CN112605521B - 一种搅拌摩擦焊的控制方法，装置及系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供了一种搅拌摩擦焊的控制方法，装置及系统。搅拌摩擦焊的控制方法，包括如下步骤：获取搅拌头的搅拌针的压力目标值；检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较：在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。装置和系统用于实现上述控制方法。本申请实施例解决了现有的搅拌摩擦焊的控制方法都采用单一控制方式，无法满足焊接的要求的技术问题。

Description

一种搅拌摩擦焊的控制方法，装置及系统

技术领域

本申请涉及搅拌摩擦焊的技术领域，具体地，涉及一种搅拌摩擦焊的控制方法，装置及系统。

背景技术

搅拌摩擦焊具有焊接速度快、焊缝质量稳定性好、工件的残余应力和变形量小、无污染、耗材用量少，以及对环境温湿度依赖小等优点，目前广泛应用于航空航天领域，同时在轨道交通装备制造业中的应用也越来越多。

搅拌摩擦焊的原理是搅拌头的搅拌针进行搅拌形成塑性金属，搅拌头的轴肩在一定的压力下将塑性金属压实，最终形成致密的焊缝。

搅拌摩擦焊在焊接过程中，为了保证搅拌头的压入深度保持恒定，进而保证焊接质量的稳定性，目前一般采用恒压力以及恒位移两种控制方法。单独采用恒压力进行控制，由于不同批次的母材化学成分存在一定的差异，且每次的装配状态不一定相同，在这种情况下，焊接过程中为了保证压力值的恒定，实际压入深度与理论压入深度相差较大，可能导致焊缝质量不合格。同时，给定的恒压力的压力值过大的情况下，如果母材无法承受如此大压力势必导致恒压力失衡，会击穿母材导致母材报废。单独采用恒位移进行控制，焊接过程中焊接压力无法保持恒定，在压力值较小的区域，搅拌头的轴肩无法将待焊金属压实，容易导致焊接接头的强度降低。

因此，现有的搅拌摩擦焊的控制方法都采用单一控制方式，无法满足焊接的要求，是本领域技术人员急需要解决的技术问题。

在背景技术中公开的上述信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此其可能包含没有形成为本领域普通技术人员所知晓的现有技术的信息。

发明内容

本申请实施例提供了一种搅拌摩擦焊的控制方法，装置及系统，以解决现有的搅拌摩擦焊的控制方法都采用单一控制方式，无法满足焊接的要求的技术问题。

本申请实施例提供了一种搅拌摩擦焊的控制方法，包括如下步骤：

获取搅拌头的搅拌针的压力目标值；

检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较：

在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。

本申请实施例还提供了以下技术方案：

一种搅拌摩擦焊的控制装置，包括：

压力目标值获取模块，用于获取搅拌头的搅拌针的压力目标值；

比较模块，用于检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较；

恒压力控制模块，用于在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。

本申请实施例还提供了以下技术方案：

一种搅拌摩擦焊的控制系统，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述搅拌摩擦焊的控制方法。

本申请实施例由于采用以上技术方案，具有以下技术效果：

本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法，是对搅拌头的搅拌针的压力和搅拌头的压入深度相组合的控制方式。检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较：在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。这样，本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法，搅拌头焊接过程中，搅拌头的搅拌针的压力和搅拌头的压入深度都受到控制，使得搅拌头的实际压入深度保持相对稳定，搅拌针的实际压力也保持相对稳定，焊接的强度和质量都较高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例的一种搅拌摩擦焊的控制方法的流程图；

图2为使用图1所示的控制方法的搅拌摩擦焊系统的局部示意图；

图3为图1所示的控制方法的步骤S100的具体流程图。

附图标记说明：

11搅拌头，111搅拌针，12压力传感器，13标定系统，14激光跟踪器。

具体实施方式

为了使本申请实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本申请的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。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组合。

实施例一

图1为本申请实施例的一种搅拌摩擦焊的控制方法的流程图，图2为使用图1所示的控制方法的搅拌摩擦焊系统的局部示意图。如图1和图2所示，本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法，包括如下步骤：

