CN114939714B - 一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置及方法，其包括上模体和下模体，下模体的上端设置有锥台形的沉槽；上模体的下端设置有插入沉槽内的尖端，尖端的外壁与沉槽的内壁贴合，上模体与下模体之间设置有放置待加工零件的间隙，上模体的中部设置第一搅拌头，沉槽的中部设置有第二搅拌头；第一搅拌头与第一通孔、第二搅拌头与第二通孔均间隙配合；沉槽的侧壁上对称设置有电磁线圈，电磁线圈与供电电路连接。加工方法包括步骤S1‑S7。通过搅拌高速旋转形成焊点的同时在搅拌针周围产生塑性金属，利于脉冲磁场力形成机械锁结构，从而获得良好的连接结构。

Description

一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置及方法

技术领域

本发明涉及锁焊加工技术领域，具体涉及一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置及方法。

背景技术

电磁铆接是利用线圈之间产生的涡流斥力使铆钉发生塑性变形的一种铆接工艺。随着航空制造业、汽车制造业的轻量化发展，铆钉的引入无疑会增加所连接部件的质量和成本，这对于连接结构的轻量化十分不利。因此在板材连接领域亟需一种不需要铆钉的连接技术，可以高强度连接金属板材，并且在连接过程中，易于与对板材成形进行控制，且不产生裂纹等破坏现象。现有技术中在对锁焊结构进行加工的过程中，大多采用超声振动辅助的电磁锁焊装置进行，该装置基本无热源产生，板件的塑形变形困难。并且叠加超声振动辅助成形的效果有限，不能充分的形成理想的机械锁结构。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置及方法，通过搅拌高速旋转形成焊点的同时在搅拌针周围产生塑性金属，利于脉冲磁场力形成机械锁结构，从而获得良好的连接结构。

为了达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置，其包括上模体和下模体，下模体的上端设置有锥台形的沉槽，沉槽为上大下小结构；上模体的下端设置有插入沉槽内的尖端，尖端的外壁与沉槽的内壁贴合，上模体与下模体之间设置有放置待加工零件的间隙，上模体的中部设置第一搅拌头，第一搅拌头穿过上模体的中部开设的第一通孔，沉槽的中部设置有第二搅拌头，第二搅拌头穿过下模体开设的第二通孔伸入沉槽内，且第二搅拌头的端部与下模体的上表面高度平齐；第一搅拌头与第一通孔、第二搅拌头与第二通孔均间隙配合；沉槽的侧壁上对称设置有电磁线圈，电磁线圈与供电电路连接。

进一步地，供电电路包括相互并联的变压器T和电容C，电容C的两端与电磁线圈连接，电容C与电磁线圈之间设置有电阻R、电感L和放电开关，变压器T和电容C之间设置有二极管VD。

进一步地，第一搅拌头的尺寸大于第二搅拌头的尺寸。

进一步地，第二搅拌头和第一搅拌头分别安装在第二旋转装置和第一旋转装置上，第二旋转装置、上模体分别设置在升降装置上，且第二搅拌头和第一搅拌头的旋转方向相反。

进一步地，第二搅拌头和第一搅拌头内均设置有电极，电极通过导线与电源连接，导线通过电刷与第二搅拌头和第一搅拌头连接，电刷安装在第二搅拌头和第一搅拌头连接的表面。

提供一种利用上述电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置的加工方法，其包括以下步骤：

S1：将叠放的两块待加工金属板放置在下模体的上端，使预定加工点位于沉槽的上方，上模体、第一搅拌头和第二搅拌头均接触并挤压金属板；

S2：驱动第二搅拌头和第一搅拌头按照设定的速度V旋转，且第二搅拌头和第一搅拌头的旋转方向相反；

S3：在第一搅拌头和第二搅拌头摩擦挤压作用下，两块金属板之间通过受热作用形成热影响区，热影响区的中心形成焊核，焊核连接两块金属板；

S4：升降装置驱动上模体下降，在上模体挤压的作用下两块金属板产生塑性变形，将热影响区挤入沉槽内，直到热影响区内的金属填充满沉槽；

S5：两块金属板变形的过程中，通过第二搅拌头的顶针作用，形成凸形锁焊结构，凸形锁焊结构内表面为柱形结构；

S6：之后，升降装置驱动第二搅拌头抽出沉槽，上模体上升离开沉槽内，变压器向电容C充满电后，放电开关瞬间闭合，电容C向电磁线圈放电，使电磁线圈中产生瞬态的交变电流流过，产生强交变磁场；

