CN110653483B - 搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，其包括安装在搅拌摩擦焊主轴上的圆形卡具、框式支架、调节组件、安装在调节组件上的温度检测模块和压下量检测模块以及通过数据线进行通信连接的工控机；圆形卡具包括半圆卡具、调节固定器和硅胶垫，位于框式支架上方；调节组件包括导轨、滑块、固定轴、转轴、调整块、轴座、轴套和传感器支架。本发明的检测装置通过框式支架使红外热像仪和激光测距传感器在搅拌摩擦焊接过程中随搅拌针移动，不受焊接母材和焊接过程影响，能够在线检测搅拌摩擦焊接过程的温度与压下量，以便及时分析焊接状态，保证焊接质量。

Description

搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置

技术领域

本发明涉及一种温度与压下量的检测装置，特别是用于搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测设备。

背景技术

搅拌摩擦焊接是英国剑桥焊接协会Wayne Thomas等人于1991年发明的一项针对轻质金属结构的关键连接技术，这项技术与原有焊接工艺相比原理简单，控制参数少，降低了焊接过程的人为因素影响，提高了安全条件和焊接质量，广泛用于航天制造业、船舶制造业、核能工业等领域，国内外对搅拌摩擦焊技术的研究非常重视，研究主要集中在搅拌头与工件摩擦产热模型、搅拌摩擦焊接过程模拟及预测、焊缝形成与热塑金属的迁移、搅拌摩擦焊作用力影响、焊缝中缺陷形成的机制和搅拌摩擦焊引发的残余应力与变形等方向。国内外大部分研究都集中在焊机工艺和焊接材料上，对搅拌摩擦焊接过程中温度场、作用力和热塑性区方面的研究主要也是集中在有限元仿真方面，对焊接热性能和搅拌头压下量的在线检测研究特别少。现阶段对于搅拌摩擦焊接过程温度场检测方法有红外热像测温技术、热电偶测温技术、无限传输测温系统。上述检测方法中热电偶测温需要提前埋设热电偶，对焊接母材有一定破坏性，很难应用于实际生产中；以往的红外测温通常是在搅拌摩擦焊接设备附近安装红外热像仪三脚架，但很难实时跟踪搅拌头区域温度，对工作环境有一定要求；无线传输测温系统通过把测温装备固定在搅拌头上，虽然解决了测量系统信号传输问题，但是对于测温区域的可调节性仍有部分不足。

搅拌摩擦焊接过程中，焊接温度场变化过程是一个动态变化过程，焊接温度的动态变化将对焊接接头的最终形状、焊缝质量、性能及应力变形等产生直接影响。通过测量焊接温度场，方便研究人员了解焊接质量并及时做出调整。搅拌摩擦焊接过程中焊接压力会影响搅拌摩擦生热，并对焊接过程中塑性金属起到压紧作用，焊接压力过大过小都会对焊接质量产生影响，而焊接压力与搅拌头压下量有直接关系。现有搅拌摩擦焊接设备对于压下量检测主要是通过安装在执行电机上的编码器或安装在导轨上的光栅尺测量执行电机输出轴转过的角度或在导轨上运动的机头在坐标空间中的位置，计算搅拌头压下量，这种计算对于理想刚体来说是准确的，但是对于大多焊接母材来说由于柔性发生非预期变形时，就会造成下压量发生偏移。因此及时准确的测量出焊接母材上的温度分布与搅拌头压下量，是进行焊接残余应力分析、焊接组织分析、焊缝表面形状分析的基础，也是对焊接过程进行计算机控制的前提。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，不仅能够满足搅拌摩擦焊接过程中的复杂环境，还可以在不同焊接母材、不同规格的搅拌摩擦焊接设备下实现温度与压下量的在线检测，以便及时分析焊接状态，保证焊接质量。

