CN109048043A - 一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置及其使用方法，该焊接装置包括压紧装置、喷水孔、抽水孔、金属参考丝组、视频识别装置和压力传感器，所述压紧装置包括上部的夹持板和底部的U型压板，夹持板和U型压板之间以浮动弹簧压杆连接，所述金属参考丝组由多根金属参考丝组成。本装置结构简单，安装便捷，利用搅拌头前进阻力F及超过滞区后的变化率δ_F来判定焊接区域温度高低，利用搅拌头前方干湿分界线与金属参考丝的距离δ_L来判定焊接区域高温区大小，可解决以往高速搅拌摩擦焊接时薄板变形的问题。

Description

一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊 接装置及其使用方法

技术领域

本发明属于金属材料加工领域，尤其涉及到一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，并具体公开了该装置的使用方法。

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，搅拌摩擦焊与常规摩擦焊一样是利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源。不同之处在于搅拌摩擦焊焊接过程是由一个圆柱体或其他形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过焊头的高速旋转，使其与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接的。

搅拌摩擦焊和传统的熔焊相比，由于搅拌摩擦焊接时的温度相对较低，因此焊接后结构的残余应力或变形也较熔化焊小得多；搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法，焊接前及焊接过程中对环境的污染小；搅拌摩擦焊接过程无需添加焊丝，焊铝合金时不需焊前除氧化膜，不需要保护气体，成本低；可焊热裂纹敏感的材料，适合异种材料焊接；能一次完成较长焊缝、大截面、不同位置的焊接，接头高；因此，搅拌摩擦焊在现今生产制造中得到广泛的应用。

随着对产品精度、可靠性和减重方面的要求越来越高，在生产制造中，如何实现构件高精度、高质量的连接对推动产品发展具有极其重要的意义。搅拌摩擦焊技术通常针对壁厚2mm以上的材料进行连接，而微搅拌摩擦焊技术采用超高转速和超小轴肩搅拌工具进行焊接，主要针对的连接厚度为1mm以下的工件；在焊接过程中，材料的产热和流动机制都有其独特之处。

焊接变形是焊接过程中经常出现的问题，主要是焊接过程中对焊件进行了局部的、不均匀的加热而造成的。处于高温焊接区域的材料在加热过程中的膨胀量大，受到周围温度较低、膨胀量小的材料的限制而不能自由地进行。特别是对薄板结构件进行焊接时极易出现变形现象，薄板结构件的壁厚小，焊接难度大，在焊接过程中焊接区域的温度不易控制，这些都会导致焊接变形严重。

常见的用于控制搅拌摩擦焊变形的方法有钢件固定法和冷却法等，钢件固定法是设计合理的焊接夹具，将焊件固定起来进行焊接的方法，该方法可增加其刚性，达到减小焊接变形的目的。冷却法是通过水雾、冷气等方法对焊缝局部区域进行冷却，一方面降低接头温度总体水平，另一方面使高温区变窄，降低接头温度场非对称性，抑制热变形。

但是，上述方法均只能在一定程度上降低残余应力，很难消除变形。因此，有必要设计一种更为高效的焊接装置，在焊接过程中能更为精确的控制高温焊接区的温度，保证焊接质量。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的不足，提供一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置及其使用方法，利用搅拌头前进阻力F及超过滞区后的变化率δ_F来判定焊接区域温度高低，利用搅拌头前方干湿分界线与金属参考丝的距离δ_L来判定焊接区域高温区大小，解决以往高速搅拌摩擦焊接薄板变形的问题。

本发明的具体技术方案如下所述：

一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，包括压紧装置、喷水孔、抽水孔、金属参考丝组、视频识别装置和压力传感器，所述压紧装置包括上部的夹持板和底部的U型压板，夹持板和U型压板之间以浮动弹簧压杆连接。

进一步地，所述金属参考丝组由多根金属参考丝组成，金属参考丝由不锈钢材料制成。

进一步地，在U型压板上设有四个螺孔，靠近浮动弹簧压杆的两个螺孔为所述喷水孔，用于连接喷水管；远离浮动弹簧压杆的两个螺孔为所述抽水孔，用于连接抽水管。

进一步地，在U型压板底部设有滚珠便于装置边焊边压紧。

一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置的使用方法，具体的使用步骤为：

1)清点各部分构件，安装压力传感器于工作台的下方，根据焊接参数将金属参考丝夹入U型压板的U型口内对应的预置位置；将喷水管与喷水孔相连、抽水管与抽水孔相连；将夹持装置夹装在搅拌摩擦焊焊机机头上，调整高度后锁紧；将视频识别装置夹装在U型压板上；

