CN110711934B - 一种搅拌摩擦焊设备及工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种搅拌摩擦焊设备及工艺，所述搅拌摩擦焊设备包括控制系统、工作台、焊接架、搅拌头和图像采集装置，待焊接工件固定在所述工作台上，所述焊接架位于所述工作台的上方，所述搅拌头安装在所述焊接架的底部，所述图像采集装置位于所述焊接架的底部，所述控制系统根据图像采集装置采集的当前待焊接工件的图像信息判断焊接缝的位置、并根据预设焊接轨迹计算补偿误差后控制所述焊接架带动所述搅拌头进行焊接。本发明的搅拌摩擦焊设备采用图像采集装置与控制系统配合，对实际焊接轨迹进行补偿计算，有效保证焊接位置精确，确保焊接后的气密性和强度；同时通过对工作台的改进，保证设备连续焊接，提高焊接效率。

Description

一种搅拌摩擦焊设备及工艺

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及一种搅拌摩擦焊设备及工艺。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种快速发展的新型固相焊接方法，正在成为世界范围内的热点焊接方法，正逐渐成为轻合金金属的主导焊接方法。现有的搅拌摩擦焊及其产品中存在一些难以克服的难题，包括：

一方面，现有的搅拌摩擦焊工艺采用工装定位，而工装精度及工件装夹误差无法保证工件焊缝与焊接轨迹完全重合，导致焊接部位容易出现虚焊现象，焊缝的致密性与连接强度差，进而导致焊接工件的密封性能及强度性能难以达标；

另一方面，现有的搅拌摩擦焊接工艺采用单工装单次装卸工件进行焊接加工，无法实现连续生产，焊接设备在装卸工件时处于空机运行状态，设备的利用率以及生产效率较低，生产成本较高。

发明内容

本发明旨在解决上面描述的问题。本发明的一个目的是提供一种解决以上问题中的任何一个的搅拌摩擦焊设备及工艺。具体地，本发明提供能够保证焊缝气密性和焊接强度的搅拌摩擦焊设备及工艺。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种搅拌摩擦焊设备，所述搅拌摩擦焊设备包括控制系统、工作台、焊接架、搅拌头和图像采集装置，待焊接工件固定在所述工作台上，所述焊接架位于所述工作台的上方，所述搅拌头安装在所述焊接架的底部，所述图像采集装置位于所述焊接架的底部、且与所述控制系统信号连接，所述控制系统根据所述图像采集装置采集的当前待焊接工件的图像信息判断焊接缝的位置、并根据预设焊接轨迹计算补偿误差后控制所述焊接架带动所述搅拌头进行焊接。

其中，所述工作台包括至少两组工位，每组所述工位配备若干定位装置，所述定位装置与所述控制系统信号连接。

其中，所述定位装置包括夹紧件和感应开关，所述感应开关固定在所述夹紧件的端部，与所述夹紧件和所述控制系统信号连接。

其中，所述工作台的底部设置有旋转底座，所述旋转底座与所述控制系统信号连接。

其中，所述旋转底座的一侧设置有定位气缸，所述定位气缸与所述控制系统信号连接，所述定位气缸的运行方向垂直于所述旋转底座的旋转方向设置；所述工作台的底部两端设置有定位套，所述定位气缸的输出端设置有定位销，所述定位销的中心轴线方向与所述定位气缸的运行方向平行；在工作状态下，所述定位销的中心轴线与所述定位套的中心轴线重合。

其中，所述工作台的底部设置有滑动轨道。

根据本发明的另一方面，本发明还提供了一种搅拌摩擦焊工艺，所述搅拌摩擦焊工艺包括以下步骤：

预装待焊接工件，并调节工作台的位置令待焊接工件位于搅拌头的下方；

启动图像采集装置，采集当前待焊接工件的图像信息并发送至控制系统；

所述控制系统获取所述图像信息后，根据选定的预设焊接轨迹计算补偿误差，确定实际焊接轨迹，并控制所述搅拌头根据所述实际焊接轨迹运行。

其中，所述搅拌摩擦焊工艺还包括：

所述控制系统控制所述搅拌头根据所述实际焊接轨迹运行完毕后，控制所述工作台上的所有夹紧件恢复原位。

其中，所述搅拌头根据所述实际焊接轨迹运行过程中还包括：

当位于某个夹紧件端部的感应开关感应到所述搅拌头的位置信号后，控制所述夹紧件撤离。

本发明的搅拌摩擦焊设备采用图像采集装置与控制系统配合，对实际焊接轨迹进行补偿计算，有效保证焊接位置精确，确保焊接后的气密性和强度；同时通过对工作台的改进，保证设备连续焊接，提高焊接效率，降低生产成本。