本发明的一种搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，通过下述技术方案来实现：其包括圆形卡具、框式支架、调节组件、温度检测模块、压下量检测模块和工控机，所述圆形卡具包括半圆卡具和调节固定器，所述半圆卡具和所述调节固定器首尾相连，组成封闭圆环，所述半圆卡具的上表面与内侧面均分别连接所述框式支架与搅拌摩擦焊的主轴，所述框式支架包括底座和立柱，相邻立柱间通过所述底座相连，所述圆形卡具与所述底座间通过所述立柱连接；所述底座与所述立柱的侧面均设有导轨槽，所述调节组件包括导轨槽、滑块、固定轴、转轴、调整块、轴座和轴套，所述滑块设于所述导轨槽中，所述立柱中的滑块与所述轴套固连，所述固定轴的两端分别与所述轴套螺接，所述底座中的滑块与所述轴座固连，所述转轴的两端分别与所述轴座螺接，所述调整块的第一端设有长圆孔，所述长圆孔与所述固定轴相连，所述调整块的第二端与检测模块相连；所述调节组件包括第一调节组件和第二调节组件，所述第一调节组件和第二调节组件分别连接并调节所述温度检测模块和所述压下量检测模块；所述温度检测模块包括红外传感器支架和安装板固定主轴，所述红外传感器支架的第一端与所述安装板固定主轴固连，并与第一调整块形成转动副，所述红外传感器支架的第二端与第一转轴固连，并与第一轴座形成转动副，所述第一转轴与所述安装板固定主轴的轴线平行，所述第一调节组件能调节所述温度检测模块实现上下移动、前后移动和绕转轴摆动；所述压下量检测模块包括激光传感器支架和安装固定轴，所述激光传感器支架的第一端与所述安装固定轴固连，并与第二调整块形成转动副，所述激光传感器支架的第二端与第二转轴固连，并与第二轴座形成转动副，所述第二转轴与所述安装固定轴的轴线平行，所述第二调节组件能调节所述压下量检测模块实现上下移动、前后移动和绕转轴摆动。

优选地，所述滑块与所述导轨槽组成移动副，与所述滑块相固连的轴座能沿所述底座上的导轨槽滑动，与所述滑块相固连的轴套能沿所述立柱上的导轨槽上下滑动。

优选地，所述圆形卡具与搅拌摩擦焊的主轴之间设有硅胶垫，以增大摩擦力，所述调节固定器能调节所述圆形卡具的大小。

优选地，所述温度检测模块还包括红外热像仪、红外热像仪安装孔和红外传感器散热孔，所述红外热像仪固定于所述红外传感器支架上；所述压下量检测模块还包括激光测距传感器、传感器安装孔和激光传感器散热孔，所述激光测距传感器固定于所述激光传感器支架上。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明利用红外热像仪设备实现了对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头、焊接母材的温度精确在线监测，利用激光测距传感器实现对压下量的实时检测。为保证能实时在线检测搅拌头及焊接母材表面温度和搅拌头压下量，本发明将红外热像仪和激光测距传感器安装在框式支架两侧，通过调节组件调整传感器位置，从而使红外热像仪和激光测距传感器在线采集搅拌头附近温度与压下量，并随搅拌头同步移动，不影响搅拌摩擦焊接设备正常工作。

(2)本发明利用红外热像仪对搅拌头和焊接母材温度进行在线检测，并通过数据线传输至工控机，实时显示红外温度图像，实现远距离实时检测温度分布，分析焊接情况。

(3)本发明利用激光测距传感器对搅拌针压下量在线检测，并通过数据线传输至工控机，绘制焊接过程中搅拌头压下量实时变化曲线。

(4)本发明设置了调节组件，当搅拌针长度变化，或者研究对象不局限于搅拌头附近时，可以调节红外热像仪和激光测距传感器实现上下移动、前后移动和绕转轴摆动，使传感器采集区域符合研究要求。

(5)本发明的支架可以方便地安装在搅拌摩擦焊接设备上，实现搅拌摩擦焊接过程温度与压下量的在线检测，并不影响搅拌摩擦焊接设备正常工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置的总装立体示意图；

图2为本发明检测装置的圆形卡具的立体示意图；

图3为本发明检测装置的框式支架的立体示意图；

图4为本发明检测装置的调节组件的左视图；

图5为本发明检测装置的调节组件与温度检测模块的立体示意图；

图6为本发明检测装置的调节组件与压下量检测模块的立体示意图；以及

图7为本发明检测装置的数据信息传输示意框图。

附图标记：

圆形卡具1；框式支架2；调节组件3；温度检测模块4；压下量检测模块5；工控机6；

第一半圆卡具11；第二半圆卡具12；第一调节固定器13；第二调节固定器14；底座21；立柱22；第一调节组件31；第二调节组件32；红外热像仪41；红外传感器支架42；红外热像仪安装孔43；安装板固定主轴44；红外传感器散热孔45；激光测距传感器51；激光传感器支架52；安装固定轴53；传感器安装孔54；激光传感器散热孔55；

