CN114211759B - 一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法：包括控制中心，监测与反馈系统，感应焊接系统，线圈位置调节系统，线圈姿态调节系统。其中，控制中心用来根据输入和监测信息给出命令，监测反馈系统用于实时测量连接件表面温度场分布并反馈给控制中心；线圈位置调节系统用于实时调节多线圈空间分布；线圈姿态调节系统用于实时控制多线圈位姿状态。本发明可以实现实时热场监测下目标交变耦合磁场在数量、强度、空间位置及自身姿态的自适应动态调控，获得焊接过程较大范围内温度场的均匀分布；显著抑制接头界面缺陷，减小焊接构件变形，提升焊接过程稳定性和连接接头质量，大大提高焊接效率；本发明可以实现大尺寸复杂曲面的热塑复合材料件的高质高效焊接。

Description

一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法

领域：

本发明属于激光连接领域，特别涉及一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置及方法。

背景技术：

热塑复合材料具有可焊性、可修复、比强度高、冲击韧性好和耐腐蚀性能佳等优越性质，在先进航空航天飞行器制造领域有广泛的应用前景。相比于传统的热固复合材料，热塑复合材料具有成形周期短，可修复和可回收等重要优势，已经成为飞行器制造领域的重要发展方向。热塑复合材料的高效高质连接是实现飞行器轻量化、高性能和高可靠的重要保障。目前，热塑复合材料的连接技术主要有电阻焊接、感应焊接和搅拌摩擦连接。感应焊接是指利用交变电流产生的交变磁场，在热塑复合材料件中间的感应元件内部产生感应电流，进而产热熔化树脂基体，在压力的作用下最终实现复合材料构件的紧密连接。感应焊接技术是一种极为适合连接热塑复合材料的方法，具有效率高，精度高，易于实现自动化和非接触等优点，在飞行器复合材料构件制造领域有广阔的应用前景。此外，由于热塑性复合材料的热塑基体对温度具有敏感性，并且其熔点和热分解温度相对较低，过高的温度易导致基体树脂发生分解，在连接接头内部产生缺陷继而影响接头性能。由此，控制感应焊接过程的温度处于目标调控状态是实现热塑复合材料高质量感应焊接构件的重要保障。

受到实际工艺过程中感应元件形状及磁热效应的限制，感应焊接过程产生的极不均匀的交变磁场导致了目标焊接面上热量不均匀分布。同时，热塑复合材料的热分解温度低，过高的温度会降低接头性能，由此使得常规热塑复合材料感应焊接产热区域难以扩大，往往只局限于小区域定点焊接。当下，先进飞行器结构的飞速发展对大尺寸复杂曲面热塑复合材料构件的制造提出了迫切需求。然而现有热塑复合材料感应焊接设备产热不均匀，可焊接区域小，难以适应热塑复合材料制造设计尺寸日益增大的发展趋势。此外，对于应用愈来愈广泛的复杂曲面热塑复合材料构件，现有感应焊接设备无法实现焊接。由此，现有感应焊接设备和方法产热区域小、产热极不均匀且不能适应复杂曲面的连接，其局限性极大程度上限制了热塑复合材料在飞行器制造领域的发展，尤其对于大尺寸复杂曲面的热塑复合材料构件，现有感应焊接设备无法实现连接。

发明内容：

针对现有技术存在的需求及问题，本发明提供一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，可依据输入的温度阈值、构件形状尺寸、感应焊接参数及温度场分布特征，结合实时测量温度分布特征，自适应动态调节多个盘式感应线圈在空间位置分布特征及自身姿态上的分布特征，同时动态调整感应焊接电流。实现目标交变耦合磁场在数量、强度、空间分布及耦合形式上的高度柔性化自适应调节。本发明首先扩大了感应焊接产热区域，大大提高了感应焊接效率；其次，实现了较大尺寸范围内温度场的均匀化实时调控，使得焊接界面树脂充分熔化并不发生热分解，降低连接界面未熔合和气孔缺陷，减小焊后构件变形，并显著提升焊接过程稳定性及焊接接头质量。此外，该方法和装置通过调整线圈位置和姿态，对复杂曲面热塑复合材料构件的连接有极好的适应性。最终实现较大尺寸复杂曲面的热塑复合材料件的高质高效感应焊接，这些都是传统感应焊接设备所难以实现的。

本发明通过下述技术方案实现：一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，包括控制中心，监测与反馈系统，感应焊接系统，线圈位置调节系统，线圈姿态调节系统；