S7：强交变磁场在金属板的表面产生与电磁线圈电流相反的感应电流，感应电流也产生感应磁场，阻止电磁线圈的磁场穿透金属板，电磁线圈与金属板之间产生随时间变化的相互排斥的磁场力，电磁线圈与凸形锁焊结构下端两侧之间产生排斥力，使凸形锁焊结构的下端迅速变形，并向内侧收拢，形成机械锁焊结构。

进一步地，步骤S3包括：

S31：在第一搅拌头和第二搅拌头摩擦挤压作用下，两块金属板之间通过受热作用形成热影响区，热影响区的中心形成焊核；

S32：每隔一段设定时间t，利用热成像相机拍摄金属板的热成像图片；

S33：将照片均分分割成若干子图片，利用照片中每个像素对应的温度值t_n，计算每块子图像所对应的温度值T_n：T_n＝(t₁+t₂+···+t_a)/a，其中，a为每个子图片中包含的像素个数，t_a为每个子图片中每个像素对应的温度值；

S34：找出所有子图片对应的温度值的最大温度值T_nmax，以最大温度值T_nmax对应的子图片的中心作为原点o，原点o即为焊核的中心，在照片所在平面建立坐标系xoy；

S35：根据该金属板形成符合要求的焊核的发热最低温度T₁，将所有子图片对应的温度值T_n与最低温度T₁进行比较，若T_n≥T₁，则判定该子图片区域可以形成焊核，若T_n＜T₁，则判定该子图片区域无法形成焊核；

S36：筛选出可以形成焊核的子图片，标记出可以形成焊核的子图片在坐标系xoy的位置，形成以原点o作为起始点向外围扩散的焊核区域；

S37：将焊核区域最外围的子图片的中心连线，形成封闭的焊核区域图形，并获取焊核区域图形边界上各子图片的中心在坐标系xoy中的坐标，得到计算焊核区域图形面积的坐标组A＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，···，(x_b，y_b)}，其中b为焊核区域图形边界上分布的子图片数量；

S38：利用坐标组A计算焊核区域图形的面积S：

其中i为坐标组A中任意一个坐标；

S39：将面积S与此次加工要求的焊核面积阈值S_阈值进行比较；

若S≥S_阈值，则判定两块金属板之间形成稳定的焊核，满足加工要求，执行步骤S4；

若S＜S_阈值，判定两块金属板之间形成不稳定的焊核，不满足加工要求，增加第一搅拌头和第二搅拌头对两块金属板的挤压力，或增加第一搅拌头和第二搅拌头的旋转速度，再返回步骤S31，促进在两块金属板之间形成满足加工要求的焊核。

本发明的有益效果为：本发明先利用摩擦生热的方式，通过挤压使两块金属板产生塑性变形，形成初步的锁焊结构，然后再利用电磁线圈与金属板之间的相互磁场力形成稳定的锁焊结构。摩擦发热的过程中，在两块金属板之间形成焊核，本发明利用热成像原理对焊核形成的过程进行实时监控，确保焊核形成的面积满足设计要求，并根据监控结果对摩擦的状态进行调整，使得加工精度高，明显提升了锁焊结构的力学性能，连接强度高，易于控制、效率较高、操作简单。

