CN109865932B - 搅拌摩擦焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搅拌摩擦焊接装置，包括机架和控制系统，所述机架上设有用于将工件搅拌焊接的摩擦头；所述机架上还设有距离传感器，所述距离传感器与所述控制系统通讯连接，所述距离传感器用于检测工件平面与距离传感器之间的距离；所述控制系统用于调节摩擦头的高度。本发明还提供一种搅拌摩擦焊接方法。本发明设置了距离传感器，通过对零件检测距离数据，在二维摩擦焊设备上实现了三维的控制效果，避免了原有零件因前序变形而无法很好焊接的情况。提升了生产效率，为后续生产提供了保障。

Description

搅拌摩擦焊接装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，特别是涉及一种搅拌摩擦焊接装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦焊方法与常规摩擦焊一样。搅拌摩擦焊也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。在焊接过程中工件要刚性固定在背垫上，焊头边高速旋转，边沿工件的接缝与工件相对移动。焊头的突出段伸进材料内部进行摩擦和搅拌，焊头的肩部与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以起到清除表面氧化膜的作用。

从机械结构来讲，摩擦焊设备分为2类，一类是2D摩擦焊设备，一类为3D摩擦焊设备。前者主要针对直线以及平面类焊接，价格便宜，后者主要针对曲面焊接，价格昂贵。对于一般平面焊接来说，2D的摩擦焊设备已经足够使用，但前提是所加工零件必须绝对平整，否则无法对加工面实现良好的加工效果。但事实上，对于前序有焊接等加工工序的存在，势必存在一定的加工变形，导致了在2D加工过程中，加工平面和摩擦头之间距离存在变化，导致加工过程焊接深浅不一，产生大量报废。

申请号201480043947.9的中国发明专利说明书中公开了一种搅拌摩擦焊接方法，具体提供一种在搅拌摩擦焊接时被认为是难焊接材料的铝合金制铸件、2000系、4000系、5000系以及7000系铝合金材料中的同种或不同种材质的两件材料中能够有利于获得具有无焊接缺陷的完好的焊接部的焊接产品的搅拌摩擦焊接方法。在第一构件与第二构件之间的被焊接部位的焊接结束端侧的端面，抵接由1000系铝合金、3000系铝合金、6000系铝合金或8000系铝合金构成的结束引板，旋转工具的搅拌针自这两个构件的焊接部位被引导至开始引板，此后，结束第一构件与第二构件之间的搅拌摩擦焊接操作。然而构件在焊接加工过程中，可能发生翘曲形变，或构件本身存在高低缺陷，导致加工过程焊接深浅不一，影响焊接效果。

发明内容

本发明要解决的第一个技术问题是提供一种搅拌摩擦焊接装置，以克服现有技术的上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种搅拌摩擦焊接装置，包括机架和控制系统，所述机架上设有用于将工件搅拌焊接的摩擦头；所述机架上还设有距离传感器，所述距离传感器与所述控制系统通讯连接，所述距离传感器用于检测工件平面与距离传感器之间的距离；所述控制系统用于调节摩擦头的高度。

优选地，所述距离传感器位于所述摩擦头的前方或者后方。

优选地，所述距离传感器为激光传感器。

本发明要解决的第二个技术问题是提供一种搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

S1、在机架上设置距离传感器，使距离传感器与摩擦头下端面的垂直高度为Δz；

S2、移动机架，使摩擦头按照二维坐标系的焊接轨迹进行移动，记录每个轨迹点上所述距离传感器与工件平面的实际垂直高度Δz1，并将信号反馈给控制系统；

S3、计算每个轨迹点的补偿高度差为Δz2，且Δz2＝Δz1-Δz；

S4、将每个轨迹点的补偿高度差Δz2拟合成曲线，作为Z轴的设定值，结合步骤S2中二维坐标的焊接轨迹，拟合生成一条三维坐标系的一个焊接轨迹线；

S5、启动搅拌摩擦焊接装置，使摩擦头按照步骤S4中的三维坐标系的焊接轨迹线移动进行搅拌摩擦工作。

优选地，所述控制系统中设有处理数据的VB程序。

如上所述，本发明涉及的搅拌摩擦焊接装置及方法，具有以下有益效果：本发明设置了距离传感器，通过对零件检测距离数据，在二维摩擦焊设备上实现了三维的控制效果，避免了原有零件因前序变形而无法很好焊接的情况。提升了生产效率，为后续生产提供了保障。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