2)利用压力传感器测得搅拌头前进阻力F及其超过滞区后的变化率δ_F(即前进阻力F的导数)来判定焊接区域温度大小，利用视频识别装置测得搅拌头前方干湿分界线与金属参考丝的距离δ_L来判定焊接区域高温区大小；

3)在高温作用下，水分迅速蒸发形成的干湿分界线向搅拌头靠近且越过金属参考丝时，如搅拌头前进阻力变化率δ_F＞0，则保持当前参数不变；如δ_F≤0，则下压搅拌头，从而增加焊缝的热输入量；当分界线开始收缩且与金属参考丝的距离δL变大，如δF≥0，减少下压量同时减少旋转速度；如δ_F＜0，则保持原参数不变3s，如果金属参考丝的距离δL还是变大，则停止焊接，重新设定温度和焊接参数；当分界线与金属参考丝的距离δL在容许误差区间内时，则保持当前参数不变。

进一步地，根据材料的性质和焊接速度大小，搅拌头前进阻力滞区可在设定阻力F0的上下100N，即滞区范围是[-100N，100N]。

进一步地，分界线与金属参考丝的距离δL也设有容许误差区间，即干湿分离线与金属参考丝最近的距离为±2mm内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明公开的前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置的结构简单，安装便捷，采用喷水方式冷却，根据视频识别装置识别搅拌头周围干湿分离线与弧形金属丝组相对区间位置调整喷水量，可避免水量不足使母材高温变形或水量过大使焊接热输入不足，充分保证焊接质量；

2.采用前进阻力反馈调节，实现成本低廉，简单可靠；

3.压紧装置的U型压板与夹持板间采用浮动弹簧压杆连接，实现压力可控；

4.在U型压板底部设置滚珠，使得焊接装置可随搅拌头边焊边压紧，进一步保证焊接质量；

5.金属参考丝组由多根弧形金属丝组成，在使用过程中可将干湿分离线精确定位到两根金属丝之间，可更好的识别焊接区域温度情况，弧形金属丝还能起到导水作用；

6.在U型压板上设置抽水孔与抽水管连接，可抽去工作台上大量积水。

附图说明

图1为本发明一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置的整体结构示意图；

图2为分界线与金属参考丝的距离δL。

其中，1-喷水孔，2-抽水孔，3-金属参考丝组，4-视频识别装置，5-夹持板，6-U型压板，7-浮动弹簧压杆，8-压力传感器。

具体实施方式

以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改和替换，均属于本发明的范围。

为了在薄板搅拌焊接时更好地控制高温焊接区的温度，本发明公开一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，干湿分离线是由于焊接区域温度很高，离搅拌头一定距离的冷却水被迅速蒸发形成的，本发明公开的焊接装置的整体结构包括压紧装置、喷水孔1、抽水孔2、金属参考丝组3、视频识别装置4和压力传感器8，所述压紧装置包括上部的夹持板5和底部的U型压板6，夹持板5和U型压板6之间以浮动弹簧压杆7连接，实现压力可控，在U型压板6上设有四个螺孔，靠近浮动弹簧压杆7的两个螺孔为所述喷水孔1，用于连接喷水管；远离浮动弹簧压杆7的两个螺孔为所述抽水孔2，用于连接抽水管，可抽去工作台上大量积水；所述金属参考丝组3由多根金属参考丝组成，所述金属参考丝由不锈钢丝制成，金属参考丝的具体位置根据焊接参数进行调整，在使用过程中可将干湿分离线精确定位到两根金属丝之间，可更好的识别焊接区域温度情况，继而起到导水作用；在U型压板6底部设有滚珠便于装置在压紧的状态下随搅拌头边焊边移动。

本发明主要采用喷水方式冷却高温焊接区，根据视频识别装置识别到的搅拌头周围干湿分离线与弧形金属丝组相对区间位置来调整喷水量，可避免水量不足造成的母材高温变形或水量过大造成的焊接热输入不足的情况，充分保证焊接质量；可采用热电偶丝检测搅拌头内部温度，同时采用无线传输的办法来获取数据。

