CN111819022A - 搅拌摩擦焊接中避免焊接过程中断，特别是摩擦销断裂的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在搅拌摩擦焊接中避免焊接过程中断，特别是摩擦销断裂的装置和方法，其中所述装置具有：g)至少三个条形传感器(8)，在楔形工具圆顶帽(7)的长侧上，所述至少三个条形传感器(8)以互相成120度角取向，其中所述工具圆顶帽(7)借助工具容纳锥部(28)和焊接蹄片(11)引导焊接销(19)，且所述传感器(8)配置成确定力、压力和行程；h)工具容纳锥部(28)的下部区域中的锥形评估装置，其用来容纳用于感测焊接销(19)上的轴向力、转矩和弯矩的传感器(22)；i)焊接销(19)的压电垂直调节装置；j)激光测量传感器(10)在焊接蹄片(11)的区域中的安置，其导向性越过销尖端(12)的通路区域中的圆孔(27)，其中空气传导声传感器(3)与激光测量传感器(10)对置地安置，且提供焊接蹄片温度传感器；k)传感器信号放大器(23)，所述传感器信号放大器(23)具有动转天线，用于接收、放大和传送感测的所有测量值，其中静止天线(16)将这些测量值传送到机器控制器；l)电感电源系统，所述电感电源系统从移动二次绕组(24)和静态一次绕组(25)对测量系统供电。

Description

搅拌摩擦焊接中避免焊接过程中断，特别是摩擦销断裂的装 置及方法
背景技术
在上世纪90年代初期，开发了搅拌摩擦焊接。同时，搅拌摩擦焊接尤其正在很多任务业领域中成功地用于铝合金的焊接。
当前，应用范围从单件及小批量到较大批量。除突出的焊缝质量外，促使商业成功的其他因素是再现程度高且没什么准备工作和花费在修整。在搅拌摩擦焊接中，借助与旋转的工具之间的摩擦在待连接的材料的接合区域中产生摩擦热，同时使所述旋转的工具平移且对其施加压力。所述工具沿所述接合区域移动且搅拌正互相对接着的待连接材料的接缝内部的塑化材料。所施加的压力将塑化材料压在一起。在所形成的焊缝的端处，工具从连接区域撤出，且所述焊缝可立即承载。
关于现有技术，请参考本申请人发明的DE 10 2014 005 315B3。
其所述涉及一种在搅拌摩擦焊接操作期间用于检测焊接销尖端处的机械力的方法和装置，而且还涉及一种计算机程序及一种具有执行所述方法的程序的机器可读载体。
那提供的发明基于的目的是，在搅拌摩擦焊接期间优化焊接操作，使得即使在3D应用中，仍可精确地检测决策过程参数，诸如，发生的工具轴向力、发生的扭矩及焊接销尖端的温度。
根据专利权利要求1，为实现所述目的，要紧的是对在搅拌摩擦焊接操作期间用于检测焊接销尖端处的机械力的装置进行优化，使得决策过程参数
a)工具圆顶帽(9)的纵向侧上的条形传感器(3)，借助工具容纳锥部(14)和焊接蹄片(1)，经由销轴(13)，所述工具圆顶帽(9)握持焊接销销(12)，所述传感器(3)设计成用于确定力、压力或行程且被安装于所述工具圆顶帽(9)与焊接过程的流程方向相反的一侧上，
b)工具容纳锥部(14)的宽区域中的锥部缩颈(20)，所述锥部缩颈(20)用来容纳用于检测焊接销销(12)处的轴向力、转矩和弯矩的传感器(18)，
c)工具容纳锥部(14)的前部区域中的另外缩颈，所述另外缩颈在圆周上具有至少三个以120度的间隔分布的传感器(24)且在销轴(13)的纵轴线上具有压电力测量传感器(25)，
d)传感器信号放大器，所述传感器信号放大器具有动转天线(19)，用于接收、放大以及传送所检测的所有测量值，静止天线(17)将这些测量值传送到机器控制器，
e)电感电源系统，用于从移动的二次绕组(22)和固定的一次绕组(23)对测量系统供电。
然而，在铸造材料的情形之中，在搅拌摩擦焊接的系统操作期间，摩擦销的断裂可缘于例如因于硬度的改变导致焊接组件内的材料中的局部变化而发生。
发明内容
因此，本发明基于确保搅拌摩擦焊接系统商业化操作且在焊接过程中避免摩擦销断裂的目的。
所述目的被达成所通过特征是在专利权利要求1中
一种在搅拌摩擦焊接中避免焊接过程中断，特别是摩擦销断裂的装置，具有下列特征：
