CN110640300A - 一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法，属于金属材料的焊接设备技术领域。所述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，安装于搅拌摩擦焊接设备主体，包括红外测温仪、扭矩传感器、数据传输模块和焊接工艺辅助计算机，扭矩传感器安装在电机与丝杠之间，红外测温仪设置于在主轴支架，红外测温仪和扭矩传感器均通过数据传输模块与焊接工艺辅助计算机连接，用以将采集到的实时温度数据和实时扭矩数据发送至焊接工艺辅助计算机。所述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法，其能够动态采集、实时分析搅拌头的扭矩数据，并且对焊接工艺参数进行实时调整优化，既可最大限度保证加工工艺要求，又可延长搅拌头的使用寿命。

Description

一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法

技术领域

本发明涉及金属材料的焊接设备技术领域，特别涉及一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法。

背景技术

搅拌摩擦焊技术自1991年问世以来，得到了快速发展和广泛应用。在搅拌摩擦焊接过程中，焊接热源主要来自于搅拌头轴肩与材料的摩擦产热以及材料的塑性变形热，因而摩擦产热越多、塑性变形越大，焊接温度也就越高，因而在一定范围内，大转速、小焊速、大下压量这三个条件均会导致焊接温度升高；而焊接过程中搅拌头的扭矩主要取决于材料软化程度，因而一般说来，小转速、大焊速、大下压量这三个条件均会导致搅拌头扭矩升高。在实际焊接操作中，焊接板材的厚度误差以及工作台表面的平整度等因素均会导致焊接轴肩下压量的变化，从而引起温度峰值与扭矩的改变，最终导致焊缝长度方向的接头质量不均匀性增加。因此，如何在焊接过程中实时监测温度场与扭矩的变化，在工艺规范要求一定的情况下通过反馈信号的处理实时修改可变参数，从而实现对于搅拌摩擦焊缝质量均匀性的控制具有重要的意义。

随着焊接技术的辅助手段快速发展，焊接监测技术发展日趋成熟，但现有技术大多聚焦于如热电偶方式的焊接特征点静态温度循环检测与红外动态焊接温度检测等手段，已公开的发明专利(公开号：101929892A)提出了一种搅拌摩擦焊在线测试系统，提供了一种对焊接过程三向力的在线检测装置及方法，但是不能对焊接工艺参数进行实时调整，因此，开发一种关于搅拌摩擦焊接在线参数调控系统及控制方法是十分必要的。

发明内容

为了解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法，其能够动态采集、实时分析搅拌头的扭矩数据，并且对焊接工艺参数进行实时调整优化，既可最大限度保证加工工艺要求，又可延长搅拌头的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，安装于搅拌摩擦焊接设备主体，所述搅拌摩擦焊接设备主体包括工作台、伺服进给系统、主轴支架、电机、主轴、丝杠和搅拌头，所述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统包括红外测温仪、扭矩传感器、数据传输模块和焊接工艺辅助计算机；

所述扭矩传感器安装在电机与丝杠之间，用以采集搅拌头的扭矩数据；

所述红外测温仪设置于在主轴支架，其随主轴同步移动，用以采集焊缝的温度数据；

所述红外测温仪和扭矩传感器均通过数据传输模块与焊接工艺辅助计算机连接，用以将采集到的实时温度数据和实时扭矩数据发送至焊接工艺辅助计算机。

所述焊接工艺辅助计算机在焊接的过程中通过内置程序将实时温度数据与温度场峰值进行对比，根据对比结果确定是否需要对实时温度进行调整；再将实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比，根据对比结果确定焊接工艺参数是否需要优化，当焊接工艺参数不需要优化时，将原焊接工艺参数发送到伺服进给系统中，继续进行焊接，当焊接工艺参数需要优化时，对焊接工艺参数进行优化，并将优化后的焊接工艺参数发送到伺服进给系统中，继续进行焊接。

一种用于搅拌摩擦焊的在线参数控制方法，采用上述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，包括如下步骤：

