CN112345726A - 一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法，包括以下步骤：步骤一、获取焊接过程中主轴三向力实时数据；步骤二、获取焊接过程中主轴三向振动加速度实时数据；步骤三、构建主轴动态性能评价模型；步骤四、模型验证。本发明提供的评价方法通过建立主轴动态性能评价模型对焊接质量进行评价，无需传统的破坏性试验，直接对焊接过程中主轴动态性能实时观测即可评价焊缝质量，为铝/镁异种材料FSLW在汽车工业领域中的应用提供了理论基础和科学依据。

Description

一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法
技术领域
本发明涉及搅拌摩擦焊焊缝质量评价技术领域，具体涉及一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法。
背景技术
汽车工业生产对环境保护、节能减排等要求日益提高，而汽车轻量化作为汽车节能减排的重要手段，愈来愈得到世界各国的高度重视。铝合金和镁合金因具有高阻尼能力、高比强度、重量轻和优良的成形性能，作为一种最具理想的轻量化材料在汽车工业领域中得到广泛应用。然而，铝合金和镁合金异种材料连接技术的最大挑战是铝/镁异种材料焊接接头组织中会形成金属间化合物相AlxMgy，容易导致焊缝出现裂纹。近年来，研究人员尝试采用钎焊、扩散焊、超声波焊、激光焊、电阻焊、电弧焊等各种工艺方法来连接铝/镁异种材料，但这些方法各自都存在很多问题。作为一种新型固相连接技术，搅拌摩擦焊(Frictionstir welding,FSW)因其在焊接过程中焊接热输入低，母材在搅拌头作用下只发生塑性流动而不发生熔化，可以有效抑制金属间化合物的产生；且借助FSLW具有高应变率和大变形量特征，有效改善金属间化合物的分布等特点，而成为这两种轻合金材料的理想连接技术。
搅拌摩擦焊焊缝成形分为表面成形和横截面成形。表面形状直接影响FSW焊缝的性能。到目前为止，研究人员已经进行了大量有益的工作来研究焊接工艺参数(如焊接和转速)对焊缝形成的影响机理。研究表明，转速过高或过低都会降低焊缝表面质量。在FSW焊接过程中，异种金属在机械主轴高速旋转的驱动下，在刀具的作用下形成一个牢固的接头。一些学者从主轴性能的角度分析了成形FSW焊缝的质量，并观察焊接过程中主轴轴向力的变化。他们的研究表明，随着轴向力的增加，焊接热输入增加，焊接材料的流动性增加，焊缝表面的光滑度提高。也有研究结果表明，主轴上的轴向力对焊缝的形成起主导作用，但主轴侧向力的增加会降低焊缝内部的物流稳定性，导致表面缺陷和粗糙度。总的来说，这些研究已经解决了焊接参数对焊缝表面形成的影响，或者仅仅是主轴力对焊缝成形的影响，但是仍然存在一些突出的问题。例如，主轴动态性能(主轴力和振动)与焊接工艺参数之间的内在关系以及主轴动态性能对异种铝/镁搅拌摩擦焊组织和性能的影响尚待研究。
基于此，本发明提供的对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法以铝合金和镁合金为研究对象，构建不同参数条件下的搅拌摩擦搭接焊(friction stir welding,FSLW)接头，利用三分量切削测力系统、测振仪研究焊接工艺参数(旋转速度ω)、(焊接速度ν)对FSLW主轴动态性能(三向力、振动)的影响，运用TOPSIS法对FSLW主轴动态性能进行综合评价，研究FSLW主轴动态性能对焊缝力学性能的影响，为铝/镁异种材料FSLW在汽车工业领域中的应用提供了理论基础和科学依据。
发明内容
针对现有搅拌摩擦焊中主轴动态性能对焊缝影响的问题，本发明提出了一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法。
本发明通过下述技术方案来实现：
一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法，包括以下步骤：
步骤一、获取焊接过程中主轴三向力实时数据：将镁铝异种金属板材放置在三分量切削力系统Kistler9257B采集器上方，测力台通过压板及螺栓固定在工作台上，通过传感线与电荷放大器连接，调整参数，开始焊接的同时开始采集数据，通过采集工控机将数据传输到计算机上，得到焊接过程中的三向力实时数据；将焊接过程中搅拌头与试样作用过程分为四个阶段，插入阶段(Ⅰ)、保持阶段(Ⅱ)、进给阶段(III)、拔出阶段(Ⅳ)，以进给阶段(III)主轴力-时间曲线分析焊接工艺参数随主轴力的变化趋势，对主轴三向力数据进行正态拟合，取其均值进行分析；
步骤二、获取焊接过程中主轴三向振动加速度实时数据：将1A314E型IEPE压电式三向加速度传感器固定在主轴上，向加速度传感器X、Y、Z方向灵敏度分别为104.2mv/g、100.1mv/g和99.3mv/g，频率范围为0.5-7000Hz；三向加速度传感器与DH5922D动态信号采集仪相连接，后者通过USB 3.0线与计算机连接，通过DHDAS动态信号采集分析系统实时监测焊接过程中主轴X、Y、Z三个方向振动加速度随时间的变化情况；取上述进给阶段(III)的三向振动加速度均值进行分析；