步骤S100：获取搅拌头11的搅拌针111的压力目标值；

步骤S200：检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较：

步骤S300：在搅拌头11的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头11进行焊接。

本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法，是对搅拌头的搅拌针的压力和搅拌头的压入深度相组合的控制方式。检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较，在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。这样，本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法，搅拌头焊接过程中，搅拌头的搅拌针的压力和搅拌头的压入深度都受到控制，使得搅拌头的实际压入深度保持相对稳定，搅拌针的实际压力也保持相对稳定，焊接的强度和质量都较高，缺陷率较低。

实施中，控制方法还包括如下步骤：

步骤S400：在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统停止工作，恒位移控制系统控制搅拌头保持当前实际压入深度继续进行焊接，直至焊接结束。

恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接时，如果出现搅拌针的实际压力小于压力目标值时，则搅拌头会下压母材以获得更大的压力。在此过程中，如果出现了搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况，恒压力控制系统停止工作，搅拌头不再下压，而是恒位移控制系统控制搅拌头保持当前实际压入深度继续进行焊接，直至焊接结束。在背景技术中，单独的恒压力控制方式会存在击穿母材导致母材报废的风险。本申请实施例的控制方法，通过上述步骤，避免了击穿母材情况的出现。

图3为图1所示的控制方法的步骤S100的具体流程图。如图3所示，实施中，步骤S100的步骤，具体包括：

步骤S110：获取搅拌头的压入深度目标值；

步骤S120：恒位移控制系统以压入深度目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接；

步骤S130：在搅拌头的搅拌针的实际压力达到预设的稳定条件时，将搅拌头的搅拌针的实际压力作为搅拌头的搅拌针的压力目标值。

实际生产中，不同的母材焊接过程中搅拌头的搅拌针的压力目标值是不一样的，上述步骤中巧妙地规避了母材个体差异以及装配情况的不一致性造成的试验结果应用范围小的问题，通用性极高，能够满足不同母材的焊接。搅拌头的搅拌针的压力目标值是针对每个个体测量出来的，并且在焊接过程中恒位移控制系统一直在起作用。

具体的，如图2所示，搅拌针的实际压力通过设置在搅拌针端部的压力传感器12获取。

作为一种可选的方式，所述预设的稳定条件为搅拌针以一实际压力值焊接的时长达到预设时间段。

具体的，所述预设时间段为5秒。

作为另一种可选的方式，所述预设的稳定条件为搅拌针以一实际压力值焊接的长度达到预设长度。

具体的，所述预设长度为50毫米。

预设的稳定条件可以是焊接的时长或长度。在实际焊接工作中，可以实际需要进行选择。

具体的，如图2所示，在焊接的初始阶段即步骤S100，激光跟踪器14的作用下保证搅拌头的实际压入深度达到压入深度目标值，进行焊接，此时所产生的压力值通过压力传感器获得，在搅拌头的搅拌针的实际压力达到预设的稳定条件时，将搅拌头的搅拌针的实际压力作为搅拌头的搅拌针的压力目标值。

控制方法还包括如下步骤：

在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以及在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，搅拌头进行焊接的过程中，在搅拌头的搅拌针的实际压力与压力目标值的比例小于等于预设比例时，对焊接位置进行标定。

具体的，所述预设比例为10％至50％之间的任一值。

这样，对搅拌头的搅拌针的实际压力较小的焊接位置进行了标定，在焊接完成后，能够直观的看出找到焊接可能出现问题的位置，方便进行焊接质量和强度的检测。

具体的，如图2所示，对焊接位置进行标定，是由设置在搅拌头一侧的标定系统13进行标定。

具体的，搅拌头的搅拌针的压力目标值为10千牛；搅拌头的压入深度最大阈值为0.35毫米；搅拌头的压入深度目标值为0.25毫米。

本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法，尤其适合于铝合金单轴肩搅拌摩擦焊焊接的控制。

本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法是组合型的控制方法，以恒压力为主、恒位移为辅的控制方式并加入位移控制及标定系统。在焊接过程开始之前，设定焊接时搅拌头主轴最大下降及上升的限位，其中，搅拌头主轴最大下降限位就是搅拌头11的压入深度最大阈值；在此数值区间内，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头。在此数值区间外，在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统停止工作，恒位移控制系统控制搅拌头保持当前实际压入深度继续进行焊接，直至焊接结束，防止产生下扎的现象。

