CN111438433A - 测量fsw焊缝中心区域峰值温度的方法及焊具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，包括搅拌工具、轴肩、搅拌针和具有不同熔点的钎料，搅拌工具中设有搅拌针，搅拌针部分为空心结构，在搅拌针的空腔内放置有钎料球，搅拌针与轴肩通过螺纹连接，当搅拌针顺时针旋转时，采用右旋螺纹，当搅拌针逆时针旋转时，采用左旋螺纹。本发明采用空心搅拌头的方式，放入不同熔点的钎料球来测量焊缝中心峰值温度，与其他方式相比，本方式结构简单，可以较准确地测量焊缝中心的温度范围。
Description
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊领域，尤其涉及一种测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法及焊具。
背景技术
搅拌摩擦焊作为一种先进的连接技术，广泛地应用于航空航天等领域。焊接温度是影响搅拌摩擦焊接头质量的关键因素，因此对焊缝区温度进行测量具有很大的重要性。焊缝区在焊接时具有复杂的材料流动行为，测温探头不易于伸入焊缝区进行测量。目前采用的方法多为焊缝周围进行测量后，通过数值模拟的方式进行模拟预测。这种方式对焊缝区温度的测量具有很大的偏差。因此，本发明通过焊具内放入不同熔点的钎料球并进行多次焊接试验，焊接完成后，观察每次焊接后，焊具内钎料球的熔化情况判断焊缝中心的温度。
发明内容
本发明为了解决现有焊缝区温度在测量时偏差较大的问题，进而提供一种测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法及焊具。
本发明涉及一种测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，包括搅拌工具1、轴肩2、搅拌针3和钎料球4，搅拌工具1中设有搅拌针3，搅拌针3部分为空心结构，在搅拌针3的空腔内放置有钎料球4，搅拌针3与轴肩2通过螺纹5连接，当搅拌针3顺时针旋转时，采用右旋螺纹，当搅拌针3逆时针旋转时，采用左旋螺纹。
进一步地，搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同。
进一步地，钎料球4的直径为0.05～10mm。钎料球方便后期观察钎料是否熔化。若采用其他形状，如方形钎料块，当其熔化时，熔化面可能与原平面重合，不能直观的显示其是否熔化。
进一步地，钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端1～20mm。
进一步地，钎料球4采用空心或实心结构。当采用空心结构时，其熔化时，会显现出内部空腔，观察更容易。
本发明还涉及一种利用上述焊具的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、配置不同比例的钎料制成钎料球；
步骤二、将钎料球4放入空心搅拌针3的空腔内，并将搅拌针3旋紧到轴肩2上；
步骤三、将待测试板材放在搅拌摩擦焊设备工作平台上并用夹具夹紧，在主轴上安装所述焊具并设置焊接参数进行焊接；
步骤四、焊接完成后，拆下焊具并旋下空心搅拌针3，观察钎料4的熔化情况；若钎料球4发生熔化，则提升钎料球4中的铝元素含量再进行焊接；若钎料球4没有发生熔化，则降低钎料球4中的铝元素含量再进行焊接；焊接参数与步骤三中的相同；
步骤五、重复步骤四中的操作，以得到精确的焊缝中心区域峰值温度范围。
进一步地，步骤一中，钎料球4由锌铝钎料配制而成，不同钎料球4之间的铝元素含量由低到高，按梯度关系设置。
进一步地，步骤二中，当搅拌工具1受到较大阻力时，采用在轴肩2上方分离的方式，以保证搅拌工具1在螺纹处的刚性。
进一步地，步骤三中，搅拌头旋转速度为1000～5000rpm，加工速度为50～2000mm/min，下压量为0～2mm。
进一步地，步骤二中，搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同，为0.05～10mm，钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端1～20mm，钎料球4采用空心结构。
本发明有益效果：
1、本发明可通过观察装于空心搅拌针内部的钎料球熔化情况判断焊缝中心的峰值温度。钎料通过各元素不同的比例实现不同的熔点。同时钎料球方便后期观察钎料是否熔化。
2、本发明中搅拌工具的分离方式可以为，搅拌针与轴肩分离或在轴肩上方分离两种方式，以保证搅拌工具连接处的刚性来适应不同的焊接阻力。
3、本发明中搅拌工具分离的部分采用螺纹连接，当搅拌针顺时针旋转时，采用右旋螺纹，当搅拌针逆时针旋转时，采用左旋螺纹。通过螺纹旋向来保证焊接时各部分始终处于旋紧状态。
4、本发明采用空心搅拌头的方式，放入不同熔点的钎料球来测量焊缝中心峰值温度，与其他方式相比，本方式结构简单，可以较准确地测量焊缝中心的温度范围。
附图说明
图1为本发明中测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具结构示意图。
图2为本发明中测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具另一安装方式下的示意图。