步骤三、构建主轴动态性能评价模型：运用综合评价法对主轴动态性能进行等级划分和量化评价，建立主轴动态性能评价模型；
步骤四、模型验证：随机从中选出不同的主轴动态性能参数下的焊缝进行分析，观察不同主轴动态性能下的宏观组织、显微硬度与拉伸剪切强度，验证该评价模型的可靠性。
进一步地，步骤三中综合评价法具体为：采用层析分析法和TOPSIS正负理想解法，通过MATLAB编程计算并对工艺参数进行优劣排序：首先，统一指标类型后，由公式(1)对不同工艺参数条件下所测量的主轴动态性能数据进行标准化处理得到评价矩阵R；
Figure BDA0002739350230000021
然后建立层次结构图，根据已知各评价指标确定目标层O、准测层C、子准测层D和方案层P等层次，利用层次分析法，基于表1按照1～9的标度aij来度量任意两个层级的相对重要性。
表1标度aij的含义
Figure BDA0002739350230000031
构造各层级之间的比较矩阵，用和法计算可得各矩阵的最大特征根和对应的归一化特征向量。结合子准则层D对准测层C各因素的相对权重的列向量构成矩阵W(3)和准则层C对目标层O的相对权重w(2)。由w(3)＝W(3)w(2)计算得到各评价指标对主轴动态性能的组合权重。
最后，结合评价矩阵R和各参数对主轴动态性能的组合权重，利用公式(2)
zij＝wjyij (2)
构造加权评价矩阵，确定正理想解S*和负理想解S-，再由公式(3)
Figure BDA0002739350230000032
计算各参数到正理想解和负理想解的距离，再通过
Figure BDA0002739350230000033
计算各参数对理想主轴性能的相近度B，根据相对接近度B对各个参数的主轴性能按优劣次序排列及等级划分。
本发明所述对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法在汽车工业领域中的应用。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
(1)本发明提供的对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法能够全面反映主轴动态性能(主轴力和振动)与焊接工艺参数之间的内在关系以及主轴动态性能对异种铝/镁搅拌摩擦焊组织和性能的影响；
(2)本发明提供的对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法以铝合金和镁合金为研究对象，构建不同参数条件下的搅拌摩擦搭接焊焊缝，通过焊接过程中主轴工作信号(主轴力、振动)的评价焊缝的质量，相对于传统的以焊缝组织检测及力学性能测试等离线方式评价焊缝质量，需要对焊缝进行破坏性试验，过程繁琐，成本较高。本方法通过建立主轴动态性能评价模型对焊接质量进行评价，改方法无需传统的破坏性试验，直接对焊接过程中主轴动态性能(主轴力)实时观测即可评价焊缝质量。
附图说明
图1为1060Al/AZ31 Mg FSLW接头的拉伸剪切试验样品。
图2为1500rmp和70mm/min条件下主轴上三个力的时间曲线和不同相位位置的示意图。
图3为FSLW焊接过程作用力曲线，其中，(a)1000rpm、30mm/min；(b)1000rpm、50mm/min；(c)1000rpm、70mm/min；(d)1500rpm、30mm/min；(e)1500rpm、50mm/min；(f)1500rpm、70mm/min；(g)2000rpm、30mm/min；(h)2000rpm、50mm/min；(i)2000rpm、70mm/min。
图4为ω＝2000rpm，ν＝30mm/min时作用力的正态拟合曲线：(a)Fz(b)Fy(c)Fz。
图5为主轴三向力实验值与预测值的关系图：(a)Fx(b)Fy(c)Fz。
图6为焊接工艺参数和主轴三力响应面：(a)Fx(b)Fy(c)Fz；残差图：(d)Fx(e)Fy(f)Fz。
图7为1000rpm,30mm/min参数下三个方向的振动加速度谱：(a)X方向(b)Y方向(c)Z方向。
图8为三个方向上振动加速度的平均值。
图9为主轴动态性能评价模型。
图10为层次结构图。
图11为参数1的铝镁界面不同区域的横截面。
图12为参数7的铝镁界面不同区域的横截面。
图13为参数1，5，7的焊缝的横截面外观和显微硬度。
图14为焊缝的拉伸剪切力。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合附图及具体实施例进行详细描述。
实施例1
本实施例采用1060铝和AZ31镁进行搅拌摩擦焊试验，铝镁异种金属均为板材形状，其规格分别为200mm×150mm×2mm、200mm×150mm×3mm，焊接设备为龙门式一维搅拌摩擦焊设备HT-JM16×8/1，对镁铝异种金属进行焊接得到焊缝。