附图说明

图1为电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置。

图2为两块金属板之间形成焊核的结构图。

图3为第一搅拌头和第二搅拌头与电源连接的结构图。

图4为电极的安装结构图。

图5为上模体挤压热成型区的结构图。

图6为电磁线圈挤压的结构图。

图7为电磁线圈的电路结构图。

其中，1、上模体，2、第一搅拌头，3、金属板，4、热影响区，5、下模体，6、电磁线圈，7、沉槽，8、第二搅拌头，9、焊核，10、电刷，11、电极，12、电源。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1至图7所示，本方案的电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置包括上模体1和下模体5，下模体5的上端设置有锥台形的沉槽7，沉槽7为上大下小结构；上模体1的下端设置有插入沉槽7内的尖端，尖端的外壁与沉槽7的内壁贴合，上模体1与下模体5之间设置有放置待加工零件的间隙，上模体1的中部设置第一搅拌头2，第一搅拌头2穿过上模体1的中部开设的第一通孔，沉槽7的中部设置有第二搅拌头8，第二搅拌头8穿过下模体5开设的第二通孔伸入沉槽7内，且第二搅拌头8的端部与下模体5的上表面高度平齐；第一搅拌头2与第一通孔、第二搅拌头8与第二通孔均间隙配合；沉槽7的侧壁上对称设置有电磁线圈6，电磁线圈6与供电电路连接。

供电电路包括相互并联的变压器T和电容C，电容C的两端与电磁线圈6连接，电容C与电磁线圈6之间设置有电阻R、电感L和放电开关，变压器T和电容C之间设置有二极管VD。

第一搅拌头2的尺寸大于第二搅拌头8的尺寸，第二搅拌头8和第一搅拌头2分别安装在第二旋转装置和第一旋转装置上，第二旋转装置、上模体1分别设置在升降装置上，且第二搅拌头8和第一搅拌头2的旋转方向相反。

第二搅拌头8和第一搅拌头2内均设置有电极11，电极11通过导线与电源12连接，导线通过电刷10与第二搅拌头8和第一搅拌头2连接，电刷10安装在第二搅拌头8和第一搅拌头2连接的表面。将两个搅拌头通电，通过电加热促进焊核的形成，防止搅拌头通电磨损。

利用上述电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置的加工方法包括以下步骤：

S1：将叠放的两块待加工金属板3放置在下模体5的上端，使预定加工点位于沉槽7的上方，上模体1、第一搅拌头2和第二搅拌头8均接触并挤压金属板3；

S2：驱动第二搅拌头8和第一搅拌头2按照设定的速度V旋转，且第二搅拌头8和第一搅拌头2的旋转方向相反；

S3：在第一搅拌头2和第二搅拌头8摩擦挤压作用下，两块金属板3之间通过受热作用形成热影响区4，热影响区4的中心形成焊核9，焊核9连接两块金属板3；

步骤S3包括：

S31：在第一搅拌头2和第二搅拌头8摩擦挤压作用下，两块金属板3之间通过受热作用形成热影响区4，热影响区4的中心形成焊核9；

S32：每隔一段设定时间t，利用热成像相机拍摄金属板3的热成像图片；

S33：将照片均分分割成若干子图片，利用照片中每个像素对应的温度值t_n，计算每块子图像所对应的温度值T_n：T_n＝(t₁+t₂+···+t_a)/a，其中，a为每个子图片中包含的像素个数，t_a为每个子图片中每个像素对应的温度值；

S34：找出所有子图片对应的温度值的最大温度值T_nmax，以最大温度值T_nmax对应的子图片的中心作为原点o，原点o即为焊核9的中心，在照片所在平面建立坐标系xoy；

S35：设定该金属板3形成符合要求的焊核9的发热最低温度T₁，将所有子图片对应的温度值T_n与最低温度T₁进行比较，若T_n≥T₁，则判定该子图片区域可以形成焊核9，若T_n＜T₁，则判定该子图片区域无法形成焊核9；

S36：筛选出可以形成焊核9的子图片，标记出可以形成焊核9的子图片在坐标系xoy的位置，形成以原点o作为起始点向外围扩散的焊核9区域；

S37：将焊核9区域最外围的子图片的中心连线，形成封闭的焊核9区域图形，并获取焊核9区域图形边界上各子图片的中心在坐标系xoy中的坐标，得到计算焊核9区域图形面积的坐标组A＝{(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，···，(x_b，y_b)}，其中b为焊核9区域图形边界上分布的子图片数量；