(1)设备通电，扭矩传感器进行归零初始化，调整红外测温仪照射角度，使红外测温仪对准焊缝区域；

(2)根据工件及搅拌头的几何形状和焊接要求，在焊接工艺辅助计算机编制数控程序，并在数控程序中输入焊接工艺参数、温度场峰值和扭矩标准范围，所述焊接工艺参数包括转速w、焊速v和下压量h，对工件进行焊接；

(3)在搅拌头移动焊接过程中，红外测温仪采集的焊缝实时温度数据和扭矩传感器采集的搅拌头实时扭矩数据均通过数据传输模块发送至焊接工艺辅助计算机，所述焊接工艺辅助计算机显示实时温度数据，并将实时温度数据与温度场峰值进行对比，如果实时温度数据高于温度场峰值，保持与该实时温度数据对应的下压量h和转速w不变，减小焊速v，直到采集到的实时温度数据低于等于温度场峰值时，将搅拌头的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比；

(4)将搅拌头的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比时，如果实时扭矩数据在扭矩标准范围内，将与该实时扭矩数据对应的焊接工艺参数通过数据传输模块发送至伺服进给系统，使搅拌摩擦焊接设备按照该焊接工艺参数继续焊接；如果实时扭矩数据不在扭矩标准范围内，对与该实时扭矩数据对应的焊接工艺参数进行优化，具体优化过程为：先降低下压量h，同时保持焊速v与转速w不变；当下压量h降低至其初始输入值的百分之九十时，保持该下压量h不变，并保持焊速v不变，降低转速w；当转速w降低至其初始输入值的百分之九十时，保持该转速w不变，并保持下压量h不变，降低焊速v；在上述优化过程中，当实时扭矩数据调整到扭矩标准范围内时，停止优化，并将优化后的焊接工艺参数通过数据传输模块发送至伺服进给系统，搅拌摩擦焊接设备按照优化后的焊接工艺参数继续进行焊接。

所述温度场峰值为工件发生流动变形时或者搅拌头焊接工件时所能承受的不损坏搅拌头的最高温度。

本发明的有益效果：

1)通过对扭矩传感器采集的实时扭矩数据进行分析，调节优化搅拌头的焊接工艺参数，即转速、焊速和下压量，能够提高搅拌摩擦焊焊接工艺参数的控制效率和精度，有效提高搅拌摩擦焊接工艺质量；

2)通过对焊缝实时温度数据与温度场峰值的对比与控制，既可最大限度保证加工工艺要求，又可防止搅拌头损耗、延长搅拌头使用寿命；

3)通过在线温度场检测与焊接工艺辅助计算机的协同工作，记录大量的焊接过程中焊缝周围温度实时变化信息，进而可计算出焊缝区域的温度变化，为搅拌摩擦焊接焊缝区域的温度场研究提供基础平台；

4)本发明采用数据传输模块收发信号，即通过无线通讯协议，可使用任意相同协议信号接收端，包括手机等设备来对温度和扭矩数据进行采集与处理，使数据具有实时性、可观性、共享性。

本发明的其他特征和优点将在下面的具体实施方式中部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的用于搅拌摩擦焊的在线参数控制方法的流程图。

说明书附图中的附图标记包括：

1-搅拌摩擦焊接设备主体，11-工作台，12-主轴支架，13-电机，14-主轴，15-搅拌头，16-工件，17-伺服进给系统，18-丝杠，2-红外测温仪，21-旋转装置，3-扭矩传感器，31-联轴器，4-数据传输模块，5-焊接工艺辅助计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

为了解决现有技术存在的问题，如图1至图2所示，本发明实施例提供了一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统及控制方法，其能够动态采集、实时分析搅拌头15的扭矩数据，并且对焊接工艺参数进行实时调整优化，既可最大限度保证加工工艺要求，又可延长搅拌头15使用寿命。