参照附图来阅读对于示例性实施例的以下描述，本发明的其他特性特征和优点将变得清晰。

附图说明

并入到说明书中并且构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与描述一起用于解释本发明的原理。在这些附图中，类似的附图标记用于表示类似的要素。下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示例性地示出了本发明的搅拌摩擦焊设备的结构示意图；

图2示例性地示出了控制系统的一种模块结构示意图；

图3示例性地示出了工作台的一种结构示意图；

图4示例性地示出了本发明的搅拌摩擦焊设备的一种旋转底座侧向示意图；

图5示例性地示出了本发明的搅拌摩擦焊工艺的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

本发明一方面通过设计多工位的工作台，避免设备空机运行的情况，确保连续生产，提高焊接效率；另一方面，采用图像采集装置采集当前待焊接工件的图像信息，由控制系统根据该图像信息确定待焊接的焊缝轨迹，并结合预设的焊接轨迹进行位置误差补偿计算，再根据计算结果控制焊接头进行焊接，有效避免焊接误差，实现精确焊接，保证焊接后的产品气密性和强度性能。另外，在对待焊接工件进行定位的每个夹紧件端部设置感应开关，通过感应搅拌头的位置控制相应的夹紧件进行夹紧和撤离，既有效避免夹紧件对焊接过程造成妨碍，又可以有效保证对待焊接工件的定位夹紧效果，进一步保证焊接质量。

下面结合附图，对根据本发明所提供的搅拌摩擦焊设备及工艺进行详细说明。

图1示出了本发明的搅拌摩擦焊设备的一种具体实施例的结构示意图，参照图1所示，该搅拌摩擦焊设备包括控制系统1、工作台2、焊接架3、搅拌头4和图像采集装置5。在使用时，将待焊接工件固定在工作台2上；焊接架3位于工作台2的上方，搅拌头4安装在焊接架3的底部，在控制系统1的控制下，搅拌头4对工作台2上的待焊接工件的焊缝进行焊接。图像采集装置5位于焊接架3的底部、且与控制系统1信号连接，用于在焊接前采集当前待焊接工件的图像信息，并发送给控制系统1。控制系统1根据图像采集装置5采集的当前待焊接工件的图像信息，判断焊接缝的位置、该位置与预设焊接轨迹的误差，并根据预设焊接轨迹计算补偿误差，获得实际焊接轨迹，然后按照此实际焊接轨迹控制焊接架3带动搅拌头4进行焊接。

在控制系统1中预存若干种工件的焊接轨迹，在实际焊接前，根据待焊接工件的类型、型号等，在控制系统1中选取或预存设置相应的预设焊接轨迹；利用图像采集装置5在焊接前采集当前待焊接工件的图像信息，控制系统1识别该图像信息中的焊缝位置，并与预设焊接轨迹进行比对获取误差；控制系统1控制焊接架3带动搅拌头4在预设焊接轨迹的基础上、按照此误差进行补偿运行，进而保证搅拌头4的运行轨迹为待焊接工件的实际焊缝位置，有效避免焊接误差，确保焊接效果，保证焊接后的产品气密性和强度性能。

图2示出了一个具体实施例中控制系统1的模块结构示意图，参照图2所示，在本实施例中，控制系统1包括存储模块11、通讯模块12、图像分析模块13、计算模块14和控制模块15，在存储模块11中可以预存多种焊接轨迹以及相应的焊接工艺控制参数等。在工作前，根据实际待焊接工件，通过控制模块15在存储模块11中选取相应的预设焊接轨迹及相应的焊接工艺控制参数，通过通讯模块12获取图像采集装置5采集的图像信息，并由图像分析模块13分析、识别该图像信息中的焊缝位置；由计算模块14根据此焊缝位置以及预设焊接轨迹计算轨迹误差，并将计算结果输送至控制模块15，最终由控制模块15根据预设焊接轨迹以及此轨迹误差控制焊接架3带动搅拌头4运行，实现精确焊接，避免实际焊接位置与焊缝之间的位置偏差。

返回参照图1所示，在本发明的摩擦焊接设备中，工作台2包括至少两组工位21，用以确保设备连续工作，避免空机运行，提高生产效率。具体地，每组工位21配备若干定位装置22，每套定位装置22均与控制系统1信号连接。

图3示出了一种具体实施例中的工作台2的结构示意图，参照图3所示，在本实施例中，工作台2上设置有两组工位21，每组工位21旁设置有多个定位装置22。具体地，定位装置22包括夹紧件221和感应开关222，感应开关222固定在夹紧件221的端部，与夹紧件221和控制系统1信号连接。感应开关222用于实时感应运行中的搅拌头4的位置，进而控制该夹紧件221夹紧或撤离。例如，感应开关222可以选用光电感应开关，其感应距离可以根据实际焊接工件的焊接缝结构和相应夹紧件的位置进行设置。示例性地，某个光电感应开关的感应距离设置为1cm，当该光电感应开关感应到搅拌头4的信号后，控制相应的夹紧件221撤离，当搅拌头4运行超过此位置1cm后，此光电感应开关不再感应到搅拌头4的信号，则控制该夹紧件221恢复至夹紧位置和夹紧状态。这种结构定位装置22不仅能够保证对工件的定位效果，还可以对搅拌头进行自动避让，避免对焊接造成干扰，有效保证焊接质量和运行的顺畅性，同时提高设备运行的自动化程度。