S38：利用坐标组A计算焊核9区域图形的面积S：

其中i为坐标组A中任意一个坐标；

S39：将面积S与此次加工要求的焊核9面积阈值S_阈值进行比较；

若S≥S_阈值，则判定两块金属板3之间形成稳定的焊核9，满足加工要求，执行步骤S4；

若S＜S_阈值，判定两块金属板3之间形成不稳定的焊核9，不满足加工要求，增加第一搅拌头2和第二搅拌头8对两块金属板3的挤压力，或增加第一搅拌头2和第二搅拌头8的旋转速度，再返回步骤S31，促进在两块金属板3之间形成满足加工要求的焊核9。

S4：升降装置驱动上模体1下降，在上模体1挤压的作用下两块金属板3产生塑性变形，将热影响区4挤入沉槽7内，直到热影响区4内的金属填充满沉槽7；

S5：两块金属板3变形的过程中，通过第二搅拌头8的顶针作用，形成凸形锁焊结构，凸形锁焊结构内表面为柱形结构；

S6：之后，升降装置驱动第二搅拌头8抽出沉槽7，上模体1上升离开沉槽7内，变压器向电容C充满电后，放电开关瞬间闭合，电容C向电磁线圈6放电，使电磁线圈6中产生瞬态的交变电流流过，产生强交变磁场；

S7：强交变磁场在金属板3的表面产生与电磁线圈6电流相反的感应电流，感应电流也产生感应磁场，阻止电磁线圈6的磁场穿透金属板3，电磁线圈6与金属板3之间产生随时间变化的相互排斥的磁场力，电磁线圈6与凸形锁焊结构下端两侧之间产生排斥力，使凸形锁焊结构的下端迅速变形，并向内侧收拢，形成机械锁焊结构。

本发明先利用摩擦生热的方式，通过挤压使两块金属板3产生塑性变形，形成初步的锁焊结构，然后再利用电磁线圈6与金属板3之间的相互磁场力形成稳定的锁焊结构。摩擦发热的过程中，在两块金属板3之间形成焊核9，本发明利用热成像原理对焊核9形成的过程进行实时监控，确保焊核9形成的面积满足设计要求，并根据监控结果对摩擦的状态进行调整，使得加工精度高，明显提升了锁焊结构的力学性能，连接强度高，易于控制、效率较高、操作简单。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置的加工方法，所述电磁脉冲辅助搅拌摩擦锁焊加工装置包括上模体和下模体，所述下模体的上端设置有锥台形的沉槽，所述沉槽为上大下小结构；所述上模体的下端设置有插入沉槽内的尖端，所述尖端的外壁与沉槽的内壁贴合，所述上模体与下模体之间设置有放置待加工零件的间隙，所述上模体的中部设置第一搅拌头，所述第一搅拌头穿过上模体的中部开设的第一通孔，所述沉槽的中部设置有第二搅拌头，所述第二搅拌头穿过下模体开设的第二通孔伸入沉槽内，且第二搅拌头的端部与下模体的上表面高度平齐；所述第一搅拌头与第一通孔、第二搅拌头与第二通孔均间隙配合；所述沉槽的侧壁上对称设置有电磁线圈，所述电磁线圈与供电电路连接；

所述供电电路包括相互并联的变压器T和电容C，所述电容C的两端与电磁线圈连接，所述电容C与电磁线圈之间设置有电阻R、电感L和放电开关，所述变压器T和电容C之间设置有二极管VD；

所述第一搅拌头的尺寸大于第二搅拌头的尺寸；

所述第二搅拌头和第一搅拌头分别安装在第二旋转装置和第一旋转装置上，所述第二旋转装置、上模体分别设置在升降装置上，且第二搅拌头和第一搅拌头的旋转方向相反；

所述第二搅拌头和第一搅拌头内均设置有电极，所述电极通过导线与电源连接，所述导线通过电刷与第二搅拌头和第一搅拌头连接，所述电刷安装在第二搅拌头和第一搅拌头连接的表面；