如图1所示，一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，安装于搅拌摩擦焊接设备主体1，所述搅拌摩擦焊接设备主体1包括工作台11、伺服进给系统17、主轴支架12、电机13、主轴14、丝杠18和搅拌头15，所述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统包括红外测温仪2、扭矩传感器3、数据传输模块4和焊接工艺辅助计算机5；

所述扭矩传感器3安装在电机13与丝杠18之间，用以采集搅拌头15的扭矩数据；

所述红外测温仪2设置于在主轴支架12，其随主轴14同步移动，用以采集焊缝的温度数据；

所述红外测温仪2和扭矩传感器3均通过数据传输模块4与焊接工艺辅助计算机5连接，用以将采集到的实时温度数据和实时扭矩数据发送至焊接工艺辅助计算机5，所述焊接工艺辅助计算机5在焊接的过程中通过内置程序将实时温度数据与温度场峰值进行对比，根据对比结果确定是否需要对实时温度进行调整；再将实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比，根据对比结果确定焊接工艺参数是否需要优化，当焊接工艺参数不需要优化时，将原焊接工艺参数发送到伺服进给系统17中，继续进行焊接，当焊接工艺参数需要优化时，对焊接工艺参数进行优化，并将优化后的焊接工艺参数发送到伺服进给系统17中，继续进行焊接。

本实施例中，扭矩传感器3通过联轴器31安装在电机13与丝杠18之间，扭矩传感器3采用定制的隆旅高精度非接触式动态扭矩传感器3LONGLV-WTQ803F，当轴肩下压量需要改变时可通过伺服进给系统17旋转丝杠18进行搅拌头15的上下移动。伺服进给系统17采用现有搅拌摩擦焊接设备中的伺服进给系统17，其包括位置控制单元、速度控制单元、驱动元件、检测与反馈单元和机械执行部件。红外测温仪2通过螺栓连接在主轴支架12上，红外测温仪2可采用现有技术，红外测温仪2的工作原理是基于黑体辐射理论，建立红外测温仪2输出电压与红外测温仪2接收的辐射量的关系，绘制出焊接表面周围温度场，红外测温仪2可包括热电堆传感器、低噪声放大器、A/D转换模块、单片机、LCD显示模块和电源模块，本实施例中采用的红外测温仪2的型号采用STE-8系列的STE-8-722，将信号通过数据线传输至数据传输模块4P900中，焊接之前，根据搅拌头15长度及工艺参数，通过红外测温仪2的旋转装置21预先将红外测温仪2的镜头角度调整至合适位置。扭矩传感器3与红外测温仪2共同经数据传输模块4采用无线传输方式与焊接工艺辅助计算机5通信，扭矩传感器3实时将主轴14的扭矩变化通过数据传输模块4无线发送至焊接工艺辅助计算机5，红外测温仪2实时将黑色金属工件16焊缝周围的温度场数据通过数据传输模块4无线发送至焊接工艺辅助计算机5。焊接工艺辅助计算机5将采集到的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比分析，当扭矩数据不属于扭矩标准范围时，根据工艺规则对扭矩数据进行进行实时调整得到合适的修正参数。焊接工艺辅助计算机5可以根据焊接过程采集到的工件16焊接表面温度数据生成该工艺下的温度场模型，用于对焊接工艺进行后续分析。基于黑体辐射理论，搅拌摩擦焊接设备焊接工件16的材料为黑色金属时，可按照常规工艺直接进行焊接，焊接工件16的材料非黑色金属时，可预先在金属焊缝周围区域使用黑色颜料涂刷，用于提高红外测温仪2测温的准确性。

如图2所示，一种用于搅拌摩擦焊的在线参数控制方法，采用上述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，包括如下步骤：

(1)设备通电，扭矩传感器3进行归零初始化，调整红外测温仪2照射角度，使红外测温仪2始终对准焊缝区域；

(2)根据工件16及搅拌头15的几何形状和焊接要求，在焊接工艺辅助计算机5编制数控程序，并在数控程序中输入焊接工艺参数、温度场峰值和扭矩标准范围，所述焊接工艺参数包括转速w、焊速v和下压量h，对工件16进行焊接；