其整体结构特征为中心控制器连接三个水平方向夹角120°的水平伸缩杆，同时中心控制器底部连接有垂直伸缩杆，每个水平伸缩杆另一端部连接弧形框架，每个弧形框架内部有弧状导轨和可沿导轨滑动的滑动式副控制器，弧形框架顶部存在弧形通孔，用于主固定螺栓对滑动式副控制器进行固定，每个滑动式副控制器下部连接一垂直伸缩杆，每个垂直伸缩杆固定段外侧附有线圈姿态调整器，每个线圈姿态调整器又连接有两个斜伸缩杆，一个垂直伸缩杆和两个斜伸缩杆通过球笼型连接器连接感应线圈架，感应线圈架内部中心有盘式感应线圈，感应线圈架为扁圆柱形，感应线圈架底部外侧附有温度测量仪，实现对多个区域温度的实时监测，侧部有通孔用于取出和放置盘式感应线圈，通过加入或取出盘式感应线圈，可以改变交变磁场的耦合数量，装置中主固定螺栓、感应线圈架、副固定螺栓、主球笼型连接器、副球笼型连接器都由云母片或环氧树脂等在交变磁场中难以产生感应电流的材料制成，以避免高频交变磁场对这些构件的影响；

控制中心根据输入焊接工艺参数、温度阈值、构件形状尺寸及温度场分布类型，其中温度场分布类型主要有近似等边三角形，等腰三角形，近似直角三角形和近似圆环形等。结合实时温度测量仪测得温度分布特征，对感应焊机、中心控制器、滑动式副控制器和线圈姿态调节器进行控制；

监测与反馈系统将温度测量仪测得多个区域的温度分布数据传输给控制中心，控制中心结合预先输入的温度阈、感应焊接工艺参数等做出决策，对中心控制器、滑动式副控制器和线圈姿态调节器进行控制；

感应焊接系统包括盘式感应线圈、接电器和感应焊机，盘式感应线圈通过接电器和感应焊机相连，控制中心根据预先输入的温度阈值、感应焊接参数以及实际测得温度数值控制感应焊机，自适应调整感应焊接电流，来实现焊接过程温度场的动态调控。

线圈位置调节系统包括中心控制器，水平伸缩杆、弧形框架、主固定螺栓、滑动式副控制器和垂直伸缩杆，中心控制器根据控制中心命令调节水平伸缩杆伸缩长度，滑动式副控制器根据控制中心命令调节垂直伸缩杆长度，最终实现三个呈一定水平夹角的盘式感应线圈和中心处的盘式感应线圈在空间位置上自适应实时调节；

所述线圈姿态调节系统包括线圈姿态调整器、斜伸缩杆、主球笼型连接器、副球笼型连接器和副固定螺栓，线圈姿态调整器根据控制中心命令调节两根斜伸缩杆伸缩长度，盘式感应线圈通过副固定螺栓固定在感应线圈架内部，最终实现多个盘式感应线圈姿态的自适应实时调节。

基于通过输入温度阈值、感应焊接参数、焊接面形状尺寸及温度场分布类型，结合实际测得温度分布数据，控制中心调控中心控制器、滑动式副控制器、感应焊机和线圈姿态调整器，从而动态调节感应焊接电机、水平伸缩杆、垂直伸缩杆以及斜伸缩杆的伸缩长度，不仅使得感应焊接电流发生动态变化，同时也使得多个盘式感应线圈在空间位置和自身姿态上的自适应改变，温度场分布类型可以通过改变盘式感应线圈的数量和位置来进行调节，主要有近似等边三角形，等腰三角形，近似直角三角形和近似圆环形。

附图说明：

图1是一种用于热塑性复合材料的多线圈感应焊接装置的整体结构示意图；

图1中编号表示：1-控制中心；2-感应焊机；3-中心控制器；4-水平伸缩杆；5-弧形框架；6-垂直伸缩杆；7-主球笼型连接器；8-感应线圈架；9-线圈姿态调整器；10-斜伸缩杆；11-副固定螺栓；12-主固定螺栓；

图2是用于感应线圈姿态调整的结构示意图。

图2中编号表示：13-滑动式副控制器；14-副球笼型连接器；15-盘式感应线圈；16-温度测量仪；

图3是感应线圈架结构的俯视图；

图3中编号表示：17-接电器；

图4是感应线圈架结构的仰视图；

图5是一种用于热塑性复合材料的多线圈感应焊接方法流程图。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进一步具体详细描述。