一种对搅拌摩擦焊焊缝质量评价方法，具体步骤如下：
步骤一、获取焊接过程中主轴三向力实时数据：使用三分量切削力系统Kistler9257B，将被焊板材放置在采集器上方，调整参数开始焊接的同时，设备开始采集数据，得到焊接过程中三向力实时数据；将焊接过程中搅拌头与试样作用过程分为四个阶段，插入阶段(Ⅰ)、保持阶段(Ⅱ)、进给阶段(III)、拔出阶段(Ⅳ)；且不同阶段主轴所受作用力不同，以工艺参数为1500pm、70m/min时主轴三向力-时间变化曲线为例，在搅拌头刚接触到板材表面时，主轴在三个方向上所受力均为0，在(I)阶段，搅拌头开始旋转下压直至搅拌头插入母材指定深度，在这个过程中搅拌头不断挤压未被软化的金属材料，主轴轴向力(Fz)随时间的流逝而急剧增大，而侧向力(Fx)，进给力(Fy)略有上升；达到预定的下压量后，在(Ⅱ)阶段搅拌头原位保持旋转状态，旋转的搅拌头与母材摩擦产生源源不断的热量使接头处母材达到热塑性状态，以保证沿焊接方向前进初始阶段板材的有效连接。由于母材软化程度不断提高，随搅拌头停留时间的延长，Fz呈明显的连续下降态势，在另外两个方向上，Fx，Fy也略有降低；在(Ⅲ)阶段，搅拌头处于进给运动状态，搅拌头从材料软化度较高区域进入材料软化度低的区域，主轴三向力都有很明显的升高，主轴三向力提高程度为Fz>Fy>Fx。经过这样一个短时间的过渡后，焊接进入进给阶段(III)，其中Fx的稳定性最好，其随时间的变化可以忽略，Fy在1400±300N，Fz在5000±1000N范围内波动；在(Ⅳ)阶段，搅拌头停止前进，在保持旋转速度不变的情况下抽离焊缝表面并在板材表面留下匙孔，在这个过程中，搅拌头与板材的接触面积不断减小，主轴三向力也不断衰减直至搅拌头完全离开板材表面，主轴三向力全部下降为零。
基于以上对整个焊接过程的三向力数据分析，在(Ⅰ)、(Ⅱ)及(Ⅳ)阶段，主轴对板材作用时间短且主轴三向力波动范围很大，这两个特点使分析旋转速度与焊接速度与主轴三向力作用关系的难度大大升高，而分析的准确度却显著降低。因此，本发明以(III)阶段主轴力-时间曲线分析焊接工艺参数随主轴力的变化趋势，利用公式(4)对主轴三向力进行正态拟合：
Figure BDA0002739350230000051
得到三向力数据如表2所示，以下均采用焊接过程(Ⅲ)中数据正态分布μ值进行分析。
步骤二、获取焊接过程中主轴三向振动加速度实时数据：在焊接过程中，使用DH5922D动态信号采集仪实时采集主轴的三向振动加速度数据，分析平稳焊接阶段主轴的三向振动加速度数据，如表2所示。以工艺参数为100rpm、30mm/min时主轴三向振动加速度-时间变化曲线为例，三个方向振动加速度均在4m/s2以内，说明焊接过程中主轴振动较小。为比较不同工艺参数下主轴的振动加速度数据，采用DHDAS动态信号分析软件计算振动加速度均值。当ω＝1000pm，v＝30mm/min时，三个方向振动加速度较小；当焊接速度v＝30mm/min和50mm/min时，随着焊接速度和转速的增加，三个方向的振动加速度增加；然而，当焊接速度v＝70mm/min时，ω＝1000rpm和ω＝1500rpm的振动加速度较大，当ω＝2000rpm时，在X和Y方向上急剧减小；当转速v＝70mm/min时，Z方向的振动加速度随着转速的增加而减小。
步骤三、构建主轴动态性能评价模型：
为了建立模型，给出如下假设：(i)除给出的九组焊接工艺参数(表2所示)，其他焊接条件都完全相同；(ii)选取最优参数所考虑的三个因素，确定其对主轴动态性能的影响是振动、三向力。
表2不同工艺参数条件下主轴的各项动态性能
Figure BDA0002739350230000061
由于三个因素三向力、振动的标准不同，在本方法的参数范围内，三向力属于极大型指标，三向力越大性能越好；而振动越小，主轴动态性能越好，属于极小型指标。为方便起见，根据这一标准在计算振动时取其倒数，转化为极大型指标进行计算。采用线性比例变换法对各指标进行标准化处理，下式(5)：
Figure BDA0002739350230000062
可得评价矩阵(6)：
Figure BDA0002739350230000071
根据已知各评价指标确定有目标层O、准则层C、子准则层D和方案层P四个层次，建立如图9所示的层次结构图。第一层目标层O为FSLW主轴动态性能评价；第二层准则层C为评价FSLW主轴动态性能的2个一级指标：三向力、振动；第三层子准则层D为评价FSLW主轴动态性能的二级指标，有Fz、Fy等6个指标；第四层方案层为研究的9组工艺参数。通过查阅相关资料假设准则层C对目标层O的归一化权重为w(2)＝(0.5,0.5)T，再根据表构造D1、D2、D3对C1的两两比较矩阵A1，并计算出相对权重向量
Figure BDA0002739350230000075
子准则层中对C1没有影响的因素位置权重设置为0。从而写出6个因素对C1的相对权重向量
