CN112705834B - 一种搅拌摩擦焊接力的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊接力的测量装置及方法。其中的搅拌摩擦焊接力的测量装置，包括工作台，所述工作台包括互相对接的第一板体和第二板体，在第一板体和第二板体的对接处设有工件限位结构，在工作台的两侧设有压力传感器；在进行焊接力的测量时，将试板固定在工作台上，工作台与试件之间保持相对静止，前进侧和后退侧的力通过工作平台传递给传感器，而非试件直接传递给传感器，这可以有效的避免因为试件在焊接中产生变形而影响测量精度的问题。

Description

一种搅拌摩擦焊接力的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术领域，具体涉及一种搅拌摩擦焊接力的测量装置及方法。

背景技术

搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，在轻质合金的连接方面具有较强的优势，获得接头变形小、强度高且焊接过程绿色无污染，已经广泛的应用于航空航天和轨道交通等机械制造领域。焊接过程中，材料在搅拌头的搅拌摩擦作用下发生较大的塑性变形后实现连接，然而搅拌头会受到材料的反作用力，使得搅拌头在焊接中产生一定的变形，进而影响接头的成形质量。通过预先测量出不同板材厚度下的焊接力，随后采用数值模拟的方式对搅拌头的受力及变形进行计算，对于搅拌头的设计具有较强的指导意义。

搅拌摩擦焊接中焊接力不仅对搅拌头会产生一定的影响，焊接力的测量对工装夹具也会产生一定的影响。在实际生产中，部分焊缝位于零件边缘位置，在焊接工程中较大的侧向力会使材料向着焊缝两侧挤开，当缺少侧向工装的情况下，会使零件产生较大的变形，同时焊缝伴随着较大的减薄及内部缺陷的产生。此外，侧向力对焊机主轴也会产生一定的影响，由于搅拌头前进侧与后退侧材料流动不同，使得前进侧及后退侧材料对搅拌头挤压能力不同，因此，主轴在焊接过程中侧向会受到力的作用。侧向力的测量对工艺、夹具及主轴设计均具有一定的指导能力。在搅拌头前方顶锻力较小的情况下，焊接板材会产生一定的位移，在焊接中难以保证焊接质量。因此，检测焊接中前进方向受到的力具有较强的意义。此外，前进阻力的测量对于搅拌头在焊接中受到前进力的分析也具有指导意义。

中国发明专利CN103017931B公开了一种智能化控制力平台，其中的传感器均位于工作台底部，在侧向力的测量中会有较大的误差，且焊缝前进侧与后退侧的受力状态不同，该专利提出的方案中不能测量焊缝前进侧与后退侧两者的差别。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中试件在焊接中产生变形而影响测量精度的技术问题，从而提供一种搅拌摩擦焊接力的测量装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种搅拌摩擦焊接力的测量装置，包括：工作台，所述工作台包括互相对接的第一板体和第二板体；所述工作台上具有至少一个工件限位结构，在所述第一板体和第二板体的对接处；工作台限位结构，其分别设于所述工作台的两侧；压力传感器，其设于所述工作台与所述工作台限位结构之间，用于检测搅拌摩擦焊接过程中所述工作台朝向所述工作台限位结构的压力。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工作台限位结构为侧挡板；所述侧挡板分别位于所述第一板体和所述第二板体的外侧。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述侧挡板面向所述工作台的方向开设有传感器连接孔，所述压力传感器通过螺杆安装在所述传感器连接孔处。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述压力传感器靠近所述工作台的一侧设有与所述螺杆配合的螺母，所述螺母适于调整所述螺杆与所述工作台的抵接预紧。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工件限位结构包括第一限位凹槽和第二限位凹槽，所述第一限位凹槽和所述第二限位凹槽均横跨所述对接处的接缝；所述第一限位凹槽和第二限位凹槽在所述工作台上十字交叉。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述第一板体和第二板体之间还设有至少一个卡扣，所述卡扣枢接于所述第一板体和第二板体的一者上，并适于扣接于所述第一板体和第二板体的另一者上。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工作台的底部设有至少一条导轨，所述导轨沿一侧的侧挡板向另一侧的侧挡板延伸，并与所述第一限位凹槽平行。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述导轨为多条，其中，所述导轨之间的间距为30-500mm；所述工作台通过滑块与所述导轨滑动连接，每一导轨上两相邻滑块之间的间距为30-300mm。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工作台的厚度为10-60mm。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工作台的底部设有若干压力传感器。

本发明还提供一种搅拌摩擦焊接前进阻力的测量方法，采用上述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，包括以下步骤：