a)至少三个条形传感器(8)，在楔形工具圆顶帽(7)的纵向侧上，所述至少三个条形传感器(8)以互相成120度角取向，所述工具圆顶帽(7)借助工具容纳锥部(28)和焊接蹄片(11)引导焊接销(19)，且所述传感器(8)设计成用于确定力、压力和行程，
b)工具容纳锥部(28)的下部区域中的锥部缩颈，所述锥部缩颈用来容纳用于检测所述焊接销(19)处的轴向力、转矩和弯矩的传感器(22)，
c)压电式垂直调节所述焊接销(19)，
d)激光测量传感器(10)在所述焊接蹄片(11)的区域中的安置，所述焊接蹄片(11)的导向作用越过销尖端(12)的贯通区域中的圆孔(27)，与所述激光测量传感器(10)对置地安置空气传导声传感器(3)，且提供焊接蹄片温度传感器，
e)传感器信号放大器(23)，所述传感器信号放大器(23)具有动转天线，用于接收、放大和传送检测的所有测量值，静止天线(16)将这些测量值传送到机器控制器，
f)电感电源系统，所述电感电源系统从移动二次绕组(24)和固定一次绕组(25)对测量系统供电。还要求保护：结构传导声传感器(structure-borne sound sensor)(29)装设于接合螺帽(union nut)(9)的上端区域中，所述结构传导声传感器(29)利用其导向作用导向焊接销(19)与焊接蹄片(11)之间的区域；涡流传感器31用于测量极小距离，横向于焊接方向安置此传感器；以及提供温度传感器，用于检测焊接蹄片(11)的温度，
以及专利权利要求5中
一种在搅拌摩擦焊接期间避免焊接过程中断，特别是摩擦销断裂的方法，具有下列特征：
a)条形传感器(8)的系统由工具容纳锥部(28)的下部区域中的锥部缩颈支承，其用来检测焊接销(19)处的轴向力、转矩和弯矩，所述条形传感器(8)的系统用于确定引导焊接销(19)的旋转工具圆顶帽(7)的力、压力和行程所述，
b)用于检测焊接销(19)的弯曲和温度的传感器在任一损坏之前的恰当时间提供关于焊接销(19)的状态的信息。
附图说明
下面将更详细具体地描述根据本发明的装置：
图1示出搅拌摩擦焊接系统的侧视图；
图2示出根据本发明的工具圆顶帽28的侧视图；
图3示出根据本发明使用的传感器的截面图解表示；
图4示出焊接销的磨损的概观；
图5示出焊接销断裂前的时段的概观；
图6示出关于待接合零件13的磨耗状况的图解表示。
具体实施方式
图1示出搅拌摩擦焊接的视图的侧视图。
在此，1指用于测量紧固法兰(fastening flange)2与用于使齿轮机构旋转的驱动器3和工具3之间的压力的传感器。在驱动器3的一侧上，4指整个摩擦焊接头的控制线。在驱动器3的下侧上，可看到承载工具圆顶帽6的工具圆顶帽法兰6的紧固板5。
为利用测量仪器检测工具圆顶帽6的移动，将具有温度补偿的应变计8以在纵向方向上的规则间隔紧固地安装于所述工具圆顶帽6的圆周处。这可用来达到抵消焊接期间在应变计的区域中发生的温度的变化和随之发生的信号漂移的目的。接合螺帽9使工具圆顶帽7保持在摩擦焊接头的中轴线上。在焊接蹄片11中引导销尖端12。所示的激光测量传感器10用来测量焊接蹄片11与销尖端12之间的距离。
为了检验焊缝，摄像头14观察施加到待接合零件13上的焊缝15。
图2示出根据本发明的工具圆顶帽28的侧视图。在此可详细地看到工具圆顶帽法兰6，其与工具圆顶帽7连接，同时在工具圆顶帽7的两侧上的截面中可看到应变计形式的由图1已知的传感器8。安装在工具圆顶帽7的中轴线上的是焊接销19，所述焊接销19在静止天线16的高度处具有对焊接销19进行压电式垂直调节(piezo vertical adjustment)的装置17。因为安装于其下面，借助传感器18测量作用于焊接销19上的操作压力。
在所示的引导焊接销的工具容纳锥部28的变窄截面中装设于相同区域中的传感器22用来测量作用于此处的轴向力、转矩和弯矩。
传感器22确定的测量值的信号传输经由可与工具容纳锥部28一起旋转的信号放大器23和管状天线进行。
传感器22确定的测量值的接收和传送经由静止地固定的天线16进行。
电感电源用来对所描述的测量系统供电，24指其静止一次绕组，而25指其可移动二次绕组。
在销尖端12的区域中提供用于使焊接销19上的待接合零件的烟尘残留的材料流出的开口20及用于测量待接合零件的材料流出的传感器21。
