CN208443506U - 一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置 - Google Patents

Abstract

本新型涉及一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力的测量装置，用于解决现有摩擦界面局部动态正压力难以直接测量的技术问题。技术方案是将移动端焊接试样3与传感器8通过紧固螺钉2、固定销7与传感器基座1固定为一体，在移动端工件摩擦表面安装细小直径的力采样触头5，采集触头端面的作用力。触头将采集到的力，通过穿过工件的“传力杆4”传递到“力传感器8”，实现力的采集。取该力在采样触头端面面积上的平均值，作为界面该处的正压力。通过实时采集处理，可获得该点的正压力随时间的演变。通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的压力分布及其演变数据的采集，解决了摩擦界面局部动态正压力的直接测量问题。

Description

一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置

技术领域

本发明属于材料加工过程参数测量领域，特别涉及一种界面动态正压力测量方法，特别是一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量方法。

背景技术

摩擦焊工艺参数主要有旋转速度和正压力，其中摩擦界面正压力通常以轴向顶锻力在界面上的平均分布来表征。然而，研究表明，这种“平均”处理的正压力，对焊接质量的控制支撑有限。事实表明，界面正压力首先不均匀，其次也不是恒定的。这种正压力及其分布、演变过程是摩擦焊接头成形的一个重要影响因素，关系到研究结果的准确性，和摩擦焊技术的可靠性。然而，高技术产业对摩擦质量和服役可靠性提出了更高的要求。由于摩擦界面正压力直接测量难度大，在以往的研究中，通过设计工装仅仅采集得到整个摩擦界面在焊接过程中正压力变化的统计平均规律；对于正压力在焊接界面上的分布则借用镦粗过程中界面压力的分布规律，这是一个妥协，也对摩擦焊的接头可靠性提出了挑战。

文献“Moneim M E A,Serag S M,Nasser A A,et al.Axial force measurementsfor the friction welding of aluminium tubes.Wear,1983,85(3):339-346.”通过改装试样的夹持装置，在试样移动端末端加装了压力传感器的方法得到了摩擦焊过程中试样末端正压力的演变规律，一定程度上可以表征摩擦焊过程中整体正压力的演变。此方法的局限在于没有对焊接过程中摩擦界面的正压力进行直接测量，得到的正压力是摩擦界面压力在实际工况条件下在试样末端的响应。在试样末端用传感器测量得到的正压力可能会受侧壁夹具的影响而有所误差。而且也不能得到界面局部的正压力及正压力的分布结果。

专利“田凤杰,安宏伟,李小龙,吕冲.用于搅拌摩擦焊的压力和扭矩在线实时测量装置.辽宁：CN107138848A,2017-09-08.”通过在搅拌摩擦焊刀柄上设置传感器的方式得到搅拌摩擦焊过程中界面整体压力的变化情况，一定程度上可以表征搅拌摩擦焊过程中摩擦界面整体正压力的演变情况。此方法的局限在于没有对摩擦界面的正压力进行直接测量，得到的正压力是焊接界面整体的压力统计结果，而且也不能得到界面局部的正压力及正压力的分布结果。

发明内容

本发明解决的技术问题是：旋转摩擦焊过程中，摩擦界面局部动态正压力无法直接测量的技术问题。

本发明的技术方案是：一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置，包括传感器基座、移动端焊接试样、传力杆、力采样触头和力传感器；所述移动端焊接试样为预制通孔的圆柱体，且通孔轴线与移动端焊接试样轴线平行；力采样触头位于通孔内且力采样触头的触头与传力杆接触；传力杆一端伸入通孔内并与力采样触头接触，另一端与力传感器接触；力传感器位于传感器基座内，通过固定组件将传感器基座与移动端焊接试样固定，使得力传感器、传力杆和力采样触头相互顶住；力采样触头接触外部旋转端焊接试样端面上的某一点后进行摩擦界面正压力的采样，通过传力杆将力传至力传感器，实现力采样触头接触的该点的正压力的采集。