搅拌头的搅拌针的实际压力与压力目标值的比例小于等于预设比例时，标定系统在焊接位置的一侧进行喷码标定，待焊接完成后对喷码区域进行焊缝质量检验。

在步骤S100中，在搅拌头插入母材开始焊接时恒位移控制系统起作用，恒位移控制系统以压入深度目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接，此时压力传感器自动监测压力值，在搅拌头的搅拌针的实际压力达到预设的稳定条件时，将搅拌头的搅拌针的实际压力设置为搅拌头的搅拌针的压力目标值。恒压力控制、位移控制和标定系统开始同时工作，完成焊接。这种控制方法下进行搅拌摩擦焊，能够更好地保证焊接质量，避免由于母材个体性差异造成的焊缝质量不合格问题。

此发明简单易行，采用本发明进行搅拌摩擦焊进行焊接，能够大大提高焊接一次合格率，同时能保证焊接质量的稳定。

在使用本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法进行焊接之前，还要进行焊接必须的准备工作：

(1)待焊母材进行打磨去除氧化膜；

(2)待焊母材的表面进行清洗去油污；

(3)在搅拌摩擦焊工装上装卡待焊母材，使其满足装配要求；

(4)调试搅拌摩擦焊设备，设定相应的焊接参数(搅拌头旋转速度、焊接速度等等)及搅拌头主轴最大下降及上升的限位，从一端将搅拌头插入母材。

采用本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法进行焊接的控制，直至焊接结束。焊接结束后，抽出搅拌头，对焊缝进行打磨处理，对标定区域进行焊缝质量检验。

具体的在(1)，(2)和(3)中，采用角磨机和钢丝刷打磨去除待焊母材的氧化膜，用7063清洗剂对待焊母材的焊接区域进行清洗去除油污，之后在搅拌摩擦焊工装上进行装配，压紧，采用大力钳对待焊母材进行夹紧。

下面对本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制方法带来的有益效果进行说明：首先，焊接效率高；

采用搅拌摩擦焊的控制方法对焊接过程进行控制，具有优良的焊接稳定性，同时能够有效规避母材个体差异以及装配条件差异带来的焊接风险，大大提高焊接一次合格率，进而达到高效焊接的目的。

其次，低成本；

低成本主要体现在以下几个方面：

a、设计和制造成本

①母材成本由于本发明对母材的差异适应性比较强，母材设计时可以适当降低尺寸精度要求，这样就降低了母材的设计和制造成本。

②工装成本

相比于其他控制方式，本发明对装配条件的一致性要求较低，这样就降低了工装的设计和制造成本。

b、人力成本由于装配难度的降低，所需装配工的水平要求也就随之降低，高水平的装配工已经不是生产所必需的，焊缝一次合格率很高基本无焊接返修，返修时所用的人力成本也随之降低。

c、时间成本

①装配时间的减少；装配精度要求适当降低必将缩短焊前装配的时间。

②返修时间的减少；由于出现焊接缺陷的几率大大降低，能够有效减少焊接返修的数量，返修时间随之降低。

综上所述，采用该发明能够大大缩短生产周期，越是批量生产，成本就越低。

还有，高质量的焊缝；

高质量的焊缝是以焊接过程的稳定为前提，而本发明的重点就是解决了传统的控制方式下焊接过程不稳定的问题。采用本发明的控制方式，恒压力控制系统所用的压力目标值是针对该母材焊接接头测量出来的，具有传统恒压力控制方法所无法比拟的高度适应性，并且在焊接过程中位移控制一直起作用，不会出现下扎的现象。所以焊接过程很稳定，焊缝的熔合情况也很均匀，进而焊接出近乎完美的焊缝。这样的焊缝另一个重要的优点就是应力比较均匀。

实施例二

本申请实施例提供的搅拌摩擦焊的控制装置，包括：

压力目标值获取模块，用于获取搅拌头的搅拌针的压力目标值；

比较模块，用于检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较；

恒压力控制模块，用于在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。

本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制装置，是对搅拌头的搅拌针的压力和搅拌头的压入深度相组合的控制方式。比较模块检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较；在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制模块以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接。这样，本申请实施例的搅拌摩擦焊的控制装置，搅拌头焊接过程中，搅拌头的搅拌针的压力和搅拌头的压入深度都受到控制，使得搅拌头的实际压入深度保持相对稳定，搅拌针的实际压力也保持相对稳定，焊接的强度和质量都较高。