(3)在搅拌头15移动焊接过程中，红外测温仪2采集的焊缝实时温度数据和扭矩传感器3采集的搅拌头15实时扭矩数据均通过数据传输模块4发送至焊接工艺辅助计算机5，所述焊接工艺辅助计算机5显示实时温度数据，并将实时温度数据与温度场峰值进行对比，如果实时温度数据高于温度场峰值，保持与该实时温度数据对应的下压量h和转速w不变，减小焊速v，直到采集到的实时温度数据低于等于温度场峰值时，将搅拌头15的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比；

(4)将搅拌头15的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比时，如果实时扭矩数据在扭矩标准范围内，将与该实时扭矩数据对应的焊接工艺参数通过数据传输模块4发送至伺服进给系统17，使搅拌摩擦焊接设备按照该焊接工艺参数继续焊接；如果实时扭矩数据不在扭矩标准范围内，对与该实时扭矩数据对应的焊接工艺参数进行优化，具体优化过程为：先降低下压量h，同时保持焊速v与转速w不变；当下压量h降低至其初始输入值的百分之九十时，保持该下压量h不变，并保持焊速v不变，降低转速w；当转速w降低至其初始输入值的百分之九十时，保持该转速w不变，并保持下压量h不变，降低焊速v；在上述优化过程中，当实时扭矩数据调整到扭矩标准范围内时，停止优化，并将优化后的焊接工艺参数通过数据传输模块4发送至伺服进给系统17，搅拌摩擦焊接设备按照优化后的焊接工艺参数继续进行焊接。

在搅拌头15移动焊接过程中，如果实时温度数据高于温度场峰值，就先对焊缝实时温度通过保持下压量h和转速w不变以及减小焊速v进行调整，待将焊缝实时温度调整到温度场峰值以下时再进行实时扭矩数据与扭矩标准范围的对比，如果实时温度数据低于等于温度场峰值时，直接进行实时扭矩数据与扭矩标准范围的对比，在整个搅拌头15焊接的过程中，搅拌摩擦焊接设备进行不间断地连续焊接。搅拌头15加工的工艺规则采用改变单一变量、优先控制原则，并且步骤(4)中的优化过程始终以实时扭矩数据对比扭矩标准范围对比为条件，一旦符合实时扭矩数据在扭矩标准范围内，就停止调节参数，上述步骤(3)和(4)的内容共同编制程序导入焊接工艺辅助计算机5中执行。

温度场峰值为工件16发生流动变形时或者搅拌头15焊接工件时所能承受的不损坏搅拌头15的最高温度，温度场峰值根据工件16材料与搅拌头15属性确定，用以最大限度保证加工工艺要求的同时延长搅拌头15使用寿命，比如搅拌头15采用钨铼(W-Re)合金材料，搅拌头15焊接工件时所能承受的不损坏搅拌头15的最高温度1500℃。根据工件16的几何形状和焊接要求，以及搅拌头15的几何形状和焊接要求编制数控程序，并在数控程序中输入扭矩标准范围，相当于数控程序中导入了扭矩-工艺参数数据库，扭矩-工艺参数数据库的获得可采用现有技术。本实施例步骤(2)中的扭矩标准范围通过如下方式确定：在搅拌摩擦焊接设备采用本发明的调控系统及控制方法之前，通过现有的正常工作的搅拌摩擦焊接设备采集焊接过程中有限组数据作为神经网络训练样本，每组数据中包括扭矩与焊速、转速、下压量四个数值，将采集到的训练样本导入焊接工艺辅助计算机5，将有限的训练样本通过已有的神经网络模型分析得到连续的搅拌头15扭矩与对应的焊接工艺参数的扭矩-工艺参数数据库，即获得了扭矩标准范围。本控制方法控制的过程，如果实时扭矩数据为扭矩标准范围的边界值时，按照原焊接工艺参数继续焊接，不需要优化，另外，无论实时扭矩数据是否需要优化，都连续的将焊接工艺参数通过数据传输模块4发送至搅拌摩擦焊接设备的伺服进给系统17中，形成一个闭环控制以达到连续稳态焊接。

