一种多功能搅拌摩擦焊具的制作方法

本实用新型涉及多功能搅拌摩擦焊具，属于焊接领域。

背景技术：

自英国焊接研究所(TWI)于1991年实用新型了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但是在工程实际操作中，经常会有焊缝缺陷以及焊缝尾部出现“匙孔”。随着焊接技术的辅助手段快速发展，机器人技术发展日趋成熟，但现有搅拌摩擦焊接设备没有测量控制系统，无法对焊接过程的位移、压力、搅拌针扭矩和搅拌摩擦焊焊机振动进行合适的控制与检测；此外目前的搅拌摩擦焊接的装备体积和重量普遍较大，难以直接安装于机器人手臂的末端。

专利(CN 102728947A)提出了一个搅拌摩擦焊装置，但没有对如何实时测量搅拌头下压深度以及搅拌头倾角提出具体方法；专利(CN 10475965 A)提出了一种搅拌摩擦焊接装置，力矩电机定子固定安装在主轴的内孔中，使得整个装置体积偏大，另外对于焊接的过程中对焊接参数的调整没有提出具体的依据。因此设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能，同时能最大程度地避免焊缝隧道缺陷的搅拌头及其使用方法，还可以实时检测客观参数的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。

技术实现要素：

实用新型目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种多功能搅拌摩擦焊具，通过全程监控焊接的扭矩、振动、压入深度以及温度，确保了焊接过程中每一时刻焊接状态的稳定性、安全性。

技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型的一种多功能搅拌摩擦焊具，包括焊具外壳，焊具外壳内依次设有第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架，在第一支撑架上安装有主电机，主电机通过扭矩传感器与中心轴连接，中心轴与夹持有搅拌头的旋转夹具固定连接，所述扭矩传感器位于第二支撑架上，在第三支撑架上安装有若干个周向分布的激光测距装置，在第三支撑架上还设有振动传感器，所述第三支撑架与位于下方的焊机机头固定连接，焊机机头内设有一对轴承，轴承套在中心轴上。激光测距装置分别从第 三支撑架的四个边缘分别测量，一方面可以根据四个激光测距获得的数据分析整个装置是否有倾角；另一方面可以准确的测量第三支撑架到工件的距离从而算出搅拌头插入深度。

作为优选，所述搅拌头内安装有热电偶传感器，热电偶传感器通过导线与套在中心轴上的汇流环连接。

作为优选，所述激光测距装置有四个，四个激光测距装置沿中心轴轴线圆周均布布设，激光测距装置位于第三支撑板的外边缘。

作为优选，四个激光测距装置所测得的距离分别为L1、L2、L3和L4，安装搅拌头时，L1＝L2＝L3＝L4；焊接过程中，|L1-L3|/|L1|或|L2-L4|/|L2|的值大于0.05时，搅拌头倾斜，停止焊接。

作为优选，所述扭矩传感器测得的扭矩为T，若T值特别小，则说明焊接温度过高，金属已经处于接近熔化状态，这样会导致焊接热影响区过宽从而降低焊接质量，所以应适当的降低转速或提高焊接速度；若T值特别大，则说明焊接温度过低或者搅拌头有倾角，此时通过激光测距装置检测搅拌头是否垂直于工件，在排除搅拌头有倾角的情况下，扭矩依然较大说明是由于焊接温度低引起扭矩较大，此时只要适当的降低焊接速度或提高搅拌头转速。

作为优选，所述振动传感器有两个，两个分别用于检测焊接方向和垂直方向的振动情况的振动传感器沿中心轴对称分布。

作为优选，所述热电偶传感器检测的温度为K，当温度K超过被焊材料塑化温度区间最高温度20℃，降低搅拌头转速并增加焊接速度；当温度K低于被焊材料塑化温度区间最低温度时，焊机控制搅拌头提高转速并减小焊接速度。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)扭矩、振动、压入深度以及温度的检测是对整个焊接过程的全程监控，确保焊接过程中每一时刻焊接状态的稳定性、安全性。

(2)对于振动的检测不是单独一个点的测量而是焊接方向和垂直方向都测量，获得数据量更加可靠。

(3)另外主电机、扭矩传感器、中心轴、搅拌摩擦头等核心受力装置的轴线处于同一条直线，这样确保各部件受力平衡增强装置的可靠性。

(4)振动传感器、激光测距装置等零件分布既是镜面对称又是中心对称的，这样确保焊机的重心落在中轴线上，焊接过程中不会因为惯性导致偏心而受力不均而引起数据测量不准。

(5)在搅拌头内部安装热电偶，既可以通过温度计算焊接过程中每一时刻的焊接线能 量，又可以帮助估算搅拌头使用寿命及磨损情况。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1中温度检测的结构示意图；

