始旋转；
（4）焊机的机头向下压，直至搅拌摩擦头接触被焊材料；
（5）焊机的机头继续下降，使弹簧产生压缩后，记录此时圆锥面与激光位置传感器的垂直距离L0，焊接开始，弹簧的给定压缩量h0；
（6）焊接过程中当圆锥面与激光位置传感器的垂直距离L发生变化时，记为δL=L0-L；当轴肩沿着夹持柄下部的芯轴发生位移时，则此时轴肩或锥面相对于芯轴的位移变化量δh=δL/cos(α)=（L0-L）/cos(α)；弹簧压缩量D=h0+δh，且与δL存在一一对应关系，名义压缩量的导数即为δh的导数，为了防止轴肩过多压入工件和提高系统反应速度，当名义压缩量和及其导数为正时，减小焊接速度；当名义压缩量和导数均为负时，提升搅拌头并增加焊接速度；名义压缩量正、导数为负或当名义压缩量为负、导数为正时，保持焊接速度不变；当名义压缩量为零，保持焊接速度不变；
（7）当搅拌摩擦头相对被焊材料到达预定焊缝尾部时，焊接结束；
所述焊接工具即搅拌摩擦头包括夹持柄、弹簧、中间件、圆柱销、轴肩、顶针、圆锥面、激光位置传感器，
所述夹持柄包括弹簧定位槽、定位孔和预留螺孔，定位孔直径略大于圆柱销的直径；
所述弹簧的直径与弹簧定位槽的直径相同，且所述弹簧的直径略大于中间件上端外径；
所述中间件包括中心通孔、对称连接孔，所述中心通孔的直径略大于所述夹持柄的底部直径；
所述轴肩包括中心孔、定位槽和带针轴肩；所述中心孔的直径与所述中间件的中心通孔的直径相同，所述带针轴肩与所述中间件的对称连接孔的位置相对应，所述带针轴肩通过螺栓螺纹孔与所述中间件紧密固定在一起；
所述圆柱销的直径略小于定位孔的直径，所述圆柱销的长度略小于所述轴肩的定位槽的直径；
所述夹持柄的下部分为芯轴，夹持柄与所述芯轴为一体的，所述弹簧穿进圆锥面，所述弹簧与所述圆锥面同心后，一起处于所述中间件与所述夹持柄之间，所述轴肩与所述中间件通过螺栓连接，所述圆柱销横向穿过芯轴上的定位孔后，与所述轴肩上的定位槽配合。
本发明的进一步改进在于：在所述步骤（1）中，焊接工具的组装包括如下步骤：
1）将弹簧从下至上套入夹持柄；
2）将圆锥面、中间件从下至上套入夹持柄；
3）推动中间件，使弹簧压紧至露出定位孔，同时使弹簧存在预先压缩量D0后，将圆柱销插入定位孔，从而阻止中间件沿芯轴被弹出；
4）将轴肩由下至上套入夹持柄下方的芯轴，调整中间件与轴肩相对位置，使对称连接孔与轴肩上的螺纹孔对齐，并用螺栓连接；
5）安装激光位置传感器，为了能够计算轴肩相对芯轴的位移量，首先确认圆锥面与底面的夹角α，然后使激光入射线与圆锥面中心轴在一个平面上、且激光源相对于芯轴的位置不变。
本发明的有益效果是：
（1）通过调节搅拌头下压量即弹簧压缩量结合控制系统，可在施焊过程中实时调整焊接轴向压力，从而使轴向压力不至于大起大落；
（2）弹簧压力恒定，不会因为震动导致轴向压力发生显著变化，且弹簧减震效果好，焊接噪声小、稳定性好；
（3）使用弹簧+圆锥面+激光测距方案，完美地解决了轴向压力传感问题，且成本低廉；
（4） 通过更换不同直径弹簧即可适应不同的焊接任务，快捷方便；
（5）不仅降低了机械振动噪声，也使焊接过程的压力更为平稳。
附图说明
图1是本发明一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接装置的结构示意图。
图2是本发明夹持柄结构示意图。
图3是本发明弹簧结构示意图。
图4是本发明中间件结构示意图。
图5是本发明圆柱销结构示意图。
图6是本发明轴肩结构示意图。
图7是本发明圆锥面和激光位置传感器位置示意图。
图8是本发明圆锥面沿着芯轴轴向变化示意图。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对本发明的保护范围构成限定。
如图1-8所示，本发明是一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：
（1）组装焊接工具；