Figure BDA0002739350230000072
同样的，用相同的方法写出各因素对C2的相对权重向量
Figure BDA0002739350230000073
以子准则层对准则层各因素的相对权重向量的列向量构成矩阵为：
Figure BDA0002739350230000074
子准则层D对目标层O的组合权重为：
w(3)＝W(3)w(2)＝(0.0531,0.1303,0.3167,0.0531,0.1303,0.3167)T
子准则层D对主轴的动态性能的通过组合一致性检验，说明该权重可用。
最后，基于评价矩阵R以及各参数对主轴性能的组合权重，如下：
zij＝wjyij(i＝1,2,...,9；j＝1,2,...,6)
利用公式构造加权评价矩阵如下：
Figure BDA0002739350230000081
确定正理想解S*(z1*,z2*,…,z6*)和负理想解S-(z1-,z2-,…,z6-)：
S*＝(0.0531,0.1303,0.3166,0.0531,0.1303,1.0977)
S-＝(0.0452,0.0772,0.1377,0.0033,0.0033,0.0574)
由公式(7)计算各参数到正理想解和负理想解的距离：
Figure BDA0002739350230000082
正理想解和负理想解分别为：
d*＝(0.3582,0.9860,1.2803,1.2939,1.2008,1.1940,1.3237,1.3885,1.3402)
d-＝(1.0986,0.4708,0.1766,0.1629,0.2561,0.2628,0.1331,0.0683,0.1167)
由公式
Figure BDA0002739350230000083
计算各参数对理想主轴性能的相对接近度B为：
B＝(0.6053,0.1927,0.0645,0.0592,0.0964,0.0991,0.0479,0.0240,0.0417)
根据相对接近度B对各个参数的主轴性能按优劣次序排列及等级划分：参数1>参数2>参数6>参数5>参数3>参数4>参数7>参数9>参数8。
步骤四、模型验证：随机从中选出不同的主轴动态性能参数下的焊缝进行分析，观察不同主轴动态性能下的宏观组织、显微硬度与拉伸剪切强度，验证该评价模型的可靠性；
参数1和参数7的微观结构分别如图11和图12所示，从图11a和图12a可以观察到Mg板中的粗晶粒；图11b和图12b显示了Al和Mg板的界面，在搅拌区的边界处观察到“球状”岛屿，与IMC和基材的形态相似；在搅拌区，从图11c和图12c可以观察到“涡流区”，表明物料混合良好；图11c和图12c中一个小区域的放大图如图11d和12d所示，其中该搅拌区组织再结晶后晶粒尺寸显著减小；然而，从图12b也可以观察到，图12b的宏观组织中出现了焊接界面的微裂纹和钩形缺陷。
不同主轴动态性能的接头显微硬度如图13所示。结果表明，铝板的硬度值在30Hv左右，Mg板的硬度值限制在50Hv，硬度峰值出现在焊接中心，随着距焊核区距离的增加而减小，这可能与熔核中IMCs的形成有关。
图14显示了不同参数的拉剪强度。对于在1000rpm和1500rpm下产生的焊缝，在30mm/min、50mm/min和70mm/min下生产的FSLW的平均失效载荷超过3000N；相比之下，在2000rpm的旋转速度和30mm/min、50mm/min和70mm/min的焊接速度下，观察到了最大为2693.5N的平均失效载荷。
由步骤三的计算结果可知，从P1、P5到P7，相对接近度B逐渐降低。以上结果表明，随着B值的降低，裂纹和钩状缺陷增多，母材被挤压到焊核区的现象更加严重，焊缝的抗剪强度降低。该评价模型与实验结果是一致的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、获取焊接过程中主轴三向力实时数据：将镁铝异种金属板材放置在三分量切削力系统Kistler9257B采集器上方，测力台通过压板及螺栓固定在工作台上，通过传感线与电荷放大器连接，调整参数，开始焊接的同时开始采集数据，通过采集工控机将数据传输到计算机上，得到焊接过程中的三向力实时数据；将焊接过程中搅拌头与试样作用过程分为四个阶段，插入阶段(Ⅰ)、保持阶段(Ⅱ)、进给阶段(III)、拔出阶段(Ⅳ)，以进给阶段(III)主轴力-时间曲线分析焊接工艺参数随主轴力的变化趋势，对主轴三向力数据进行正态拟合，取其均值进行分析；
步骤二、获取焊接过程中主轴三向振动加速度实时数据：将1A314E型IEPE压电式三向加速度传感器固定在主轴上，三向加速度传感器与DH5922D动态信号采集仪相连接，后者通过USB 3.0线与计算机连接，通过DHDAS动态信号采集分析系统实时监测焊接过程中主轴X、Y、Z三个方向振动加速度随时间的变化情况；取上述进给阶段(III)的三向振动加速度均值进行分析；
步骤三、构建主轴动态性能评价模型：运用综合评价法对主轴动态性能进行等级划分和量化评价，建立主轴动态性能评价模型；