第一螺丝孔111；第二螺丝孔121；第一导轨槽311；第一轴套312；第一固定轴313；第一转轴314；第一调整块315；第一轴座316；第一长圆孔317；第二导轨槽321；第二轴套322；第二固定轴323；第二转轴324；第二调整块325；第二轴座326；第二长圆孔327。

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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，除非另有说明，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。为便于读者理解，依据图1中的方位，对装置进行描述。

如图1所示，本发明的搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置包括安装在搅拌摩擦焊主轴上的圆形卡具1、框式支架2、调节组件3、安装在调节组件上的温度检测模块4和压下量检测模块5以及通过数据线进行通信连接的工控机6。下面对各部件进行详细说明。如图2所示，圆形卡具1包括位于主轴左侧与右侧的第一半圆卡具11和第二半圆卡具12、位于两边的第一调节固定器13和第二调节固定器14，以及位于第一半圆卡具11上的第一螺丝孔111、第二半圆卡具12上的第二螺丝孔121和半圆卡具内侧的硅胶垫，硅胶垫用于增加圆形卡具1与主轴间摩擦力，优选的是使用聚氨酯垫增加摩擦力，第一半圆卡具11和第二半圆卡具12通过第一调节固定器13和第二调节固定器14组成可调节大小的完整圆环，圆形卡具1通过第一螺丝孔111、第二螺丝孔121固定在搅拌摩擦焊接设备主轴上，L型搅拌摩擦焊防护罩也通过螺栓连接与圆形卡具1相连。

如图3所示，框式支架2包括水平放置的底座21、连接底座21与上部圆形卡具1的四个竖直立柱22，底座21为非同一水平面上的交叉设置的四个型材，立柱22为四个相互平行的型材，立柱22与底座21间均由三角固定器固定，立柱22由第二螺丝孔121固定在圆形卡具1上，底座21为矩形框，这样可以使框式支架2套在搅拌摩擦焊主轴下部，不影响主轴工作。底座21与立柱22的侧面均设有U型的导轨槽，导轨槽内设有滑块，滑块能沿导轨槽滑动。

如图4和图5所示，调节组件3有两组，其中，第一调节组件31与温度检测模块4相连，以调节温度检测模块4的位置及姿态，第二调节组件32与压下量检测模块5相连，以调节压下量检测模块5的位置及姿态，第一调节组件31包括第一导轨槽311、第一滑块、第一固定轴313、第一转轴314、第一调整块315、第一轴座316、第一轴套312和第一长圆孔317，其中第一长圆孔317为第一调整块315的第一端。第一导轨槽311既包括底座21侧面的导轨槽，也包括立柱22侧面的导轨槽，第一滑块套设在第一导轨槽311内，第一固定轴313从第一长圆孔317穿过，两端与第一轴套312螺接，第一轴套312与第一滑块固连，故第一轴套312可沿立柱22上下滑动，优选的是第一导轨槽311为双通道平行导轨，第一滑块也是平行双滑块，优选地，第一固定轴313为螺纹固定轴，可通过螺母固定第一调整块315；第一转轴314的两端分别与第一轴座316相连，第一轴座316与第一滑块相连，从而能沿底座21滑动。

当调节第一轴套312在立柱22侧面的第一导轨槽311内上下滑动时，通过第一固定轴313、第一调整块315、安装板固定主轴44的传动，红外传感器支架42能带动温度检测模块4实现角度的摆动；若同时上下调节与第一轴座316相连的底座21，可实现温度检测模块4的上下移动；当调节第一轴座316在底座21侧面的第一导轨槽311内前后滑动时，通过第一转轴314的传动，红外传感器支架42能带动温度检测模块4进行前后滑动。三种调节方式配合可以实现传感器上下的移动、前后的移动和绕第一转轴314轴线的摆动角的调节。