实施中，控制装置还包括：

恒位移控制模块，用于在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制模块停止工作，恒位移控制模块控制搅拌头保持当前实际压入深度继续进行焊接，直至焊接结束。

实施中，所述压力目标值获取模块包括：

压入深度目标值获取子模块，用于获取搅拌头的压入深度目标值；

恒位移控制子模块，用于以压入深度目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接；

压力目标值设置子模块，用于在搅拌头的搅拌针的实际压力达到预设的稳定条件时，将搅拌头的搅拌针的实际压力设置为搅拌头的搅拌针的压力目标值。

实施中，控制装置还包括：

标定模块，用于在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以及在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，搅拌头进行焊接的过程中，在搅拌头的搅拌针的实际压力与压力目标值的比例小于等于预设比例时，对焊接位置进行标定。

可以理解的是，搅拌摩擦焊的控制装置中的各个模块/单元具有实现本申请实施例提供的搅拌摩擦焊的控制方法中的各个步骤的功能，并能达到其相应的技术效果，为了简洁，在此不再赘述。

实施例三

本申请实施例的一种搅拌摩擦焊的控制系统，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现实施例一所述的搅拌摩擦焊的控制方法。

在本申请及其实施例的描述中，需要理解的是，术语“顶”、“底”、“高度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请及其实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

上文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，上文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (12)

1.一种搅拌摩擦焊的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

获取搅拌头的搅拌针的压力目标值；

检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较：

在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接；

在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制系统停止工作，恒位移控制系统控制搅拌头保持当前实际压入深度继续进行焊接，直至焊接结束。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，获取搅拌头的搅拌针的压力目标值的步骤，具体包括：

获取搅拌头的压入深度目标值；

恒位移控制系统以压入深度目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接；

在搅拌头的搅拌针的实际压力达到预设的稳定条件时，将搅拌头的搅拌针的实际压力设置为搅拌头的搅拌针的压力目标值。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述预设的稳定条件为搅拌针以一实际压力值焊接的时长达到预设时间段。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述预设时间段为5秒。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述预设的稳定条件为搅拌针以一实际压力值焊接的长度达到预设长度。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述预设长度为50毫米。

7.根据权利要求1至6任一所述的控制方法，其特征在于，还包括如下步骤：

在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以及在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，搅拌头进行焊接的过程中，在搅拌头的搅拌针的实际压力与压力目标值的比例小于等于预设比例时，对焊接位置进行标定。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述预设比例为10％至50％之间的任一值。

9.一种搅拌摩擦焊的控制装置，其特征在于，包括：

压力目标值获取模块，用于获取搅拌头的搅拌针的压力目标值；

比较模块，用于检测搅拌头的实际压入深度，并与搅拌头的压入深度最大阈值进行比较；

恒压力控制模块，用于在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以压力目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接；

恒位移控制模块，用于在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，恒压力控制模块停止工作，恒位移控制模块控制搅拌头保持当前实际压入深度继续进行焊接，直至焊接结束。

10.根据权利要求9所述的控制装置，其特征在于，所述压力目标值获取模块包括：

压入深度目标值获取子模块，用于获取搅拌头的压入深度目标值；

恒位移控制子模块，用于以压入深度目标值为控制标准，控制搅拌头进行焊接；

压力目标值设置子模块，用于在搅拌头的搅拌针的实际压力达到预设的稳定条件时，将搅拌头的搅拌针的实际压力设置为搅拌头的搅拌针的压力目标值。

11.根据权利要求10所述的控制装置，其特征在于，还包括：

标定模块，用于在搅拌头的实际压入深度小于压入深度最大阈值的情况下，以及在搅拌头的实际压入深度大于等于压入深度最大阈值的情况下，搅拌头进行焊接的过程中，在搅拌头的搅拌针的实际压力与压力目标值的比例小于等于预设比例时，对焊接位置进行标定。

12.一种搅拌摩擦焊的控制系统，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序；

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现如权利要求1至8任一所述的搅拌摩擦焊的控制方法。

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