返回参照图1所示，为了便于不同工位21之间的切换，在工作台2的底部设置有旋转底座6，旋转底座6与控制系统1信号连接。当一个工位21上的工件焊接完成后，控制系统1控制旋转底座6沿预设方向旋转预设角度，将下一个工位21旋转至搅拌头4的下方，对该工位21上的工件进行焊接、同时人工或自动对已完成焊接的工件进行卸载并更换待焊接工件，有效焊接的连续性，提高工作效率。例如，在本实施例中，工作台2上设置两个工位21，则在每次焊接完成后，控制旋转底座6带动工作台2转动180度即可；若工作台2上均匀布置3个工位21，则每次完成焊接后控制旋转底座6带动工作台2旋转120度；若在工作台上设置4个工位，则每次旋转90度。

图4示出了本发明的搅拌摩擦焊设备的一种具体实施例中的旋转底座的侧向示意图，以工作台2上设置2个工位21为例：旋转底座6每次正向或逆向旋转180度，工作台2固定在旋转底座6的顶部，工作台2的底部两端各设置有一个定位套(或定位孔)23，且该两个定位套23对称设置；在定位套23下方、旋转底座6的一侧设置有定位气缸61，定位气缸61的运行方向垂直于旋转底座6的旋转方向设置，定位气缸61的输入端设置有磁性感应开关(图中未示出)，该磁性感应开关与控制系统1信号连接，由控制系统1通过磁性感应开关控制定位气缸61的伸出或收回；定位气缸61的输出端设置有定位销62，定位销62的中心轴线方向与定位气缸61的运行方向平行设置；定位销62的外径与定位套23的内径相匹配，且定位销62的中心轴线与定位套23的中心轴线重合。

当对工作台2上的工件进行焊接时，气缸61为伸出状态，定位销62位于定位套23内，对工作台2进行定位，确保焊接精度.当需要调换工位21时，控制系统1向磁性感应开关发送收回信号，控制定位气缸61带动定位销62收回，令定位销62与定位套23脱离；然后向旋转底座6发送旋转信号，驱动旋转底座6旋转180度；控制系统1再向磁性感应开关发送伸出信号，控制定位气缸61带动定位销62伸出，令定位销62插入转至其上方的定位套23中，对工作台2再次进行定位，完成工位21的调换动作。

示例性地，旋转底座6可以为电机控制转动或者其它转向传动机构控制转动。

另外，为了适应于不同的产品焊接以及对工作台2的位置进行调节，在工作台2的底部还可以设置有滑动轨道7，以便调节工作台2的位置，同时便于设备检修维护。

相适应于上述搅拌摩擦焊设备，本发明还提供了一种搅拌摩擦焊工艺，图5示出了本发明的搅拌摩擦焊工艺的一种实施流程图，参照图5所示，该搅拌摩擦焊工艺包括以下步骤：

预装待焊接工件，并调节工作台2的位置令待焊接工件位于搅拌头4的下方；

启动图像采集装置5，采集当前待焊接工件的图像信息并发送至控制系统1；

控制系统1获取图像信息后，根据选定的预设焊接轨迹计算补偿误差，确定实际焊接轨迹，并控制搅拌头4根据实际焊接轨迹运行。

另外，该搅拌摩擦焊工艺还包括：

控制系统1控制搅拌头4根据实际焊接轨迹运行完毕后，控制工作台2上的所有夹紧件221恢复原位，即控制系统1同时向该工位21上的所有感应开关222发送信号控制该工位21上的夹紧件221全部撤离。

具体地，搅拌头4在控制系统1的控制下，根据实际焊接轨迹运行过程中还包括：

当位于某个夹紧件221端部的感应开关222感应到搅拌头4的位置信号(即搅拌头4进入此感应开关222的设置感应范围)后，控制该夹紧件221撤离；当此感应开关222感应不到搅拌头4的位置信号(即搅拌头4的位置超出此感应开关222的设置感应范围)后，感应开关222控制该夹紧件221继续对工件进行定位、夹紧。