实施例

如图1所示。本发明公开了一种用于热塑性复合材料的多线圈感应焊接装置，包括控制中心，监测与反馈系统，感应焊接系统，线圈位置调节系统，线圈姿态调节系统；整体结构特征为中心控制器1连接三个水平方向夹角120°的水平伸缩杆4，同时中心控制器底部连接有垂直伸缩杆6，每个水平伸缩杆4另一端部连接弧形框架5，每个弧形框架5内部有弧状导轨和可沿导轨滑动的滑动式副控制器13，弧形框架5顶部存在弧形通孔，用于主固定螺栓12对滑动式副控制器13进行固定，每个滑动式副控制器13下部连接一垂直伸缩杆6，每个垂直伸缩杆6固定段外侧附有线圈姿态调整器9，每个线圈姿态调整器9又连接有两个斜伸缩杆10，一个垂直伸缩杆6和两个斜伸缩杆10通过球笼型连接器7、14连接感应线圈架8，感应线圈架8内部中心有盘式感应线圈15，感应线圈架8为扁圆柱形，感应线圈架8底部外侧附有温度测量仪16，实现对多个区域温度的实时监测，侧部有通孔用于取出和放置盘式感应线圈15，通过加入或取出盘式感应线圈15，可以改变交变磁场的耦合数量，装置中主固定螺栓12、感应线圈架8、副固定螺栓11、主球笼型连接器7、副球笼型连接器14都由云母片或环氧树脂等在交变磁场中难以产生感应电流的材料制成，以避免高频交变磁场对这些构件的影响；

控制中心1根据输入焊接工艺参数、温度阈值、构件形状尺寸及温度场分布特征，结合实时温度测量仪16测得温度分布特征，对感应焊机2、中心控制器3、滑动式副控制器13和线圈姿态调节器9进行控制，其中输入的温度场特征主要有近似等边三角形，等腰三角形，近似直角三角形和近似圆环形等；

监测与反馈系统将温度测量仪16测得多个区域的温度分布数据传输给控制中心1，控制中心1结合预先输入的温度阈、感应焊接工艺参数等做出决策，对中心控制器3、滑动式副控制器13和线圈姿态调节器9进行控制；

感应焊接系统包括盘式感应线圈15、接电器17和感应焊机2，盘式感应线圈15通过接电器17和感应焊机2相连，控制中心1根据预先输入的温度阈值、感应焊接参数以及实际测得温度数值控制感应焊机2，自适应调整感应焊接电流，来实现焊接过程温度场的动态调控。

线圈位置调节系统包括中心控制器3，水平伸缩杆4、弧形框架5、主固定螺栓12、滑动式副控制器13和垂直伸缩杆6，中心控制器3根据控制中心1命令调节水平伸缩杆4伸缩长度，滑动式副控制器13根据控制中心1命令调节垂直伸缩杆6长度，最终实现三个呈一定水平夹角的盘式感应线圈15和中心处的盘式感应线圈15在空间位置上自适应实时调节；

线圈姿态调节系统包括线圈姿态调整器9、斜伸缩杆10、主球笼型连接器7、副球笼型连接器14和副固定螺栓11，线圈姿态调整器9根据控制中心1命令调节两根斜伸缩杆10伸缩长度，盘式感应线圈15通过副固定螺栓11固定在感应线圈架8内部，最终实现多个盘式感应线圈15姿态的自适应实时调节。

基于通过输入温度阈值、感应焊接参数、焊接面形状尺寸及温度场分布类型，结合实际测得温度分布数据，控制中心1调控中心控制器3、滑动式副控制器13、感应焊机2和线圈姿态调整器9，从而动态调节水平伸缩杆4、垂直伸缩杆6以及斜伸缩杆10的伸缩长度，不仅使得感应焊接电流发生动态变化，同时也使得多个盘式感应线圈15在空间位置和自身姿态上的自适应改变，温度场分布类型可以通过改变盘式感应线圈15的数量和位置来进行调节，主要有近似等边三角形，等腰三角形，近似直角三角形和近似圆环形。

一种用于热塑性复合材料的多线圈感应焊接装置的方法，包括如下步骤：

一种使用权利要求1所述的热塑复合材料的多线圈感应焊接装置的方法，主要包括以下步骤：

步骤一：预先将设定初始电流频率200kHz，输入电流15A，焊接电流40s输入至控制中心内，将热塑复合材料构件焊接面三维模型输入至控制中心，模型长宽高为2000×100×20mm³。焊接件材料为T700碳纤维增强聚醚醚酮(PEEK)复合材料，设定温度为343-450℃内。设定温度场分布为近似等边三角形。

步骤二：将四个盘式感应线圈从侧部通孔放入感应线圈架内部并采用副固定螺栓固定盘式感应线圈，同时采用主固定螺栓将三个滑动式副控制器固定在弧形滑轨的1/2处。

步骤三：开始感应焊接，温度测量仪实时测量多个区域温度分布，并将实时温度区域传输至控制中心，控制中心依据预先输入的参数，调控感应焊机、中心控制器、滑动式副控制器和线圈姿态控制器，进而实现调节感应焊接电流、水平伸缩杆、垂直伸缩杆和斜伸缩杆的状态，从而实现四个盘式感应线圈自适应调节空间位置和自身姿态，从而实现对复杂曲面的适应及对较大范围内焊接面温度的动态控制，使得焊接面温度分布均匀并且始终处于所控制的温度范围内，进而实现焊接树脂熔化充分并且不发生热分解，避免了气孔和未熔合缺陷的产生，提升了连接接头质量，降低了构件整体变形，提升了连接过程工艺稳定性，最终使得大尺寸复杂曲面热塑复合材料的高质量高效率感应焊接。