如图4和图5所示，温度检测模块4包括红外热像仪41、红外传感器支架42、红外热像仪安装孔43、安装板固定主轴44和红外传感器散热孔45，第一调整块315的第二端与安装板固定主轴44相连，组成转动副，结合第一转轴314，实现对红外传感器支架42的调节固定，红外热像仪41通过红外热像仪自身的卡具固定在红外传感器支架42中间的红外热像仪安装孔43上，红外热像仪41与红外传感器支架42接触的一面通过红外传感器散热孔45散热，防止工作时间太长影响设备运行。采用非制冷式红外热像仪，工作环境温度-15～50℃，测温范围-40～1200℃，优选的是红外热像的工作环境温度与测温范围，更适合对特殊焊接母材温度的检测，采集的红外温度图像通过数据线实时传输至工控机6，通过对红外温度图像温度数据处理，校准发射率，最后将焊接母材温度数据实时显示在工控机6显示屏上。

如图6所示，第二调节组件32包括第二导轨槽321、第二滑块、第二固定轴323、第二转轴324、第二调整块325、第二轴座326、第二轴套322和第二长圆孔327，其中第二长圆孔327为第二调整块325的第一端，压下量检测模块5包括激光测距传感器51、激光传感器支架52、安装固定轴53、传感器安装孔54和激光传感器散热孔55。第二调节组件32与压下量检测模块5的连接关系类似第一调节组件31与温度检测模块4的装配关系，及调节方式也类似，激光传感器支架52由第二调整块325和第二转轴324调节固定，激光测距传感器51通过螺丝固定在传感器安装孔54上，激光测距传感器通过激光测距传感器支架52上的激光传感器散热孔55增加散热，保证设备正常运行，优选的是通过卡具固定传感器，方便拆卸。

当调节第二轴套322在立柱22侧面的第二导轨槽321内上下滑动时，通过第二固定轴323、第二调整块325、安装固定轴53的传动，激光传感器支架52能带动压下量检测模块5实现角度的摆动；若同时上下调节与第二轴座326相连的底座21，可实现温度检测模块4的上下移动；当调节第二轴座326在底座21侧面的第二导轨槽321内前后滑动时，通过第二转轴324的传动，红外传感器支架42能带动压下量检测模块5进行前后滑动。三种调节方式配合可以实现传感器上下的移动、前后的移动和绕第二转轴324轴线的摆动角的调节。

激光测距传感器51的调节方式与红外热像仪41的调节方式相同。根据激光测距原理测量压下量数据，通过数据线实时传输至工控机6，通过对距离数据处理标定，最后将压下量的变化曲线与工控机6的显示屏上进行实时显示。

如图7所示，红外热像仪41测量的温度数据与激光测距传感器51测量的距离数据传输至工控机6进行数据处理，红外热像仪通过工控机的IEEE1394接口传输温度数据，IEEE1394接口进行数据传输支持热插拔，传输速率理论值可达3.2Gbit/s，激光测距仪采集的距离数据通过工控机的USB接口传输至工控机6，处理后的压下量变化曲线实时显示在工控机6显示屏上。

本装置的使用过程如下：

本装置在使用时，首先把红外热像仪41与激光测距传感器51分别固定在红外传感器支架42和激光传感器支架52上，然后通过调节搅拌摩擦焊接主轴高度使整个装置可以从主轴下方套在主轴上，并通过圆形卡具1上的第一螺丝孔111固定在主轴上，通过第一调节组件31中的第一转轴314调节红外传感器支架42的前后位置，通过第一调节组件31中的第一固定轴313调节红外传感器支架42的上下位置，通过第一调节组件31中的第一固定轴313在第一长圆孔中位置调节红外传感器支架42的摆动角度大小，使红外热像仪41采集所需研究区域，通过对第二调节组件32调节，调节方式与第一调节组件31类似，使激光测距传感器51采集搅拌头附近区域，将两个传感器位置调节好以后，确保整个装置固定在主轴上不抖动，确保固定牢固后，将传感器与工控机6进行连接，运行设备即可在工控机6的显示屏中实时显示温度数据与压下量变化曲线。