本发明的进一步技术方案是：所述力传感器、传力杆和力采样触头借助固定组件及焊接过程中的预顶过程，使得测量时不产生错位。

本发明的进一步技术方案是：所述固定组件为螺钉螺母。

本发明的进一步技术方案是：一次测量过程可得到摩擦界面一处正压力随时间的演变；通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的正压力演变数据的采集。

本发明的进一步技术方案是：所述移动端焊接试样上开有的通孔，孔的直径大小根据传力杆的外径及采样触头的外径进行加工。

发明效果

本发明的技术效果在于：本装置获得了旋转摩擦焊过程中摩擦界面不同位置处动态正压力的分布与演变情况。通过将移动端焊接试样与传感器通过工装固定为一体，一起随着工作台运动，实现摩擦界面局部动态正压力的实时采集。通过在移动端工件摩擦表面安装一定细小直径(约为试样直径的1/10左右)的力采样触头采集焊接过程中摩擦界面的正压力。利用固定工装、力采样触头、力传递杆与通孔的间隙配合消除径向剪切力的影响。触头将采集到的力通过穿过工件的“传力杆”传递到“力传感器”，实现力的采集。取该力在采样触头端面面积上的平均值，作为界面该处的正压力。通过摩擦焊过程中的实时采集处理，可获得该点的正压力随时间的演变。通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的压力分布及其演变数据的采集。

附图说明

图1是本实用新型装置测量正压力的安装示意图。

图2是本实用新型采集到的不同焊接转速下，旋转摩擦焊过程中试样不同区域摩擦界面动态正压力随焊接时间的演变数据。图(a)、(b)、(c)分别为焊接压力80MPa，焊接转速500rpm，900rpm和1500rpm所采集到的摩擦界面正压力演变规律。

图3是本实用新型采集到的不同焊接压力下，旋转摩擦焊过程中试样不同区域摩擦界面动态正压力数据。图(a)、(b)、(c)分别为焊接转速900rpm，焊接压力60MPa、 80MPa、100MPa下所采集到的摩擦界面正压力演变规律。

图4是本实用新型采集到的不同焊接转速下，旋转摩擦焊过程中试样不同区域摩擦界面动态正压力随焊接时间的分布数据。图(a)-(b)、(c)-(d)、(e)-(f)分别为焊接压力80MPa，焊接转速500rpm，900rpm和1500rpm所采集到的摩擦界面正压力分布规律。

图5是本实用新型采集到的不同焊接压力下，旋转摩擦焊过程中试样不同区域摩擦界面动态正压力随焊接时间的分布数据。图(a)-(b)、(c)-(d)、(e)-(f)分别为焊接转速900rpm，焊接压力60MPa、80MPa、100MPa下所采集到的摩擦界面正压力分布规律。

图中，1-传感器基座，2-紧固螺钉，3-移动端焊接试样，4-传力杆，5-力采集触头，6-旋转端焊接试样，7-固定销，8-力传感器，9-紧固螺钉。

具体实施方式

参见图1-图5，为实现对摩擦界面动态正压力的直接测量，本新型公开一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力直接测量装置。一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力直接测量装置，是将压力传感器与移动端焊接试样固定为一体，实现焊接过程中摩擦界面正压力的实施测量。装置由传感器基座1、紧固螺钉2、移动端焊接试样3、传力杆4、力采样触头5、固定销7、压力传感器8、紧固螺钉9组成。

将移动端焊接试样3与传感器8通过紧固螺钉2、固定销7与传感器基座1固定为一体，在移动端工件通孔中安装一定细小直径(约为试样直径的1/10左右)的力采样触头5，贴合摩擦表面，继而放入传力杆，采集焊接过程中摩擦界面的正压力。触头将采集到的力继续通过穿过工件的“传力杆4”传递到“力传感器8”，实现力的采集。取该力在采样触头端面面积上的平均值，作为界面该处的正压力。利用传感器基座1、紧固螺钉2、固定销7的固定作用以及力采样触头5、力传递杆4与通孔的间隙配合消除径向剪切力的影响。通过摩擦焊过程中的实时采集处理，可获得该点的正压力随时间的演变。通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的压力分布及其演变数据的采集。