图3为图1中的振动传感器和激光测距装置平面排布示意图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本实用新型的一种多功能搅拌摩擦焊具，包括焊具外壳1，焊具外壳1内依次设有第一支撑架3、第二支撑架5和第三支撑架8，在第一支撑架3上安装有主电机2，主电机2通过扭矩传感器4与中心轴11连接，中心轴11与夹持有搅拌头13的旋转夹具12固定连接，搅拌头13内安装有热电偶传感器，热电偶传感器通过导线与套在中心轴11上的汇流环连接。扭矩传感器4位于第二支撑架5上，在第三支撑架8上安装有四个眼中心轴11轴线周向分布的激光测距装置6，分别为第一激光测距装置6-1、第二激光测距装置6-2、第三激光测距装置6-3和第四激光测距装置6-4，在第三支撑架8上还设有一对振动传感器7，两个分别用于检测焊接方向和垂直方向的振动情况的振动传感器7沿中心轴11对称分布，分别为焊接方向振动传感器7-1和垂直方向振动传感器7-2，所述第三支撑架8与位于下方的焊机机头10固定连接，焊机机头10内设有一对轴承，轴承套在中心轴11上，轴承通过环形挡圈9固定在焊机机头10内。

在本实用新型中，扭矩传感器4测得扭矩为T，通常焊接过程稳定后T处于一个稳定的范围内。若T值特别小，则说明焊接温度过高，金属已经处于接近熔化状态，这样会导致焊接热影响区过宽从而降低焊接质量，所以应适当的降低转速或提高焊接速度；若T值特别大，则说明焊接温度过低或者搅拌头13有倾角，此时通过激光测距装置6检测搅拌头13是否垂直于工件，在排除搅拌头13有倾角的情况下，扭矩依然较大说明是由于焊接温度低引起扭矩较大，此时只要适当的降低焊接速度或提高搅拌头13转速。

在本实用新型中，两个中心对称分布的振动传感器7分别用于检测焊接方向和垂直方向的振动情况，对前进方向的振动传感器7输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分，可进一步确定扭矩传感器4输出信号的滤波频率，从而获得真实的焊接扭矩信号。对垂直方向的振动传感器7输出信号进行实时频谱分析，根据其振动的主频成分，可进一步确定激光测距装置6输出信号的滤波频率，从而获得真实的压入深度数据。

其中第一激光测距装置6-1测得的距离为L₁，第二激光测距装置6-2测得的距离为L₂，第三激光测距装置6-3测得的距离为L₃，第四激光测距装置6-4测得的距离为L₄。通常L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝L时，说明搅拌头13垂直于工件，激光测距装置6与搅拌头13在Z方向的差为X，此时压入深度H＝X-L；若L₁、L₂、L₃、L₄不相等，则搅拌头13应该向L值较小的一 边倾斜，直到L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝L时说明搅拌头13摆正；焊接过程中若|L1-L3|/|L1|或|L2-L4|/|L2|的值大于0.05时，说明由于外力或机械内部原因造成搅拌头13倾斜。

以2E12铝合金为例，塑性温度区间300℃--460℃，所述热电偶传感器检测的温度为K，当k超过480℃，时为防止金属过热，降低搅拌头转速并增加焊接速度；当温度K低于300℃时，金属流动性较差，焊机控制搅拌头提高转速并减小焊接速度。

其中热电偶16安装在搅拌头13的内部，其温度信号通过汇流环15向外界输出。焊机主机根据温度K适当调节搅拌头13转速及焊速，当温度K较高时为防止金属过热，降低搅拌头13转速并增加焊接速度；当温度K较低时金属流动性较差，焊机控制搅拌头13提高转速并减小焊接速度。除此之外，收集搅拌头13内部温度信号的同时对其进行归纳整理，统计出各个温度区间搅拌头13工作时间，对于300℃～400℃工作时间记作t₁，对于500℃～600℃工作时间记作t₂，600℃～700℃工作时间记作t₃，700℃～800℃工作时间记作t₄，800℃以上工作时间记作t₅，再根据搅拌头13的制作材料、热处理工艺、抗蠕变性能大致判断出搅拌头13的磨损程度，进而推断其使用寿命。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。