通过以上对本发明的搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置的描述可知，本发明具有如下优点：

(1)本发明利用红外热像仪41实现对搅拌摩擦焊接过程中搅拌头、焊接母材的温度精确在线检测，利用激光测距传感器51实现对压下量的在线检测。为保证能在线检测搅拌头及焊接母材表面温度和搅拌头压下量，本发明将红外热像仪41和激光测距传感器51安装在框式支架2两侧，通过调节组件2调整传感器位置，从而使红外热像仪和激光测距传感器在线采集搅拌头附近温度与压下量，并随搅拌头同步移动，不影响搅拌摩擦焊接设备正常工作。

(2)本发明利用红外热像仪41对搅拌头和焊接母材实时温度进行测量，并通过通信传输至工控机6获取红外温度图像，实现远距离实时检测温度分布，分析焊接情况。

(3)本发明利用激光测距传感器51对搅拌针压下量在线检测，并通过数据传输至工控机6，绘制焊接过程中搅拌头压下量实时变化曲线

(4)本发明设置了调节组件2，当搅拌针长度变化，或者研究对象不局限于搅拌头附近时，可以上下、前后调节红外热像仪41和激光测距传感器51的位移，也可以调节两器械的摆角，使传感器采集区域符合研究要求。

(5)本发明的框式支架2可以方便地安装在搅拌摩擦焊接设备上，实现搅拌摩擦焊接过程温度与压下量的在线检测，并不影响搅拌摩擦焊接设备正常工作。

以上所述各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应该理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，其包括圆形卡具、框式支架、调节组件、温度检测模块、压下量检测模块和工控机，其特征在于：

所述圆形卡具包括半圆卡具和调节固定器，所述半圆卡具和所述调节固定器首尾相连，组成封闭圆环，所述半圆卡具的上表面与内侧面均分别连接所述框式支架与搅拌摩擦焊的主轴，所述框式支架包括底座和立柱，相邻立柱间通过所述底座相连，所述圆形卡具与所述底座间通过所述立柱连接；

所述底座与所述立柱的侧面均设有导轨槽，所述调节组件包括导轨槽、滑块、固定轴、转轴、调整块、轴座和轴套，所述滑块设于所述导轨槽中，所述立柱中的滑块与所述轴套固连，所述固定轴的两端分别与所述轴套螺接，所述底座中的滑块与所述轴座固连，所述转轴的两端分别与所述轴座螺接，所述调整块的第一端设有长圆孔，所述长圆孔与所述固定轴相连，所述调整块的第二端与温度检测模块或压下量检测模块相连；

所述调节组件包括第一调节组件和第二调节组件，所述第一调节组件和第二调节组件分别连接并调节所述温度检测模块和所述压下量检测模块；

所述温度检测模块包括红外传感器支架和安装板固定主轴，所述红外传感器支架的第一端与所述安装板固定主轴固连，并与第一调整块形成转动副，所述红外传感器支架的第二端与第一转轴固连，并与第一轴座形成转动副，所述第一转轴与所述安装板固定主轴的轴线平行，所述第一调节组件能调节所述温度检测模块实现上下移动、前后移动和绕第一转轴摆动；

所述压下量检测模块包括激光传感器支架和安装固定轴，所述激光传感器支架的第一端与所述安装固定轴固连，并与第二调整块形成转动副，所述激光传感器支架的第二端与第二转轴固连，并与第二轴座形成转动副，所述第二转轴与所述安装固定轴的轴线平行，所述第二调节组件能调节所述压下量检测模块实现上下移动、前后移动和绕第二转轴摆动。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，其特征在于：所述滑块与所述导轨槽组成移动副，与所述滑块相固连的轴座能沿所述底座上的导轨槽滑动，与所述滑块相固连的轴套能沿所述立柱上的导轨槽上下滑动。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，其特征在于：所述圆形卡具与搅拌摩擦焊的主轴之间设有硅胶垫，以增大摩擦力，所述调节固定器能调节所述圆形卡具的大小。

4.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接过程中温度与压下量的在线检测装置，其特征在于：所述温度检测模块还包括红外热像仪、红外热像仪安装孔和红外传感器散热孔，所述红外热像仪固定于所述红外传感器支架上；所述压下量检测模块还包括激光测距传感器、传感器安装孔和激光传感器散热孔，所述激光测距传感器固定于所述激光传感器支架上。

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