CN109551098B - 一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，主要由滚珠花键、花键轴、线圈、永磁铁、力传感器、刀柄、搅拌工具组成。所述线圈和永磁铁分别安装于滚珠花键端盖和花键轴上，通过两者间产生的电磁力对搅拌工具施加轴向压力；力传感器与线圈相连，可实时测量轴向压力大小，并反馈给控制系统；所述搅拌工具通过刀柄与花键轴连接，花键轴与滚珠花键配合，实现搅拌工具的轴向移动；所述滚珠花键与主轴电机相连，实现搅拌工具的旋转运动。本发明通过花键配合将电机的旋转运动传递到搅拌工具，通过调节焊接过程中线圈中的电流大小精确控制电磁力大小，从而对搅拌工具施加恒定的轴向压力，可实现表面不平整工件的恒压力搅拌摩擦焊接，响应速度快，结构简单。

Description

一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置及方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊接领域，特别涉及一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置。

背景技术

搅拌摩擦焊接是一种固相连接方法，其主要连接机制是通过搅拌工具的旋转摩擦产热，使材料进入塑性状态，再通过搅拌工具的搅拌与局部锻造作用以及被连接材料的动态再结晶形成致密焊缝。其中，搅拌工具对被焊材料的轴向压力是保证焊缝质量良好的重要因素。现有技术通常采用将搅拌工具压入工件表面一定位移量的方法，对被焊材料施加轴向压力，即恒压入量控制方法。但是，由于焊接过程中工件受热软化，相同压入量在不同温度下产生的轴向压力并不相同，而焊接过程中的温度变化无法精确测得，导致轴向压力无法精确控制。

恒压力控制方法则采用力传感器采集焊接过程中的轴向压力，并反馈给控制系统；控制系统将轴向压力的实测值与设定值比较，通过控制Z轴电机旋转，带动丝杠-螺母传动机构，使主机头向下运动，完成对搅拌工具压入量的动态调节，从而保证焊接过程中轴向压力的恒定。但由于该控制方法反馈环节较长，存在较多机械传动环节，响应速度慢，压力控制精度低，并不适用于表面不平整工件的恒压力搅拌摩擦焊接。

发明内容

本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，实现了表面不平整工件的恒压力搅拌摩擦焊接，响应速度快，结构简单。

本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是：

一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，主要由滚珠花键、花键轴、线圈、永磁铁、力传感器、刀柄、搅拌工具等零件组成。所述线圈和永磁铁分别安装于滚珠花键端盖和花键轴上，通过两者间产生的电磁力对搅拌工具施加轴向压力；力传感器与线圈相连，可实时测量轴向压力大小；所述搅拌工具通过刀柄与花键轴连接，花键轴与滚珠花键配合，实现搅拌工具的轴向移动；滚珠花键与主轴电机相连，实现搅拌工具的旋转运动。

本发明所述的永磁体直径大于花键轴的外圆直径，实现花键轴的轴向限位；花键轴与滚珠花键之间可相对滑动，相对位移大于5mm；线圈与永磁体之间产生斥力，通过力传感器实时采集焊接过程中轴向压力大小，并反馈给控制系统；控制系统通过调节线圈电流大小实现恒定电磁力控制，进而实现恒压力焊接。

本发明提供的一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，与现有技术相比，其优点在于：

(1)本发明采用电磁力对被焊材料施加轴向压力，通过调节线圈中电流大小实现恒压力控制，控制精度高，控制环节少，响应速度快。

(2)本发明实现了焊接过程中搅拌工具的浮动控制，增强了搅拌工具对不平整工件表面的自适应能力，可实现表面不平整工件的搅拌摩擦焊接。

附图说明

图1为浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置示意图；

图2为线圈与电磁铁间隙示意图；

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征及所达成目的及效果，下面将结合实施例并配合附图予以详细说明。

参照图1，本发明所涉及的浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置主要由力传感器1、线圈2、永磁铁3、紧固螺钉4、滚珠花键端盖5、滚珠花键6、花键轴7、刀柄8、搅拌工具9组成。线圈2和永磁铁3分别安装于滚珠花键端盖5和花键轴7上，力传感器1与线圈2相连。搅拌工具9通过刀柄8与花键轴7连接，花键轴7与滚珠花键6配合，滚珠花键6与主轴电机相连。刀柄8与花键轴7通过紧固螺钉4连接。

图2为线圈与电磁铁间隙示意图。永磁体3直径大于花键轴7的外圆直径，实现花键轴7的轴向限位；花键轴7与滚珠花键6之间可相对滑动，相对位移为15mm；线圈2与永磁体3之间产生斥力，通过力传感器1实时采集焊接过程中轴向压力大小，并反馈给控制系统；控制系统通过调节线圈2电流大小实现恒定电磁力控制，进而实现恒压力焊接。