将移动端焊接试样与传感器通过工装固定为一体，通过在移动端工件通孔中安装一定细小直径(约为试样直径的1/10左右)的力采样触头，贴合摩擦表面，继而放入传力杆，采集焊接过程中摩擦界面的正压力。利用固定工装、力采样触头、传力杆与通孔的间隙配合消除径向剪切力的影响。触头将采集到的力通过穿过工件的“传力杆”传递到“力传感器”，实现力的采集。取该力在采样触头端面面积上的平均值，作为界面该处的正压力。通过摩擦焊过程中的实时采集处理，可获得该点的正压力随时间的演变。通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的压力分布及其演变数据的采集。

采用本装置进行的一种旋转摩擦焊过程中摩擦界面局部动态正压力测量方法，特点是采用以下步骤：

步骤一、焊接试样与传感器的安装固定。将力采集触头5与传力杆4安放进预制了不同直径通孔结构的移动端焊接试样中。通过固定销7将移动端焊接试样固定在传感器基座1中。利用紧固螺钉9将传感器8固定在传感器基座1中，并与传力杆4保持紧密接触，并将传感器连接至数据采集系统。最后，上紧紧固螺钉2。焊接试样与传感器由此固定为一体。

步骤二、焊接实验与界面正压力的采集。将固定为一体的焊接试样与传感器放置在焊机的移动端，根据不锈钢摩擦焊接工艺规范，设定常用的焊接参数进行焊接，这里分别选取焊接转速为500rpm/min，900rpm/min，1500rpm/min；焊接压力分别为 60MPa，80MPa，100MPa。

在焊接过程即将开始时开始采集摩擦界面正压力数据，通过与焊接时间对照，即可获得该点的正压力随时间的演变。

步骤三、一次测量过程可得到摩擦界面一处正压力随时间的演变；通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的正压力演变数据的采集。对不同区域采集得到的数据随时间分析，可以获得整个摩擦界面压力随时间分布的数据。利用固定工装、力采样触头、传力杆与通孔的间隙配合消除径向剪切力的影响，获得旋转摩擦焊过程中摩擦界面局部动态正压力的分布与演变规律。

步骤1、焊接试样与传感器的安装固定。

将力采集触头5与传力杆4安放进预制了不同直径通孔结构的移动端焊接试样中。通过固定销7将移动端焊接试样3固定在传感器基座1中。利用紧固螺钉9将传感器 8固定在传感器基座1中，并与传力杆4保持紧密接触，传感器8同时连接外部数据采集系统。最后，上紧紧固螺钉2。焊接试样与传感器由此固定为一体。

步骤2、在旋转端焊接试样的端面同一点上，不同焊接转速和焊接压力下的焊接实验与摩擦界面正压力的采集，包括以下子步骤：

子步骤1：将步骤1中固定为一体的移动端焊接试样与传感器放置在焊机的移动端，设定不同焊接压力和不同焊接转速后，将装置和旋转端焊接试样进行旋转焊接，焊接过程中，移动端和旋转端试样先预顶触碰一下，而后分离，继而旋转端试样开始旋转，移动端试样以一定工进速度靠近旋转端，力采集触头5接触旋转端焊接试样；

子步骤2：力采集触头5对接触的接触旋转端焊接试样的点采集到力，并通过传力杆传至传感器，通过传感器传至外部数据采集系统，对力进行分析。先在设定的同一转速下，在不同压力下采集界面4个典型位置处的摩擦界面动态正压力数据；继而改变焊接转速，在另一个转速，不同压力下采集界面4个典型位置处的摩擦界面动态正压力数据。