元件标号说明

1 机架

11 升降轴

2 控制系统

3 摩擦头

31 搅拌针

4 距离传感器

5 工件

51 第一工件

52 第二工件

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种搅拌摩擦焊接装置，包括机架1和控制系统2，所述机架1上设有升降轴11，升降轴11的下端设有摩擦头3，摩擦头3上设有搅拌针31，摩擦头3对准两个工件5的焊缝处，摩擦头3高速旋转，与工件5的端面进行摩擦，并移动机架1使摩擦头沿工件5的接缝与工件相对移动，从而使连接部位的材料温度升高软化，搅拌针31伸进第一工件51和第二工件52之间的接缝进行摩擦和搅拌，从而完成整个焊接工序。然而，第一工件51和第二工件52，有焊接等加工工序的存在，势必存在一定的加工变形，如直接采用平面搅拌摩擦焊接方式，易导致加工过程焊接深浅不一，产生大量报废。故本发明在所述机架1上还设有距离传感器4，所述距离传感器4与所述控制系统2通讯连接，所述距离传感器4用于检测工件平面与距离传感器4之间的距离，并将信号反馈给控制系统；所述控制系统2用于调节摩擦头3的高度，在一种优选实施方式中，控制系统2发出控制信号调节升降轴11的高度，从而调节了摩擦头3的高度，使摩擦头3可以在设定高度进行摩擦焊接。

本发明中以工件5的长度、宽度和高度方向设置X轴、Y轴、Z轴的三维坐标系，如图1所示，优选地，所述距离传感器4位于所述摩擦头3的附近位置布置，但优选为前方或者后方，即参考Y轴方向，通常焊缝的位置沿Y轴方向设置，当然，所述距离传感器4也可设置在摩擦头3的左侧或右侧，即参考X轴方向，所述距离传感器4的中心线距离所述摩擦头3的中心线的距离为3-5cm，便于所述距离传感器4的安装。

优选地，所述距离传感器4为激光传感器，当然也可为红外距离传感器、超声波距离传感器等，准确检测工件平面与距离传感器4之间的距离。在一种优选实施例中，升降轴11可通过伺服电机驱动，伺服电机与控制系统连接，所述距离传感器4检测工件平面与距离传感器4之间的垂直高度，将信号反馈给控制系统2后，控制系统2进行分析后，发出控制信号给伺服电机，调整升降轴11的升降，从而使摩擦头3升降到指定位置。至于机架1、升降轴11、伺服电机等结构为现有技术中常规的结构，在此不再重复赘述，控制系统可选用单片机、处理器、计算机等能处理程序的硬件设备。

本发明还提供一种搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：

S1、在机架1上设置距离传感器4，使距离传感器4与摩擦头3下端面的垂直高度为Δz，距离传感器4的位置设置需根据实际情况设置，与摩擦头3的间隔不能太远，但也不能在工件5焊接时干涉到所述摩擦头3。

S2、移动机架1，使摩擦头3按照二维坐标系的焊接轨迹进行移动，即平面移动，二维坐标系的焊接轨迹由若干个轨迹点拟合而成，由于工件5平面并不一定平整，故记录每个轨迹点上所述距离传感器4与工件5平面的实际垂直高度Δz1，并将信号反馈给控制系统2。例如，可以所述距离传感器4下端面发出光束的中心点为基准点记录轨迹点，坐标记为(Δx,Δy，Δz1)。

S3、计算每个轨迹点的补偿高度差为Δz2，且Δz2＝Δz1-Δz。

S4、将每个轨迹点的补偿高度差Δz2拟合成曲线，作为Z轴的设定值，结合步骤S2中二维坐标的焊接轨迹，拟合生成一条三维坐标系的一个焊接轨迹线，其中X轴，Y轴位置和原有的二维坐标的位置相同，仅在Z轴上产生区别。

S5、启动搅拌摩擦焊接装置，使摩擦头3按照步骤S4中的三维坐标系的焊接轨迹线移动进行搅拌摩擦工作，来补偿工的变形量，确保加工质量。

优选地，所述控制系统2中设有处理数据的VB程序，用于分析数据和拟合曲线，当然也可采用其他相同功能的软件程序。

综上所述，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，利用的搅拌摩擦焊接装置包括机架（1）和控制系统（2），所述机架（1）上设有用于将工件搅拌焊接的摩擦头（3）；所述机架（1）上还设有距离传感器（4），所述距离传感器（4）与所述控制系统（2）通讯连接，所述距离传感器（4）用于检测工件平面与距离传感器（4）之间的距离；所述控制系统（2）用于调节摩擦头（3）的高度，包括如下步骤：

S1、在机架（1）上设置距离传感器（4），使距离传感器（4）与摩擦头（3）下端面的垂直高度为Δz；

S2、移动机架（1），使摩擦头（3）按照二维坐标系的焊接轨迹进行移动，记录每个轨迹点上所述距离传感器（4）与工件（5）平面的实际垂直高度Δz1，并将信号反馈给控制系统（2）；

S3、计算每个轨迹点的补偿高度差为Δz2，且Δz2=Δz1-Δz；

S4、将每个轨迹点的补偿高度差Δz2拟合成曲线，作为Z轴的设定值，结合步骤S2中二维坐标的焊接轨迹，拟合生成一条三维坐标系的一个焊接轨迹线；

S5、启动搅拌摩擦焊接装置，使摩擦头（3）按照步骤S4中的三维坐标系的焊接轨迹线移动进行搅拌摩擦工作。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述控制系统（2）中设有处理数据的VB程序。

3.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述距离传感器（4）位于所述摩擦头（3）的前方或者后方。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于：所述距离传感器（4）为激光传感器。

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