步骤四、模型验证：随机从中选出不同的主轴动态性能参数下的焊缝进行分析，观察不同主轴动态性能下的宏观组织、显微硬度与拉伸剪切强度，验证该评价模型的可靠性。
2.根据权利要求1所述的对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法，其特征在于，步骤三中综合评价法具体为：采用层析分析法和TOPSIS正负理想解法，通过MATLAB编程计算并对工艺参数进行优劣排序：首先，统一指标类型后，由公式(1)对不同工艺参数条件下所测量的主轴动态性能数据进行标准化处理得到评价矩阵R；
Figure FDA0002739350220000011
然后建立层次结构图，根据已知各评价指标确定目标层O、准测层C、子准测层D和方案层P等层次，利用层次分析法，基于表1按照1～9的标度aij来度量任意两个层级的相对重要性；
表1 标度aij的含义
Figure FDA0002739350220000012
Figure FDA0002739350220000021
构造各层级之间的比较矩阵，用和法计算可得各矩阵的最大特征根和对应的归一化特征向量；结合子准则层D对准测层C各因素的相对权重的列向量构成矩阵W(3)和准则层C对目标层O的相对权重w(2)，由w(3)＝W(3)w(2)计算得到各评价指标对主轴动态性能的组合权重；
最后，结合评价矩阵R和各参数对主轴动态性能的组合权重，利用公式(2)
zij＝wjyij (2)
构造加权评价矩阵，确定正理想解S*和负理想解S-，再由公式(3)
Figure FDA0002739350220000022
计算各参数到正理想解和负理想解的距离，再通过
Figure FDA0002739350220000023
计算各参数对理想主轴性能的相近度B，根据相对接近度B对各个参数的主轴性能按优劣次序排列及等级划分。
3.权利要求1～2任一所述的对搅拌摩擦焊焊缝质量的评价方法在汽车工业领域中的应用。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113857648A (zh) * 2021-11-10 2021-12-31 中国兵器工业第五九研究所 基于焊缝温度及飞溅检测的摩擦焊控制与质量评价方法
CN116930194A (zh) * 2023-09-14 2023-10-24 张家港思复安全科技有限公司 一种搅拌摩擦焊的缺陷检测系统、方法、电子设备和介质

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1447167A1 (de) * 2003-02-14 2004-08-18 Volker Rossner Verfahren und Vorrichtung zum Reibschweissen von Fügeflächen zweier Formteile
WO2007006669A1 (de) * 2005-07-09 2007-01-18 Technische Universität Ilmenau Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper
CN101929892A (zh) * 2010-09-26 2010-12-29 南京航空航天大学 搅拌摩擦焊在线测试系统
EP2965858A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-13 NELA Razvojni center d.o.o. Podruznica Vincarje Real-time tool breakage detection during the friction stir welding process
TW201742696A (zh) * 2016-06-07 2017-12-16 華梵大學 金屬板材結構的製造方法
CN107570861A (zh) * 2017-10-17 2018-01-12 重庆电子工程职业学院 一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法
CN109570729A (zh) * 2018-11-28 2019-04-05 湘潭大学 一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检测的方法
CN110842346A (zh) * 2019-11-19 2020-02-28 安阳工学院 一种搅拌摩擦焊焊缝表面质量定量分析方法
CN111037144A (zh) * 2019-11-28 2020-04-21 新兴际华集团有限公司 基于机械振动调控焊缝组织性能及残余应力的方法