子步骤3：不同焊接转速的焊接实验与摩擦界面正压力的采集。

将固定为一体的焊接试样与传感器放置在焊机的移动端。设定焊接参数进行焊接。选用φ25的工业用SUS304棒材，研究不同焊接转速下摩擦界面正压力随时间的演变规律。选用的焊接参数为焊接压力80MPa，焊接转速分别为500rpm、900rpm、1500rpm。开机，进行焊接，采集数据。可得，摩擦界面正压力由试样外缘最先建立产生，向中心拓展。正压力随时间演变，先迅速上升，继而下降，最后趋缓于预设焊接压力。上升过程中最大的正压力大于预设的焊接压力。不同转速条件下摩擦界面正压力随时间演变规律相同。随着转速增大，压力上升至最大值所需时间减小。

子步骤4：不同焊接压力的焊接实验与摩擦界面正压力的采集。

将固定为一体的焊接试样与传感器放置在焊机的移动端。设定焊接参数进行焊接。选用φ25的工业用SUS304棒材，研究不同焊接压力下摩擦界面正压力随时间的演变规律。选用的焊接参数为焊接转速900rpm，焊接压力分别为500rpm、900rpm、1500rpm。开机，进行焊接，采集数据。可得，摩擦界面正压力由试样外缘最先建立产生，向中心拓展。正压力随时间演变，先迅速上升，继而下降，最后趋缓于预设焊接压力。上升过程中最大的正压力大于预设的焊接压力。不同转速压力下摩擦界面正压力随时间演变规律相同。

步骤3、需要测得旋转端焊接试样端面其他点的力时，需要在界面不同位置处开通孔，设置采样触头，即可完成整个摩擦界面的正压力演变数据的采集。

步骤4、外部数据采集系统进行全部点力的采集后，进行数据分析，得出旋转摩擦焊接过程中，整个摩擦界面动态正压力的演变及分布规律。将步骤2、3中采集得到的不同区域的摩擦界面正压力数据随时间分析，可以获得整个摩擦界面压力随时间分布的数据。随焊接时间演变，摩擦界面正压力分布呈现“U型”—“V型”—“M型”—“直线型”的演变规律。

Claims (5)

1.一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置，其特征在于，包括传感器基座(1)、移动端焊接试样(3)、传力杆(4)、力采样触头(5)和力传感器(8)；所述移动端焊接试样(3)为预制通孔的圆柱体，且通孔轴线与移动端焊接试样(3)轴线平行；力采样触头(5)位于通孔内且力采样触头(5)的触头与传力杆接触；传力杆(4)一端伸入通孔内并与力采样触头(5)接触，另一端与力传感器(8)接触；力传感器(8)位于传感器基座(1)内，通过固定组件将传感器基座(1)与移动端焊接试样(3)固定，使得力传感器(8)、传力杆(4)和力采样触头(5)相互顶住；力采样触头(5)接触外部旋转端焊接试样端面上的某一点后进行摩擦界面正压力的采样，通过传力杆(4)将力传至力传感器(8)，实现力采样触头(5)接触的该点的正压力的采集。

2.如权利要求1所述的一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置，其特征在于，所述力传感器(8)、传力杆(4)和力采样触头(5)借助固定组件及焊接过程中的预顶过程，使得测量时不产生错位。

3.如权利要求1所述的一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置，其特征在于，所述固定组件为螺钉螺母。

4.如权利要求1所述的一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置，其特征在于，一次测量过程可得到摩擦界面一处正压力随时间的演变；通过在界面不同位置设置采样触头，可完成整个摩擦界面的正压力演变数据的采集。

5.如权利要求1所述的一种旋转摩擦焊摩擦界面局部动态正压力测量装置，其特征在于，所述移动端焊接试样(3)上开有的通孔，孔的直径大小根据传力杆的外径及采样触头的外径进行加工。