采用本发明的搅拌摩擦焊设备及工艺对产品进行焊接，可有效保证工件焊接后的气密性和强度性能。表1为随机选取20组采用本发明的方案焊接后的产品与采用传统技术焊接的产品气密性与强度测试数据对比。其中，产品的气密性要求为在测试时间内降压值应小于0.15KPa，气密性测试条件为：产品内气压达到320KPa以上，平衡15s，然后充气15s，平衡15s，测试时间60s。产品的强度测试采用爆破测试方法，爆破测试要求压力测试大于1.5MPa，产品在加工时的焊接参数均相同：转速为1500s/min，进给速度为250mm/min，圆弧位置进给速度为150mm/min。

表1气密性与强度测试数据对比表

传统的搅拌摩擦焊技术，无法保证实际焊接轨迹与工件焊缝完全重合，导致焊接部位容易出现虚焊现象，进而无法保证工件的密封性和强度性能。而本发明的搅拌摩擦焊设备及工艺，通过图像采集装置与控制系统相结合，实现焊接轨迹的补偿和校正，确保实际焊接轨迹与工件焊缝完全重合，确保焊缝的致密性和强度要求，实现工件焊接部位“零缺陷”的效果。另外，相较于传统技术中单工装进行装夹焊接、无法连续生产的缺陷，本方案中采用了多工位、配备旋转底座的设计，充分运用设备空间，避免了设备空机运行等待的时间，实现连续焊接，大大提高生产效率，降低生产成本。

上面描述的内容可以单独地或者以各种方式组合起来实施，而这些变型方式都在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包含一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个…”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上实施例仅用以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当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (7)

1.一种搅拌摩擦焊设备，其特征在于，所述搅拌摩擦焊设备包括控制系统(1)、工作台(2)、焊接架(3)、搅拌头(4)和图像采集装置(5)，待焊接工件固定在所述工作台(2)上，所述焊接架(3)位于所述工作台(2)的上方，所述搅拌头(4)安装在所述焊接架(3)的底部，所述图像采集装置(5)位于所述焊接架(3)的底部、且与所述控制系统(1)信号连接，所述控制系统(1)根据所述图像采集装置(5)采集的当前待焊接工件的图像信息判断焊接缝的位置、并根据预设焊接轨迹计算补偿误差后控制所述焊接架(3)带动所述搅拌头(4)进行焊接，其中，所述工作台(2)的底部设置有滑动轨道(7)；

所述工作台(2)的底部两端各设置有一个定位套(23)，且两个所述定位套(23)对称设置；在所述定位套(23)下方、旋转底座(6)的一侧设置有定位气缸(61)，所述定位气缸(61)的运行方向垂直于所述旋转底座(6)的旋转方向设置；所述定位气缸(61)的输入端设置有磁性感应开关；

所述工作台(2)上的工件进行焊接时，所述定位气缸(61)为伸出状态，定位销(62)位于所述定位套(23)内，对所述工作台(2)进行定位；当调换工位(21)时，所述控制系统(1)向所述磁性感应开关发送收回信号，控制所述定位气缸(61)带动所述定位销(62)收回，所述定位销(62)与所述定位套(23)脱离。

2.如权利要求1所述的搅拌摩擦焊设备，其特征在于，所述工作台(2)包括至少两组工位(21)，每组所述工位(21)配备若干定位装置(22)，所述定位装置(22)与所述控制系统(1)信号连接。

3.如权利要求2所述的搅拌摩擦焊设备，其特征在于，所述定位装置(22)包括夹紧件(221)和感应开关(222)，所述感应开关(222)固定在所述夹紧件(221)的端部，与所述夹紧件(221)和所述控制系统(1)信号连接。

4.如权利要求1所述的搅拌摩擦焊设备，其特征在于，所述工作台(2)的底部设置有旋转底座(6)，所述旋转底座(6)与所述控制系统(1)信号连接。

5.一种搅拌摩擦焊工艺，其特征在于，所述搅拌摩擦焊工艺通过权利要求1-4任一所述的搅拌摩擦焊设备实施，所述搅拌摩擦焊工艺包括以下步骤：

预装待焊接工件，并调节工作台(2)的位置令待焊接工件位于搅拌头(4)的下方；

启动图像采集装置(5)，采集当前待焊接工件的图像信息并发送至控制系统(1)；

所述控制系统(1)获取所述图像信息后，根据选定的预设焊接轨迹计算补偿误差，确定实际焊接轨迹，并控制所述搅拌头(4)根据所述实际焊接轨迹运行。

6.如权利要求5所述的搅拌摩擦焊工艺，其特征在于，所述搅拌摩擦焊工艺还包括：

所述控制系统(1)控制所述搅拌头(4)根据所述实际焊接轨迹运行完毕后，控制所述工作台(2)上的所有夹紧件(221)恢复原位。

7.如权利要求5所述的搅拌摩擦焊工艺，其特征在于，所述搅拌头(4)根据所述实际焊接轨迹运行过程中还包括：

当位于某个夹紧件(221)端部的感应开关(222)感应到所述搅拌头(4)的位置信号后，控制所述夹紧件(221)撤离。

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