以上对本发明的具体实施例进行了描述，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，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 (4)

1.一种用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，安装于搅拌摩擦焊接设备主体，所述搅拌摩擦焊接设备主体包括工作台、伺服进给系统、主轴支架、电机、主轴、丝杠和搅拌头，其特征在于，所述用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统包括红外测温仪、扭矩传感器、数据传输模块和焊接工艺辅助计算机；

所述扭矩传感器安装在电机与丝杠之间，用以采集搅拌头的扭矩数据；

所述红外测温仪设置于在主轴支架，其随主轴同步移动，用以采集焊缝的温度数据；

所述红外测温仪和扭矩传感器均通过数据传输模块与焊接工艺辅助计算机连接，用以将采集到的实时温度数据和实时扭矩数据发送至焊接工艺辅助计算机。

2.根据权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，其特征在于，所述焊接工艺辅助计算机在焊接的过程中通过内置程序将实时温度数据与温度场峰值进行对比，根据对比结果确定是否需要对实时温度进行调整；再将实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比，根据对比结果确定焊接工艺参数是否需要优化，当焊接工艺参数不需要优化时，将原焊接工艺参数发送到伺服进给系统中，继续进行焊接，当焊接工艺参数需要优化时，对焊接工艺参数进行优化，并将优化后的焊接工艺参数发送到伺服进给系统中，继续进行焊接。

3.一种用于搅拌摩擦焊的在线参数控制方法，采用权利要求1所述的用于搅拌摩擦焊的在线参数调控系统，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设备通电，扭矩传感器进行归零初始化，调整红外测温仪照射角度，使红外测温仪对准焊缝区域；

(2)根据工件及搅拌头的几何形状和焊接要求，在焊接工艺辅助计算机编制数控程序，并在数控程序中输入焊接工艺参数、温度场峰值和扭矩标准范围，所述焊接工艺参数包括转速w、焊速v和下压量h，对工件进行焊接；

(3)在搅拌头移动焊接过程中，红外测温仪采集的焊缝实时温度数据和扭矩传感器采集的搅拌头实时扭矩数据均通过数据传输模块发送至焊接工艺辅助计算机，所述焊接工艺辅助计算机显示实时温度数据，并将实时温度数据与温度场峰值进行对比，如果实时温度数据高于温度场峰值，保持与该实时温度数据对应的下压量h和转速w不变，减小焊速v，直到采集到的实时温度数据低于等于温度场峰值时，将搅拌头的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比；

(4)将搅拌头的实时扭矩数据与扭矩标准范围进行对比时，如果实时扭矩数据在扭矩标准范围内，将与该实时扭矩数据对应的焊接工艺参数通过数据传输模块发送至伺服进给系统，使搅拌摩擦焊接设备按照该焊接工艺参数继续焊接；如果实时扭矩数据不在扭矩标准范围内，对与该实时扭矩数据对应的焊接工艺参数进行优化，具体优化过程为：先降低下压量h，同时保持焊速v与转速w不变；当下压量h降低至其初始输入值的百分之九十时，保持该下压量h不变，并保持焊速v不变，降低转速w；当转速w降低至其初始输入值的百分之九十时，保持该转速w不变，并保持下压量h不变，降低焊速v；在上述优化过程中，当实时扭矩数据调整到扭矩标准范围内时，停止优化，并将优化后的焊接工艺参数通过数据传输模块发送至伺服进给系统，搅拌摩擦焊接设备按照优化后的焊接工艺参数继续进行焊接。

4.根据权利要求3所述的用于搅拌摩擦焊的在线参数控制方法，其特征在于，所述温度场峰值为工件发生流动变形时或者搅拌头焊接工件时所能承受的不损坏搅拌头的最高温度。

Images