其特征在于，包括以下步骤：

S1：将叠放的两块待加工金属板放置在下模体的上端，使预定加工点位于沉槽的上方，上模体、第一搅拌头和第二搅拌头均接触并挤压金属板；

S2：驱动第二搅拌头和第一搅拌头按照设定的速度V旋转，且第二搅拌头和第一搅拌头的旋转方向相反；

S3：在第一搅拌头和第二搅拌头摩擦挤压作用下，两块金属板之间通过受热作用形成热影响区，热影响区的中心形成焊核，焊核连接两块金属板；

所述步骤S3包括：

S31：在第一搅拌头和第二搅拌头摩擦挤压作用下，两块金属板之间通过受热作用形成热影响区，热影响区的中心形成焊核；

S32：每隔一段设定时间t，利用热成像相机拍摄金属板的热成像图片；

S33：将照片均分分割成若干子图片，利用照片中每个像素对应的温度值t_n，计算每块子图像所对应的温度值T_n：T_n=（t₁+t₂+···+t_a）/a，其中，a为每个子图片中包含的像素个数，t_a为每个子图片中每个像素对应的温度值；

S34：找出所有子图片对应的温度值的最大温度值T_n max，以最大温度值T_n max对应的子图片的中心作为原点o，原点o即为焊核的中心，在照片所在平面建立坐标系xoy；

S35：根据该金属板形成符合要求的焊核的发热最低温度T₁，将所有子图片对应的温度值T_n与最低温度T₁进行比较，若T_n≥T₁，则判定该子图片区域可以形成焊核，若T_n＜T₁，则判定该子图片区域无法形成焊核；

S36：筛选出可以形成焊核的子图片，标记出可以形成焊核的子图片在坐标系xoy的位置，形成以原点o作为起始点向外围扩散的焊核区域；

S37：将焊核区域最外围的子图片的中心连线，形成封闭的焊核区域图形，并获取焊核区域图形边界上各子图片的中心在坐标系xoy中的坐标，得到计算焊核区域图形面积的坐标组A={（x ₁，y ₁），（x ₂，y ₂），···，（x _b ，y _b ）}，其中b为焊核区域图形边界上分布的子图片数量；

S38：利用坐标组A计算焊核区域图形的面积S：，其中i为坐标组A中任意一个坐标；

S39：将面积S与此次加工要求的焊核面积阈值S _阈值进行比较；

若S≥S _阈值，则判定两块金属板之间形成稳定的焊核，满足加工要求，执行步骤S4；

若S＜S _阈值，判定两块金属板之间形成不稳定的焊核，不满足加工要求，增加第一搅拌头和第二搅拌头对两块金属板的挤压力，或增加第一搅拌头和第二搅拌头的旋转速度，再返回步骤S31，促进在两块金属板之间形成满足加工要求的焊核；

S4：升降装置驱动上模体下降，在上模体挤压的作用下两块金属板产生塑性变形，将热影响区挤入沉槽内，直到热影响区内的金属填充满沉槽；

S5：两块金属板变形的过程中，通过第二搅拌头的顶针作用，形成凸形锁焊结构，凸形锁焊结构内表面为柱形结构；

S6：之后，升降装置驱动第二搅拌头抽出沉槽，上模体上升离开沉槽内，变压器向电容C充满电后，放电开关瞬间闭合，电容C向电磁线圈放电，使电磁线圈中产生瞬态的交变电流流过，产生强交变磁场；

S7：强交变磁场在金属板的表面产生与电磁线圈电流相反的感应电流，感应电流也产生感应磁场，阻止电磁线圈的磁场穿透金属板，电磁线圈与金属板之间产生随时间变化的相互排斥的磁场力，电磁线圈与凸形锁焊结构下端两侧之间产生排斥力，使凸形锁焊结构的下端迅速变形，并向内侧收拢，形成机械锁焊结构。

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