CN111340306A (zh) * 2020-03-12 2020-06-26 郑州航空工业管理学院 一种面向智能制造的机床设备优化方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1447167A1 (de) * 2003-02-14 2004-08-18 Volker Rossner Verfahren und Vorrichtung zum Reibschweissen von Fügeflächen zweier Formteile
WO2007006669A1 (de) * 2005-07-09 2007-01-18 Technische Universität Ilmenau Rührreibschweisswerkzeug sowie verfahren und anordnung zur echtzeit-kontrolle eines rührreibschweissprozesses durch erfassung der beschleunigungskräfte und/oder schwingungen an dem werkzeugkörper
CN101929892A (zh) * 2010-09-26 2010-12-29 南京航空航天大学 搅拌摩擦焊在线测试系统
EP2965858A1 (en) * 2014-07-11 2016-01-13 NELA Razvojni center d.o.o. Podruznica Vincarje Real-time tool breakage detection during the friction stir welding process
TW201742696A (zh) * 2016-06-07 2017-12-16 華梵大學 金屬板材結構的製造方法
CN107570861A (zh) * 2017-10-17 2018-01-12 重庆电子工程职业学院 一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法
CN109570729A (zh) * 2018-11-28 2019-04-05 湘潭大学 一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检测的方法
CN110842346A (zh) * 2019-11-19 2020-02-28 安阳工学院 一种搅拌摩擦焊焊缝表面质量定量分析方法
CN111037144A (zh) * 2019-11-28 2020-04-21 新兴际华集团有限公司 基于机械振动调控焊缝组织性能及残余应力的方法
CN111340306A (zh) * 2020-03-12 2020-06-26 郑州航空工业管理学院 一种面向智能制造的机床设备优化方法

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K. VENKATA RAO: "Evaluation of welding characteristics using three-dimensional finite element simulation and experimentation for FSW of aluminum 6061", 《BRAZILIAN SOCIETY OF MECHANICAL SCIENCES AND ENGINEERING》 *
RAVINDRA SINGH SALUJA, VARINDER SINGH: "A fuzzy multi-attribute decision making model for selection of welding process for grey cast iron", 《MATERIALS TODAY: PROCEEDINGS》 *
叶赵伟等: "基于多传感器技术的搅拌摩擦焊在线监测系统开发", 《机床与液压》 *
王吉胜等: "基于 LabVIEW的搅拌摩擦焊在线监测系统", 《航空焊接技术》 *
王道青等: "搅拌摩擦焊接Cu-Al接头组织及焊缝质量分析", 《青海大学学报》 *
蒲伟等: "模糊综合评价法在锅炉焊缝安全评定中的应用", 《安全与环境学报》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113857648A (zh) * 2021-11-10 2021-12-31 中国兵器工业第五九研究所 基于焊缝温度及飞溅检测的摩擦焊控制与质量评价方法
CN116930194A (zh) * 2023-09-14 2023-10-24 张家港思复安全科技有限公司 一种搅拌摩擦焊的缺陷检测系统、方法、电子设备和介质
CN116930194B (zh) * 2023-09-14 2023-12-08 张家港思复安全科技有限公司 一种搅拌摩擦焊的缺陷检测系统、方法、电子设备和介质

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