附图标记说明如下：
搅拌工具1、轴肩2、搅拌针3、具有不同熔点的钎料4、螺纹5。
具体实施方式
本发明涉及一种测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，包括搅拌工具1、轴肩2、搅拌针3和具有不同熔点的钎料4，搅拌工具1中设有搅拌针3，搅拌针3部分为空心结构，在搅拌针3的空腔内放置有钎料球4，搅拌针3与轴肩2通过螺纹5连接，当搅拌针3顺时针旋转时，采用右旋螺纹，当搅拌针3逆时针旋转时，采用左旋螺纹。
如图1所示，为搅拌针3与轴肩2的一种分离方式。搅拌针3可以在轴肩2上旋转下来。两部分之间为螺纹连接，其中，当搅拌针顺时针旋转时，采用右旋螺纹，当搅拌针逆时针旋转时，采用左旋螺纹。
如图2所示，为搅拌针3与轴肩2的另一种分离方式，即在轴肩2上方分离。该断开方式在轴肩2处或者轴肩2的上方。因为该处直径较大，此处分离并通过螺纹连接时，螺杆直径较粗，可以承受更大的弯矩与扭矩。
搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同。钎料球4的直径为0.05～10mm。钎料球方便后期观察钎料是否熔化。所若采用其他形状，如方形钎料块，当其熔化时，熔化面可能与原平面重合，不能直观的显示其是否熔化。优选地，钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端1～20mm。钎料球4可采用空心结构。当其熔化时，会显现出内部空腔，观察更容易。
本发明还涉及一种利用上述焊具测温的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、配置不同比例的钎料制成钎料球；
步骤二、将钎料球4放入空心搅拌针3的空腔内，并将搅拌针3旋紧到轴肩2上；
步骤三、将待测试板材放在搅拌摩擦焊设备工作平台上并用夹具夹紧，在主轴上安装所述焊具并设置焊接参数进行焊接；
步骤四、焊接完成后，拆下焊具并旋下空心搅拌针3，观察钎料4的熔化情况；若钎料球4发生熔化，则提升钎料球4中的铝元素含量再进行焊接；若钎料球4没有发生熔化，则降低钎料球4中的铝元素含量再进行焊接；焊接参数与步骤三中的相同；
步骤五、重复步骤四中的操作，以得到精确的焊缝中心区域峰值温度范围。
步骤一中，钎料球4由锌铝钎料配制而成，不同钎料球4之间的铝元素含量由低到高，按梯度关系设置。钎料中各元素比例梯度可以随测量精度改变。当需要较高精度时，增加梯度；当需要较小精度时可减小梯度以获得更快的测量速度。
步骤二中，当搅拌工具1受到较大阻力时，采用在轴肩2上方分离的方式，以保证搅拌工具1在螺纹处的刚性。搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同，为0.05～10mm，钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端1～20mm，钎料球4采用空心结构。步骤三中，搅拌头旋转速度为1000～5000rpm，加工速度为50～2000mm/min，下压量为0～2mm。
实施例1
本实施例中的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，包括搅拌工具1、轴肩2、搅拌针3和具有不同熔点的钎料4，搅拌工具1中设有搅拌针3，搅拌针3部分为空心结构，在搅拌针3的空腔内放置有钎料球4。搅拌针3可以在轴肩2上旋转下来，两部分之间为螺纹连接，。搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同为1mm。钎料球方便后期观察钎料是否熔化。钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端10mm。钎料球4采用空心结构。当其熔化时，会显现出内部空腔，观察更容易。
实施例2
本实施例中的利用焊具测温的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、配置不同比例的钎料制成钎料球4；钎料球4由铝元素含量由低到高的锌铝钎料配制而成，其中铝元素含量梯度为10％、20％、30％、40％、50％、60％。
步骤二、将钎料球4放入空心搅拌针3的空腔内，并将搅拌针3旋紧到轴肩2上；搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同，为0.05mm，钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端1mm，钎料球4采用空心结构。
步骤三、将待测试板材放在搅拌摩擦焊设备工作平台上并用夹具夹紧，在主轴上安装所述焊具并设置焊接参数进行焊接；搅拌头旋转速度为2000rpm，加工速度为1000mm/min，下压量为1mm。
步骤四、焊接完成后，拆下焊具并旋下空心搅拌针3，观察钎料4的熔化情况，发现钎料球4发生熔化后，进一步提升钎料球4中的铝元素含量后再进行焊接；焊接参数与步骤三中的相同；
步骤五、重复步骤四中的操作，以得到目标精确度下的焊缝中心区域峰值温度范围。
实施例3
本实施例中的利用焊具测温的方法，具体包括以下步骤：