下面利用上述浮动式恒压力搅拌摩擦焊接装置对工件焊接步骤进行说明。

(1)前期准备：通过试验，确定轴向压力、线圈电流以及线圈与永磁体间隙H三者间的关系。根据被焊工件表面最大不平整度确定间隙H的大小，可设置H约等于1.5～2倍表面最大不平整度。根据设定的焊接轴向压力确定线圈电流大小并通入线圈。

(2)扎入阶段：设定焊接过程轴向压力；启动焊机Z轴电机，带动搅拌工具下移，当线圈与永磁体间隙H达到设定值，停止下压；将设定电流值通入线圈，电流方向使线圈与永磁体之间产生斥力；启动主轴电机，带动搅拌针旋转，旋转速度设定为800r/min；启动Z轴使搅拌针扎入工件表面，力传感器实时检测轴向压力大小；当轴向压力达到设定值，Z轴电机停止下压。

(3)焊接阶段：设定焊接速度为100mm/min进行焊接；对于表面不平整焊缝焊接，当焊缝高于基准平面，线圈与永磁铁间隙H减小，力传感器测得电磁力增大并反馈给控制系统，控制系统减小线圈电流值，使电磁力减小，从而将轴向压力降低至设定值；相反，当焊缝低于基准平面，线圈与永磁铁间隙H增大，使得轴向压力减小，控制系统通过增大线圈电流值，使轴向压力保持恒定值。整个反馈过程没有机械传动环节的反馈，只有电信号传递，响应速度快。

(4)拔出阶段：到达焊缝终点后，启动Z轴电机缓慢驱动搅拌工具拔出工件，然后停止主轴转动，完成焊接。

虽然本发明已以较佳实施例阐释如上，但本发明包括但不限于以上实施例。本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中。当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，包括滚珠花键、花键轴、线圈、永磁铁、力传感器、刀柄、搅拌工具；

所述线圈和永磁铁分别安装于滚珠花键端盖和花键轴上，力传感器与线圈相连，搅拌工具通过刀柄与花键轴连接，花键轴与滚珠花键配合，滚珠花键与主轴电机相连；

所述力传感器可实时测量焊接过程中的轴向压力大小，并反馈给控制系统；

所述永磁体直径大于花键轴的外圆直径，实现花键轴的轴向限位；

所述刀柄与花键轴通过紧固螺钉连接。

2.根据权利要求1所述的一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述花键轴与滚珠花键之间可相对滑动，相对位移大于5mm。

3.根据权利要求1所述的一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置，其特征在于，所述线圈与永磁体之间产生斥力，通过调节线圈电流大小实现对电磁力大小的控制。

4.根据权利要求1所述的一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)前期准备：通过试验，确定轴向压力、线圈电流以及线圈与永磁体间隙H三者间的关系；

步骤(2)扎入阶段：设定焊接过程轴向压力；启动焊机Z轴电机，带动搅拌工具下移，当线圈与永磁体间隙H达到设定值，停止下压；将设定电流值通入线圈，电流方向使线圈与永磁体之间产生斥力；启动主轴电机，带动搅拌针旋转；启动Z轴电机使搅拌针扎入工件表面，力传感器实时检测轴向压力大小；当轴向压力达到设定值，Z轴电机停止下压；

(3)焊接阶段：设定焊接速度进行焊接；对于表面不平整焊缝焊接，当焊缝高于基准平面，线圈与永磁铁间隙H减小，力传感器测得电磁力增大并反馈给控制系统，控制系统减小线圈电流值，使电磁力减小，从而将轴向压力降低至设定值；相反，当焊缝低于基准平面，线圈与永磁铁间隙H增大，使得轴向压力减小，控制系统通过增大线圈电流值，使轴向压力保持恒定值；

(4)拔出阶段：到达焊缝终点后，启动Z轴电机缓慢驱动搅拌工具拔出工件，然后停止主轴转动，完成焊接。

5.根据权利要求4所述的一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，步骤(1)前期准备：根据被焊工件表面最大不平整度确定间隙H的大小，设置H等于1.5～2倍表面最大不平整度，根据设定的焊接过程轴向压力确定线圈电流大小并通入线圈。

6.根据权利要求4所述的一种浮动式恒压力控制搅拌摩擦焊接装置的焊接方法，其特征在于，步骤(2)搅拌针旋转速度设定为800r/min；步骤(3)设定焊接速度为100mm/min进行焊接。

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