用于引导焊接销19的焊接蹄片11由接合螺帽9握持。
摄像头4用来登录和记录焊接操作期间的操作。
除了销尖端12，由自已的导向作用而导向焊接销19与焊接蹄片11之间的区域的结构传导声传感器(structure-borne sound sensor)29也装设于接合螺帽9的上端区域中。在这方面，请参考图3。
与激光测量传感器10对置地安置的是空气传导声传感器(airborne soundsensor)30。
关于精确位置，在此还请参考图3。
涡流传感器31可用于测量极小距离。其横向于焊接方向的安置是有利的。
图3示出激光测量传感器10和空气传导声传感器30的平面中的截面图解表示。
在此，示出可如何借助所示的激光测量传感器10和对置地安置的空气传导声传感器30检测并精确测量具有自己的销尖端12的焊接销19与其在焊接蹄片11的圆孔27内的正常中心位置的偏差。除此之外，从图2已知的涡流传感器31和结构传导声传感器29在所示的焊接销19与焊接蹄片11的内边缘之间的间隙中起作用。
方向箭头26指出焊接销19的移动方向。在特定实施例中，提供未更具体标识的专用焊接蹄片温度传感器。最后，在旋转销与肩部孔眼全面接触的情况(最坏境况)下，存在约100度C的温度升高。与实际焊接操作相比，温度显着升高。
图4示出直到焊接销断裂的焊接销磨损的概观。
从外向内看，所示的同心圆表示工具圆顶帽7的边缘、焊接蹄片11的外边界及焊接蹄片11的未更具体标识的接着的内边界。在焊接蹄片11的外边界的圆周处，在指向右的箭头26的移动方向上标识的是传感器8。一起分布于工具圆顶帽7的圆周处的这些传感器8也可取自图1和图2。图4中所示的另外传感器8a和8b在此标识为左后传感器和右后传感器。
在焊接蹄片11的内边界线处绘出的是由图3已知的结构传导声传感器9，而在焊接蹄片11的外边界处可看到同样由图3已知的涡流传感器31，并且空气传导声传感器30和激光测量传感器10在水平线上显示于左侧和右侧。
相对于上面描述的圆偏心的具有自己的销尖端12的焊接销19显示有各种距离线，线33显示焊接销19离开焊接蹄片11的内边界线的理想距离线，即所谓间隙区。
间隙区的边界线由32和35表示，且可导致焊接销19断裂的临界区开始于34处。焊接销19与焊接蹄片11之间的最短距离表示为作用区。焊接蹄片11的内边界与焊接蹄片19之间的最大摩擦在所述区域中占主导。所述距离取决于摩擦焊接头的进给速率(箭头26)和焊接销19的转速。于是，横向发生的力经由工具圆顶帽，更确切地说，经由紧固于其上的传感器8、8a和8b检测。
利用下面的传感器测量另外发生的力：
1.利用激光测量传感器10测量焊接销19离开焊接肩部的距离。
2.利用结构传导声传感器29测量焊接销19中的振动。
3.利用空气传导声传感器30测量焊接蹄片11中和工具圆顶帽7处的振动。
4.利用涡流传感器31测量材料在边界32与35之间的间隙中的方向。
以线33达到销尖端12实现最长使用寿命的理想线。其代表工具的最佳进给与转速之间的最佳状态。
图5示出焊接销断裂前的时段的概观。图4的Y轴线上显示的是在正方向和反方向上发生于销尖端处的三个不同的单独力以时间为函数变化。
焊入深度为4.3mm，且销尖端的进给速率为0.85m/mm。在左侧标线中可看到销尖端的可测量电阻的开始；约1.7秒后，预防时间结束，且然后，再经过约0.8秒，直到发生断裂。
在所述时间段中，机械控制器可提供舒缓，从而实现销的弹性“回弹”。因此，不发生不利的损坏。
此后，此时间段之后，则发生永久性损坏。
图6示出关于待接合零件13的磨耗状况的图解表示。
在图6a中，在截面图中可看到焊接蹄片11，其有在待接合零件13上面或之中的中间的销尖端12及焊接销19，互相对置地布置的传感器21的两个零件在开口20处检测在焊接销19处出现的烟尘残留的磨耗36(总量、密度和速度)。
图6b示出焊接蹄片11中的焊接销19的销尖端12。销侧的边界表示的间隙区32(参考图3)和焊接蹄片侧的边界的间隙区35限定距离Z，即，最大0.8mm。在所述宽度，磨耗36可流失。尺寸X是剩余肩部可进入焊接蹄片11的尺寸。