（2）将被焊材料固定在工作台上，利用夹持柄在焊机的机头上安装已经组装完成的焊接工具即搅拌摩擦头；
（3）启动焊机，搅拌摩擦头开始旋转；
（4）焊机的机头向下压，直至搅拌摩擦头接触被焊材料；
（5）焊机的机头继续下降，使弹簧产生压缩后，记录此时圆锥面与激光位置传感器的垂直距离L0，焊接开始，弹簧的给定压缩量h0；
（6）焊接过程中当圆锥面与激光位置传感器的垂直距离L发生变化时，记为δL=L0-L；当轴肩沿着夹持柄下部的芯轴发生位移时，则此时轴肩相对于芯轴的位移变化量δh=δL/cos(α)=（L0-L）/cos(α)；弹簧压缩量D=h0+δh，且与δL存在一一对应关系，名义压缩量的导数即为δh的导数，为了防止轴肩过多压入工件和提高系统反应速度，当名义压缩量和及其导数为正时，减小焊接速度；当名义压缩量和导数均为负时，提升搅拌头并增加焊接速度；名义压缩量正、导数为负或当名义压缩量为负、导数为正时，保持焊接速度不变；当名义压缩量为零，保持焊接速度不变；也就是说焊接开始时，弹簧也存在一个给定压缩量h0，记录此时锥面与激光源的垂直距离L0，此后焊接过程中当锥面与激光源的垂直距离L会发生变化时，并且记为δL=L0-L；当轴肩沿着芯轴发生位移时，则此时轴肩或锥面相对于芯轴的位移变化量δh=δL/cos(α)=（L0-L）/cos(α)；弹簧压缩量D=h0+δh，且与δL存在一一对应关系，名义压缩量的导数即为δh的导数，搅拌头上安装有可以在轴向一定范围内移动的圆锥面，利用激光垂直照射圆锥面，依据激光位移变化值计算轴肩相对芯轴的位移量，依据该位移量和预置弹簧的比例系数计算轴肩与工件之间的轴向力；为了防止轴肩过多压入工件和提高系统反应速度，当名义压缩量和及其导数为正时，减小焊接速度；当名义压缩量和导数均为负时，提升搅拌头并增加焊接速度；名义压缩量正、导数为负或当名义压缩量为负、导数为正时，保持焊接速度不变；当名义压缩量为零，保持焊接速度不变；
（7）当搅拌摩擦头相对被焊材料到达预定焊缝尾部时，焊接结束；
所述焊接工具即搅拌摩擦头包括夹持柄1、弹簧2、中间件3、圆柱销4、轴肩5、顶针6、圆锥面7、激光位置传感器8，激光位置传感器为松下HG-C1100激光位移传感器，所述夹持柄1包括弹簧定位槽 1-1、定位孔1-2和预留螺孔1-3，定位孔1-2直径略大于圆柱销4的直径0.02mm；保圆柱销4能与定位孔1-2配合；所述弹簧2的直径与弹簧定位槽 1-1的直径相同，且所述弹簧2的直径略大于中间件3上端外径0.1mm；弹簧线径及弹簧长度根据焊接所需压力而定；所述中间件3包括中心通孔3-1、对称连接孔3-2，所述中心通孔3-1的直径略大于所述夹持柄1的底部直径0.2mm；夹持柄的底部直径就是芯轴的直径，所述轴肩5包括中心孔5-1、定位槽5-2和带针轴肩5-3；所述中心孔5-1的直径与所述中间件3的中心通孔3-1的直径相同，所述带针轴肩5-3与所述中间件3的对称连接孔3-2的位置相对应，所述带针轴肩5-3通过螺栓螺纹孔与所述中间件3紧密固定在一起；所述圆柱销4的直径略小于定位孔1-2的直径0.5mm，所述圆柱销4的长度略小于所述轴肩5的定位槽5-2的直径0.5mm；所述夹持柄1的下部分为芯轴，所述夹持柄1与所述芯轴为一体的，所述弹簧2穿进圆锥面7，所述弹簧2与所述圆锥面7同心后，一起处于所述中间件3与所述夹持柄1之间，所述轴肩5与所述中间件3通过螺栓连接，所述圆柱销4横向穿过芯轴上的定位孔1-2后，与所述轴肩5上的定位槽5-2配合，圆柱销的作用是防止轴肩相对芯轴旋转，同时阻止轴肩被弹簧弹离芯轴。
搅拌头上安装有可以在轴向一定范围内移动的圆锥面7，利用激光垂直照射圆锥面，依据激光位移变化值计算轴肩相对芯轴的位移量，依据该位移量和预置弹簧的比例系数计算轴肩与工件之间的轴向力；为了保持焊接过程稳定，设定名义压缩量的稳定区间，当名义压缩量的绝对值在该区间内变化时，定义名义压缩量为零；当名义压缩量高于该区间时，定义名义压缩量为正；当名义压缩量低于该区间时，定义名义压缩量为负，当弹簧被装配时，存在预先压缩量D0，轴肩与工件之间的压力为弹簧比例系数与（D0+D）的乘积，通过控制弹簧压紧程度即可控制焊接轴向压力，且弹簧压力稳定，不会因振动而使轴向力剧烈变化，达到降低机械噪音和降低轴向力振荡的目的，从而有利于焊接过程稳定。