选择目标厚度的板材，将其放置于第一限位凹槽内部；锁定所述第一板体和第二板体；

根据材料厚度选择不同的工艺参数，调节螺杆实现工作平台之间的预紧；

进行搅拌摩擦焊接，采集焊接中前进侧的压力传感器的信号；

计算焊接过程的前进阻力大小，其中，所述前进阻力大小为传感器测量数值与所述工作台的受到的摩擦力之差。

本发明还提供一种搅拌摩擦焊接侧向力的测量方法，采用上述的搅拌摩擦焊接测量装置，包括以下步骤：

选择目标厚度的板材，将其放置于第二限位凹槽内部；

根据材料厚度选择不同的工艺参数，调节螺杆实现工作平台之间的预紧；

进行搅拌摩擦焊接，采集焊接中两侧的压力传感器的信号；

计算焊接过程的侧向力大小，其中，所述侧向力大小为两侧的传感器侧量值之差。

本发明的技术方案，具有如下优点：

1、本发明提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其工作台包括互相对接的第一板体和第二板体，在第一板体和第二板体的对接处设有工件限位结构，在工作台的两侧设有压力传感器；在进行焊接力的测量时，将试板固定在工作台上，工作台与试件之间保持相对静止，前进侧和后退侧的力通过工作平台传递给传感器，而非试件直接传递给传感器，这可以有效的避免因为试件在焊接中产生变形而影响测量精度的问题。

2、本发明提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其工作台的底部设置导轨结构，可以过工作台的移动实现侧向力及前进阻力的测量。

3、本发明提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其传感器与侧向挡板之间通过螺柱及螺母进行固定，在测量使用螺杆与工作平台相接触，可以实现预紧的功能，保证焊接中板材之间不出现缝隙，保证测量结果的精确性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置立体图；

图2为本发明实施例提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置俯视图；

图3为本发明实施例提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置底部结构示意图；

图4为本发明实施例提供的侧挡板及压力传感器结构示意图。

附图标记说明：

1、工作台；1a、第一板体；1b、第二板体；2、试板；3、滑块安装孔；4、压力传感器；5、卡扣；6、垫板；7、滑块；7a-7d、四个滑块；8、导轨；9、侧挡板；10、传感器连接孔；12、侧向力测量焊接路径；13、前进阻力测量焊接路径；14、导轨与垫板连接孔；16、螺杆；17、第一凹槽；18、第二凹槽。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1-4所示，本实施例提供一种搅拌摩擦焊接力的测量装置，其包括工作台1，所述工作台1包括互相对接的第一板体1a和第二板体1b，其中，工作台优选地由厚度为10-60mm厚度的高强度板材1制备而成，长度根据焊接参数进行选择，其中焊接速度决定焊缝长度，进而决定板材尺寸，为了保证焊接中采集足够的数据，要保证足够的焊接时间3-300s；第一板体1a和第二板体1b可采用两块钢板对接的方式搭建而成，其可分别活动地设置在垫板6上，优选地，所述第一板体1a和第二板体1b的底部分别与滑块7相连，滑块7与导轨8相连，在安装过程中要保持工作台水平。工作台下部导轨长度为工作台长度的70-100％，导轨条数和工作台宽度相关，为了保证在焊接中工作台变形较小，每块工作台下导轨之间的间距为30-500mm。导轨和工作台之间滑块数量和导轨长度相关，滑块之间的距离为30-300mm；具体地，所述导轨8可通过螺栓连接的方式固定在垫板6上，具体地，所述螺栓通过垫板连接孔14将导轨8固定在垫板上。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，如图2所示，在所述第一板体1a和第二板体1b的对接处，所述工作台1上具有至少一个工件限位结构；所述工件限位结构优选为凹槽结构，具体地，在工作台1中间通过机械加工的方式加工出与待测试板材长度和宽度相同的第一限位凹槽17，其中凹槽的深度为1-5mm。另外，上述搅拌摩擦焊接力的测量装置还包括工作台限位结构，其分别设于所述工作台的两侧；优选地，所述工作台限位结构为侧挡板9；所述侧挡板9分别位于所述第一板体1a和所述第二板体1b的外侧；所述外侧是指，在所述第一板体1a上位于所述对接处相对的另一侧，以及在所述第二板体1b上位于所述对接处相对的另一侧；所述测量装置还包括，压力传感器4，其设于所述工作台1与所述工作台限位结构之间，用于检测搅拌摩擦焊接过程中所述工作台朝向所述工作台限位结构的压力；其中，平行于导轨方向的两端采用传感器进行限位，压力传感器检测区域与工作台相连。本实施例提供的搅拌摩擦焊接力的测量装置，在进行焊接力的测量时，将试板固定在工作台上，工作台与试件之间保持相对静止，前进侧和后退侧的力通过工作平台传递给传感器，而非试件直接传递给传感器，这可以有效的避免因为试件在焊接中产生变形而影响测量精度的问题。