步骤一、配置不同比例的钎料制成钎料球4；钎料球4由铝元素含量由低到高的锌铝钎料配制而成，其中铝元素含量梯度依次为10％、15％、20％、25％、30％、35％。
步骤二、将钎料球4放入空心搅拌针3的空腔内，并将搅拌针3旋紧到轴肩2上；搅拌针3空心部分的直径与钎料球4的直径相同，为5mm，钎料球4置于空心搅拌针3一端，且距搅拌针3另一端15mm，钎料球4采用空心结构。
步骤三、将待测试板材放在搅拌摩擦焊设备工作平台上并用夹具夹紧，在主轴上安装焊具并设置焊接参数进行焊接；搅拌头旋转速度为1000rpm，加工速度为100mm/min，下压量为2mm。
步骤四、焊接完成后，拆下焊具并旋下空心搅拌针3，观察钎料4的熔化情况：钎料球4没有发生熔化，进一步降低钎料球4中的铝元素含量再进行焊接；焊接参数与步骤三中的相同；
步骤五、重复步骤四中的操作，以得到目标精确度下的焊缝中心区域峰值温度范围。
需要说明的是，钎料球中铝元素含量的梯度越小，精度越高，所需要的重复的实验次数多。本发明的方法测量的温度是一个范围，其精度取决于铝元素的含量的梯度，也就是钎料球的熔点间距。例如，在铝合金焊接过程中，可以首先预测待测的温度在400到500℃之间，然后通过调整铝合金比例，配置熔点分别在400℃、420℃、440℃、460℃、480℃、500℃的钎料球，多次重复试验，直到得到的温度范围在460℃到480℃之间。而为了更精确的测量到待测温度范围，进一步地细化460℃到480℃之间温度梯度，可设置成462℃、464℃、466℃、468℃、470℃、472℃、474℃、476℃、478℃、480℃，进行多次试验后得到的待测温度区间是466℃～468℃。
通过多次试验调试，精度可以达到90％以上，甚至接近100％。
实验精度和上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，其特征在于，包括搅拌工具(1)、轴肩(2)、搅拌针(3)和钎料球(4)，搅拌工具(1)中设有搅拌针(3)，搅拌针(3)部分为空心结构，在搅拌针(3)的空腔内放置有钎料球(4)，搅拌针(3)与轴肩(2)通过螺纹(5)连接，当搅拌针(3)顺时针旋转时，采用右旋螺纹，当搅拌针(3)逆时针旋转时，采用左旋螺纹。
2.根据权利要求1所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，其特征在于，搅拌针(3)空心部分的直径与钎料球(4)的直径相同。
3.根据权利要求1所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，其特征在于，钎料球(4)的直径为0.05～10mm。
4.根据权利要求1所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，其特征在于，钎料球(4)置于空心搅拌针(3)一端，且距搅拌针(3)另一端1～20mm。
5.根据权利要求1所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的焊具，其特征在于，钎料球(4)采用空心或实心结构。
6.一种利用权利要求1至5任一项所述的焊具测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤一、配置不同比例的钎料制成钎料球；
步骤二、将钎料球(4)放入空心搅拌针(3)的空腔内，并将搅拌针(3)旋紧到轴肩(2)上；
步骤三、将待测试板材放在搅拌摩擦焊设备工作平台上并用夹具夹紧，在主轴上安装所述焊具并设置焊接参数进行焊接；
步骤四、焊接完成后，拆下焊具并旋下空心搅拌针(3)，观察钎料(4)的熔化情况；若钎料球(4)发生熔化，则提升钎料球(4)中的铝元素含量再进行焊接；若钎料球(4)没有发生熔化，则降低钎料球(4)中的铝元素含量再进行焊接；焊接参数与步骤三中的相同；
步骤五、重复步骤四中的操作，以得到精确的焊缝中心区域峰值温度范围。
7.根据权利要求6所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法，其特征在于，步骤一中，钎料球(4)由锌铝钎料配制而成，不同钎料球(4)之间的铝元素含量由低到高，按梯度关系设置。
8.根据权利要求6所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法，其特征在于，步骤二中，当搅拌工具(1)受到较大阻力时，采用在轴肩(2)上方分离的方式，以保证搅拌工具(1)在螺纹处的刚性。
9.根据权利要求6所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法，其特征在于，步骤三中，搅拌头旋转速度为1000～5000rpm，加工速度为50～2000mm/min，下压量为0～2mm。
10.根据权利要求6所述的测量FSW焊缝中心区域峰值温度的方法，其特征在于，步骤二中，搅拌针(3)空心部分的直径与钎料球(4)的直径相同，为0.05～10mm，钎料球(4)置于空心搅拌针(3)一端，且距搅拌针(3)另一端1～20mm，钎料球(4)采用空心结构。
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