在所述步骤1中，焊接工具的组装包括如下步骤：
1）将弹簧2从下至上套入夹持柄1；
2）将圆锥面7、中间件3从下至上套入夹持柄1；
3）推动中间件3，使弹簧2压紧至露出定位孔1-2，同时使弹簧2存在预先压缩量D0后，将圆柱销4插入定位孔1-2，从而阻止中间件3沿芯轴被弹出；
4）将轴肩（5）由下至上套入夹持柄1下方的芯轴，调整中间件3与轴肩5相对位置，使对称连接孔3-2与轴肩5上的螺纹孔对齐，并用螺栓连接；
5）安装激光位置传感器，为了能够计算轴肩相对芯轴的位移量，首先确认圆锥面与底面的夹角α，然后使激光入射线与圆锥面中心轴在一个平面上、且激光源相对于芯轴的位置不变。
该搅拌摩擦头拆卸的流程包括如下步骤：
1）：将夹持柄1卸下；
2）：将螺栓旋下，向夹持柄方向推动轴肩5，取下轴肩5；
3）：将中间件3沿夹持柄压紧，使圆柱销4松动，沿x方向抽出圆柱销4；
4）：缓慢放松弹簧，使之释放预先压缩量D0；
5）：沿着Y-方向依次取下中间件3、圆锥面7、弹簧2。
该焊接方法减弱焊接过程的轴向压力振荡，同时轴向压力能够自适应调整大小，使焊接过程更平稳；搅拌头的上方的弹簧使得轴向压力的振荡进一步削弱，同时使搅拌头更容易自适应提供轴向压力；在下压量调整过程中，不会存在传统搅拌头下压量不足而不能提供轴向力的情况，本发明旨在提高薄板金属的搅拌摩擦焊接过程稳定性，对提高搅拌摩擦焊焊接质量具有重要意义。
Claims (2)
1.一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述焊接方法包括如下步骤：
（1）组装焊接工具；
所述焊接工具包括夹持柄（1）、弹簧（2）、中间件（3）、圆柱销（4）、轴肩（5）、顶针（6）、圆锥面（7）、激光位置传感器（8），
所述夹持柄（1）包括弹簧定位槽 （1-1）、定位孔（1-2）和预留螺孔（1-3），定位孔（1-2）直径略大于圆柱销（4）的直径；
所述弹簧（2）的直径与弹簧定位槽 （1-1）的直径相同，且所述弹簧（2）的直径略大于中间件（3）上端外径；
所述中间件（3）包括中心通孔（3-1）、对称连接孔（3-2），所述中心通孔（3-1）的直径略大于所述夹持柄（1）的底部直径；
所述轴肩（5）包括中心孔（5-1）、定位槽（5-2）和带针轴肩（5-3）；所述中心孔（5-1）的直径与所述中间件（3）的中心通孔（3-1）的直径相同，所述带针轴肩（5-3）与所述中间件（3）的对称连接孔（3-2）的位置相对应，所述带针轴肩（5-3）通过螺栓螺纹孔与所述中间件（3）紧密固定在一起；
所述圆柱销（4）的直径略小于定位孔（1-2）的直径，所述圆柱销（4）的长度略小于所述轴肩（5）的定位槽（5-2）的直径；
所述夹持柄（1）的下部分为芯轴，所述夹持柄（1）与所述芯轴为一体的，所述弹簧（2）穿进圆锥面（7），所述弹簧（2）与所述圆锥面（7）同心后，一起处于所述中间件（3）与所述夹持柄（1）之间，所述轴肩（5）与所述中间件（3）通过螺栓连接，所述圆柱销（4）横向穿过芯轴上的定位孔（1-2）后，与所述轴肩（5）上的定位槽（5-2）配合，激光位置传感器（8）与所述圆锥面（7）垂直设置，使激光入射线与圆锥面中心轴在同一平面上且激光源相对于芯轴的位置不变；
（2）将被焊材料固定在工作台上，利用夹持柄在焊机的机头上安装已经组装完成的焊接工具即搅拌摩擦头；
（3）启动焊机，搅拌摩擦头开始旋转；
（4）焊机的机头向下压，直至搅拌摩擦头接触被焊材料；
（5）焊机的机头继续下降，使弹簧产生压缩后，记录此时圆锥面与激光位置传感器（8）的垂直距离L0，焊接开始，弹簧的给定压缩量h0；