优选地，上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述侧挡板9面向所述工作台1的方向开设有传感器连接孔10，所述压力传感器4通过螺杆16安装在所述传感器连接孔10处。具体地，上述侧挡板9包括面向工作台1的竖板和水平设置的安装板，在竖板与安装板之间设有若干三角形状的肋，以提高所述侧挡板整体的强度；在各个三角形状的肋之间，开设上述传感器连接孔，并且，可选择地，所述压力传感器4为扁状的圆柱体结构，与此相对应地，所述竖板上设置收纳所述压力传感器4的槽体结构；另外，优选地，上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述压力传感器4靠近所述工作台1的一侧设有与所述螺杆16配合的螺母15，所述螺母15适于调整所述螺杆16与所述工作台1的抵接预紧，保证焊接中板材之间不出现缝隙，保证测量结果的精确性。另外，所述工作台的底部设有至少一条导轨，所述导轨沿一侧的侧挡板向另一侧的侧挡板延伸，并与所述第一限位凹槽平行。

可选择地，上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工件限位结构还包括第二限位凹槽18，所述第一限位凹槽17和所述第二限位凹槽18均横跨所述对接处的接缝；所述第一限位凹槽17和第二限位凹槽18在所述工作台上1十字交叉。其中，所述第一限位凹槽17沿导轨方向设置，其可用于前进阻力的测量，选择的焊接方向13与导轨方向平行；所述第二限位凹槽18垂直于导轨方向设置，其可用于挤开力也即侧向力的测量，在侧向力的测量过程中，选择的焊接方向12与导轨的安装方向垂直，由于导轨和滑块之间在焊接方向上具有自锁的作用，平行于导轨方向的两端采用传感器进行限位，压力传感器检测区域与工作平台相连。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述第一板体1a和第二板体1b之间还设有至少一个卡扣5，所述卡扣5枢接于所述第一板体和第二板体的一者上，并适于扣接于所述第一板体和第二板体的另一者上；如图1所示，其枢接于第二板体1b上，并可以扣接卡合在第一板体1a的一侧伸出的销上。该卡扣5可以在前进阻力的测量过程中闭合，以锁定第一板体和第二板体。

上述搅拌摩擦焊接力的测量装置中，所述工作台的底部设有若干压力传感器，具体地，在高强度板材底部放置压力传感器，对焊接中的顶锻力进行测量，其中优选的，为了保证焊接中工作台的稳定性，多个传感器进行对称放置。

实施例2

本实施例提供一种搅拌摩擦焊接力的测量方法，采用实施例1所述的测量装置，其中测力过程的具体步骤如下：

选择目标厚度的板材，将其放置于预先制备的凹槽内部。在垂直于焊缝方向上力的测量时，将板材防止于凹槽18内；测量前进阻力时，将试板放置于凹槽47内，并将工作台侧面卡扣进行安装，减少影响测量结果的因素。试板安装完成后，通过夹具将其固定于工作台上；其中，夹具直接安装在工作台上，不和传感器直接接触，不会产生多余的位移，可以提高精度。

特别的，安装后保证试板和工作台之间不发生相对移动，进而保证侧向力与前进阻力测量的精度；

根据材料厚度不同选择合适的工艺参数，焊接速度为50-6000mm/min，旋转速度为300-8000rpm，轴肩下压量为0-2mm。通过调节传感器螺柱及螺母实现工作平台之间的预紧，防止焊接两侧板材中间出现缝隙，进而影响测量的准确性；

启动搅拌摩擦焊机，同时开启搅拌摩擦焊接测力平台，采集焊接中压力传感器传出来的信号。通过采集板将数据传输到计算机进行计算；

特别的，侧向力测量中，前进侧及后退侧传感器测量的值分别前进侧受到力与预紧力之和，后退侧传感器的测量值为后退侧受到的力与预紧力之和，主轴受到的侧向力为前进侧与后退侧传感器测量值之差。前进力测量中，传感器测量数值为前进阻力与导轨滑块之间摩擦力之和；顶锻力测量中，顶锻力为工作台底部传感器读数之和与工作台重量的差值；