具体的使用步骤为：

1)清点各部分构件，安装压力传感器，根据焊接参数将金属参考丝夹入U型压板的U型口内对应的预置位置；将喷水管与喷水孔相连、抽水管与抽水孔相连；将夹持装置夹装在搅拌摩擦焊焊机机头上，调整高度后锁紧；将视频识别装置夹装在U型压板上；

2)利用压力传感器测得搅拌头前进阻力F及其超过滞区后的变化率δ_F来判定焊接区域温度大小，利用视频识别装置测得搅拌头前方干湿分界线与金属参考丝的距离δ_L来判定焊接区域高温区大小；

3)在高温作用下，水分迅速蒸发形成的干湿分界线向搅拌头靠近且越过金属参考丝时，如搅拌头前进阻力变化率δ_F＞0，则保持当前参数不变；如δ_F≤0，则下压搅拌头，从而增加焊缝的热输入量。当分界线开始收缩且与金属参考丝的距离δL变大，如δF≥0，减少下压量同时减少旋转速度；如δ_F＜0，则保持原参数不变3s，如果金属参考丝的距离δL还是变大，则停止焊接，重新设定温度和焊接参数；当分界线与金属参考丝的距离δL在容许误差区间内时，则保持当前参数不变。

根据材料的性质和焊接速度大小，搅拌头前进阻力滞区可在设定阻力F0的上下100N，即[-100N,100N]。可通过控制压板装置浮动弹簧压紧程度调节压板压力，即滞区范围是[-100N,100N]；干湿分界线与金属参考丝6的距离δL的容许误差区间为±2mm内。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。但是以上所述仅为本发明的具体实施例，本发明的技术特征并不局限于此，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的技术方案下得出的其他实施方式均应涵盖在本发明的专利范围之中。

Claims (7)

1.一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括压紧装置、喷水孔(1)、抽水孔(2)、金属参考丝组(3)、视频识别装置(4)和压力传感器(8)，所述压力传感器(8)设在工作台的下方，所述压紧装置包括上部的夹持板(5)和底部的U型压板(6)，夹持板(5)和U型压板(6)之间以浮动弹簧压杆(7)连接。

2.如权利要求1所述的一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述金属参考丝组(3)由多根金属参考丝组成，金属参考丝由不锈钢材料制成。

3.如权利要求2所述的一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，在U型压板(6)上设有四个螺孔，靠近浮动弹簧压杆(7)的两个螺孔为所述喷水孔(1)；远离浮动弹簧压杆(7)的两个螺孔为所述抽水孔(2)。

4.如权利要求3所述的一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，在U型压板(6)底部设有滚珠。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置的使用方法，其特征在于，具体的使用步骤为：

1)清点各部分构件，安装压力传感器于工作台的下方，根据焊接参数将金属参考丝夹入U型压板的U型口内对应的预置位置；将喷水管与喷水孔相连、抽水管与抽水孔相连；将夹持装置夹装在搅拌摩擦焊焊机机头上，调整高度后锁紧；将视频识别装置夹装在U型压板上；

2)利用压力传感器测得搅拌头前进阻力F及其超过滞区后的变化率δ_F来判定焊接区域温度大小，利用视频识别装置测得搅拌头前方干湿分界线与金属参考丝的距离δ_L来判定焊接区域高温区大小；

3)在高温作用下，水分迅速蒸发形成的干湿分界线向搅拌头靠近且越过金属参考丝时，如搅拌头前进阻力变化率δ_F＞0，则保持当前参数不变；如δ_F≤0，则下压搅拌头，从而增加焊缝的热输入量；当分界线开始收缩且与金属参考丝的距离δL变大，如δF≥0，减少下压量同时减少旋转速度；如δ_F＜0，则保持原参数不变3s，如果金属参考丝的距离δL还是变大，则停止焊接，重新设定温度和焊接参数；当分界线与金属参考丝的距离δL在容许误差区间内时，则保持当前参数不变。

6.如权利要求5所述的一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置的使用方法，其特征在于，根据材料的性质和焊接速度大小，搅拌头前进阻力滞区可在设定阻力F0的上下100N，即滞区范围是[-100N，100N]。

7.如权利要求5所述的一种前进阻力与干湿分离线联合反馈控制的薄板搅拌摩擦焊接装置的使用方法，其特征在于，分界线与金属参考丝的距离δL也设有容许误差区间，即干湿分离线与金属参考丝最近的距离为±2mm内。