步骤四：最终完成感应焊接过程，拆卸装置。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，其特征在于：包括控制中心，监测与反馈系统，感应焊接系统，线圈位置调节系统，线圈姿态调节系统；

所述一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，其整体结构特征为中心控制器连接三个水平方向夹角120°的水平伸缩杆，同时中心控制器底部连接有垂直伸缩杆，每个水平伸缩杆另一端部连接弧形框架，每个弧形框架内部有弧状导轨和沿导轨滑动的滑动式副控制器，弧形框架顶部存在弧形通孔，用于主固定螺栓对滑动式副控制器进行固定，每个滑动式副控制器下部连接一垂直伸缩杆，每个垂直伸缩杆固定段外侧附有线圈姿态调整器；每个线圈姿态调整器又连接有两个斜伸缩杆，一个垂直伸缩杆和两个斜伸缩杆通过球笼型连接器连接感应线圈架，通过调整斜伸缩杆长度来实现感应线圈架倾转角度的变化，感应线圈架内部中心有盘式感应线圈，盘式感应线圈通过五个副固定螺栓进行固定，感应线圈架为扁圆柱形，感应线圈架底部外侧附有温度测量仪，实现对多个区域温度的实时监测，侧部有通孔用于取出和放置盘式感应线圈，通过加入或取出盘式感应线圈，实现改变交变磁场的耦合数量；

所述控制中心根据输入温度阈值、感应焊接参数、焊接面形状尺寸及温度场分布类型，结合实时温度测量仪测得温度分布特征，对感应焊机、中心控制器、滑动式副控制器和线圈姿态调节器进行控制；所述监测与反馈系统将温度测量仪测得的多个区域的温度分布数据传输给控制中心；所述感应焊接系统包括盘式感应线圈、接电器和感应焊机，盘式感应线圈通过接电器和感应焊机相连；所述线圈位置调节系统包括中心控制器，水平伸缩杆、弧形框架、主固定螺栓、滑动式副控制器和垂直伸缩杆，中心控制器根据控制中心命令调节水平伸缩杆伸缩长度，滑动式副控制器根据控制中心命令调节垂直伸缩杆长度，最终实现三个呈一定水平夹角的盘式感应线圈和中心处的盘式感应线圈在空间位置上自适应实时调节；所述线圈姿态调节系统包括线圈姿态调整器、斜伸缩杆、主球笼型连接器、副球笼型连接器和副固定螺栓，线圈姿态调整器根据控制中心命令调节两根斜伸缩杆伸缩长度，盘式感应线圈通过副固定螺栓固定在感应线圈架内部，最终实现多个盘式感应线圈姿态的自适应实时调节。

2.根据权利要求1所述的一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，其特征在于，基于通过输入温度阈值、感应焊接参数、焊接面形状尺寸及温度场分布类型，结合实际测得温度分布数据，控制中心调控中心控制器、滑动式副控制器、感应焊机和线圈姿态调整器，从而动态调节感应焊接电机、水平伸缩杆、垂直伸缩杆以及斜伸缩杆的伸缩长度，不仅使得感应焊接工艺参数发生动态变化，同时也使得多个盘式感应线圈在空间位置和自身姿态上的完成自适应改变，温度场分布类型通过改变盘式感应线圈的数量和位置来进行调节，包括近似等边三角形，等腰三角形，近似直角三角形和近似圆环形。

3.根据权利要求1所述的一种用于热塑复合材料的多线圈感应焊接装置，其特征在于，主固定螺栓、感应线圈架、副固定螺栓、主球笼型连接器、副球笼型连接器都由在交变磁场中难以产生感应生热的材料制成，所述材料包括云母片、环氧树脂，以避免高频交变磁场对这些构件产生影响。

4.一种使用权利要求1所述的热塑复合材料的多线圈感应焊接装置的方法，包括以下步骤：

步骤一：预先将设定好的感应焊接参数，温度阈值、构件的形状尺寸、目标磁场分布及目标温度分布特征输入控制中心；

步骤二：对热塑复合材料件进行装夹，依据预先设定的交变耦合磁场形态，采用主固定螺栓将滑动式副控制器固定在弧形框架内的设定位置，同时依据目标设定温度场分布形态，使用副固定螺栓将特定数量的盘式线圈固定在感应线圈架内部；

步骤三：开展感应焊接，控制中心根据预先输入参数及温度测量仪测得实时温度分布，协同调整中心控制器、滑动式副控制器以及线圈姿态调节器，实现多个盘式感应线圈在空间上和自身姿态上的自适应动态调节；

步骤四：完成感应焊接过程，拆卸装置。

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