焊接结束后取下试板，对计算数据进行保存。

其中，在垂直于焊缝方向上力的测量时，将板材放置于凹槽18内；测量前进阻力时，将试板放置于凹槽17内，并将工作台侧面卡扣进行安装，减少影响测量结果的因素。并且，通过调节传感器螺柱及螺母实现工作平台之间的预紧，防止焊接两侧板材中间出现缝隙，进而影响测量的准确性

具体地，上述测量方法中可包含搅拌摩擦焊接前进阻力的测量方法，采用上述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，包括以下步骤：

选择目标厚度的板材，将其放置于第一限位凹槽内部；锁定所述第一板体和第二板体；

根据材料厚度选择不同的工艺参数，调节螺杆实现工作平台之间的预紧；

进行搅拌摩擦焊接，采集焊接中前进侧的压力传感器的信号；

计算焊接过程的前进阻力大小，其中，所述前进阻力大小为传感器测量数值与所述工作台的受到的摩擦力之差。

具体地，上述测量方法中还可包含搅拌摩擦焊接侧向力的测量方法，采用上述的搅拌摩擦焊接测量装置，包括以下步骤：

选择目标厚度的板材，将其放置于第二限位凹槽内部；

根据材料厚度选择不同的工艺参数，调节螺杆实现工作平台之间的预紧；

进行搅拌摩擦焊接，采集焊接中两侧的压力传感器的信号；

计算焊接过程的侧向力大小，其中，所述侧向力大小为两侧的传感器侧量值之差。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，包括：

工作台，所述工作台包括互相对接的第一板体和第二板体；所述工作台的厚度为10-60mm；

所述工作台上具有至少一个工件限位结构，在所述第一板体和第二板体的对接处；

工作台限位结构，其分别设于所述工作台的两侧；

压力传感器，其设于所述工作台与所述工作台限位结构之间，用于检测搅拌摩擦焊接过程中所述工作台朝向所述工作台限位结构的压力；

其中，所述工件限位结构包括第一限位凹槽和第二限位凹槽，所述第一限位凹槽和所述第二限位凹槽均横跨所述对接处的接缝；所述第一限位凹槽和第二限位凹槽在所述工作台上十字交叉；在测试搅拌摩擦焊接的前进阻力时，将试件置于所述第一限位凹槽内；在测试搅拌摩擦焊接的侧向压力时，将试件置于所述第二限位凹槽内。

2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述工作台限位结构为侧挡板；所述侧挡板分别位于所述第一板体和所述第二板体的外侧。

3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述侧挡板面向所述工作台的方向开设有传感器连接孔，所述压力传感器通过螺杆安装在所述传感器连接孔处。

4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述压力传感器靠近所述工作台的一侧设有与所述螺杆配合的螺母，所述螺母适于调整所述螺杆与所述工作台的抵接预紧。

5.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述第一板体和第二板体之间还设有至少一个卡扣，所述卡扣枢接于所述第一板体和第二板体的一者上，并适于扣接于所述第一板体和第二板体的另一者上。

6.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述工作台的底部设有至少一条导轨，所述导轨沿一侧的侧挡板向另一侧的侧挡板延伸，并与所述第一限位凹槽平行。

7.根据权利要求6所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述导轨为多条，其中，所述导轨之间的间距为30-500mm；所述工作台通过滑块与所述导轨滑动连接，每一导轨上两相邻滑块之间的间距为30-300mm。

8.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接力的测量装置，其特征在于，所述工作台的底部设有若干压力传感器。

9.一种搅拌摩擦焊接前进阻力的测量方法，采用如权利要求5-8任一项所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

选择目标厚度的板材，将其放置于第一限位凹槽内部；锁定所述第一板体和第二板体；

根据材料厚度选择不同的工艺参数，调节螺杆实现工作平台之间的预紧；

进行搅拌摩擦焊接，采集焊接中前进侧的压力传感器的信号；

计算焊接过程的前进阻力大小，其中，所述前进阻力大小为传感器测量数值与所述工作台的受到的摩擦力之差。

10.一种搅拌摩擦焊接侧向力的测量方法，采用如权利要求5-8任一项所述的测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

选择目标厚度的板材，将其放置于第二限位凹槽内部；

根据材料厚度选择不同的工艺参数，调节螺杆实现工作平台之间的预紧；

进行搅拌摩擦焊接，采集焊接中两侧的压力传感器的信号；

计算焊接过程的侧向力大小，其中，所述侧向力大小为两侧的传感器侧量值之差。