（6）焊接过程中当圆锥面与激光位置传感器的垂直距离L发生变化时，记为δL=L0-L；当轴肩沿着夹持柄下部的芯轴发生位移时，则此时名义压缩量为轴肩相对芯轴的位移量即δh=δL/cos(α)=（L0-L）/cos(α)，α角为圆锥面与底面的夹角；弹簧压缩量D=h0+δh，且与δL存在一一对应关系，设定名义压缩量的稳定区间，当名义压缩量的绝对值在该区间内变化时，定义名义压缩量为零；当名义压缩量高于该区间时，定义名义压缩量为正；当名义压缩量低于该区间时，定义名义压缩量为负，当名义压缩量及其导数为正时，减小焊接速度；当名义压缩量和导数均为负时，提升搅拌头并增加焊接速度；名义压缩量正、导数为负或当名义压缩量为负、导数为正时，保持焊接速度不变；当名义压缩量为零，保持焊接速度不变，名义压缩量为轴肩相对芯轴的位移量；
（7）当搅拌摩擦头相对被焊材料到达预定焊缝尾部时，焊接结束。
2.根据权利要求1所述一种降噪式轴向压力自适应搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：在所述步骤（1）中，焊接工具的组装包括如下步骤：
1）将弹簧（2）从下至上套入夹持柄（1）；
2）将圆锥面（7）、中间件（3）从下至上套入夹持柄（1）；
3）推动中间件（3），使弹簧（2）压紧至露出定位孔（1-2），同时使弹簧（2）存在预先压缩量D0后，将圆柱销（4）插入定位孔（1-2），从而阻止中间件（3）沿芯轴被弹出；
4）将轴肩（5）由下至上套入夹持柄（1）下方的芯轴，调整中间件（3）与轴肩（5）相对位置，使对称连接孔（3-2）与轴肩（5）上的螺纹孔对齐，并用螺栓连接；
5）安装激光位置传感器，为了能够计算轴肩相对芯轴的位移量，首先确认圆锥面与底面的夹角α，然后使激光入射线与圆锥面中心轴在一个平面上、且激光源相对于芯轴的位置不变。
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| CN108971744A (zh) | 2018-12-11 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Application publication date: 20181211 Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980006173 Denomination of invention: A noise reduction axial pressure adaptive friction stir welding method and device Granted publication date: 20210402 License type: Common License Record date: 20210714 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract | ||
| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Center for technology transfer Jiangsu University of Science and Technology Assignor: JIANGSU University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Contract record no.: X2021980006173 Date of cancellation: 20210826 |
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| EC01 | Cancellation of recordation of patent licensing contract |