剩余肩部Y的重要性在于，使待焊接的材料接收为获得能够流过间隙Z的足够塑性必需的温度。温度太低时，发生堆积，且损坏销轴19。
根据材料(合金)，分别设定尺寸X(0.01至0.1mm)。剩余肩部产生热量，所述热量还对焊接蹄片11对所完成的焊缝的修平操作产生影响。
符号说明
1 用于测量法兰2与驱动器3之间的压力的传感器
2 用于机器人臂或龙门桥的紧固法兰
3 具有工具的齿轮机构的驱动器
4 摩擦焊接头的控制线
5 工具圆顶帽法兰的紧固板
6 工具圆顶帽法兰
7 工具圆顶帽
8 工具圆顶帽7上的传感器(应变计)
8a：左后传感器。8b：右后传感器
9 接合螺帽
10 焊接销与焊接蹄片的距离的激光测量传感器
11 焊接蹄片
12 销尖端
13 待接合零件
14 用于检验焊缝的摄像头
15 焊缝
16 静止天线
17 对焊接销19的压电式垂直调节
18 用于测量焊接销19的垂直压力的传感器
19 焊接销
20 待接合零件在焊接销19上的烟尘残留的材料流出开口
21 用于测量待接合零件的材料流出的传感器
22 工具容纳锥部的传感器(例如，应变计)
23 传感器信号放大器和动转天线
24 电感电源，二次绕组
25 电感电源，一次绕组
26 焊接销的移动方向
27 穿过焊接蹄片11中的焊接销26的圆孔
28 工具容纳锥部
29 结构传导声传感器
30 空气传导声传感器
31 涡流传感器
32 焊接销19一侧上的间隙区的边界
33 焊接销19离开焊接蹄片11的距离的理想线
34 间隙区的临界区域的开始
35 焊接蹄片11一侧上的间隙区的边界
36 待接合零件13的材料磨耗

Claims (5)

1.一种在搅拌摩擦焊接的期间避免焊接过程的中断，特别是摩擦销断裂的装置，具有下列特征：
g)至少三个条形传感器(8)，在楔形工具圆顶帽(7)的纵向侧上，所述至少三个条形传感器(8)以互相成120度角取向，所述工具圆顶帽(7)借助工具容纳锥部(28)和焊接蹄片(11)引导焊接销(19)，且所述传感器(8)设计成用于确定力、压力和行程，
h)所述工具容纳锥部(28)的所述下部区域中的锥部缩颈，其用来容纳用于检测所述焊接销(19)处的所述轴向力、所述转矩和所述弯矩的传感器(22)，
i)压电式垂直调节，用于所述焊接销(19)，
j)激光测量传感器(10)在所述焊接蹄片(11)的所述区域中的安置，其导向作用越过所述销尖端(12)的所述贯通区域中的圆孔(27)，空气传导声传感器(3)与所述激光测量传感器(10)对置地安置，且提供焊接蹄片温度传感器，
k)传感器信号放大器(23)，所述传感器信号放大器(23)具有动转天线，用于接收、放大和传送检测的所有测量值，静止天线(16)将所述测量值传送到机器控制器，
i)电感电源系统，所述电感电源系统从移动二次绕组(24)和固定一次绕组(25)对所述测量系统供电。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，
结构传导声传感器(29)装设于所述接合螺帽(9)的所述上端的所述区域中，所述结构传导声传感器(29)利用其导向作用导向所述焊接销19与所述焊接蹄片11之间的所述区域。
3.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，
涡流传感器31用于测量极小距离，所述传感器横向于所述焊接方向被安置。
4.根据上述权利要求中的任一项所述的装置，其特征在于，
提供温度传感器，用于检测所述焊接蹄片11的所述温度。
5.一种在搅拌摩擦焊接的期间避免焊接过程的中断，特别是摩擦销的断裂的方法，具有下列特征：
c)条形传感器(8)的系统由工具容纳锥部(28)的所述下部区域中的锥部缩颈支承，其用来检测焊接销(19)处的所述轴向力、所述转矩和所述弯矩，所述条形传感器(8)的系统用于确定引导焊接销(19)的旋转工具圆顶帽(7)的力、压力和行程，
d)用于检测所述焊接销(19)的弯曲和温度的传感器在任一损坏之前的恰当时间提供关于所述焊接销(19)的所述状态的信息。
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