一种新型线性摩擦焊机的制作方法

本实用新型属于焊接技术领域，具体涉及一种新型线性摩擦焊机。

背景技术：

线性摩擦焊（Linear Friction Welding，简称LFW）技术始于20世纪80年代中期，作为固态连接工艺，它是在焊接压力和摩擦热的作用下，使待焊工件表面达到塑性状态并相互焊合以形成牢固接头。该技术具有可靠性高、成本低、焊缝缺陷少等优点，可用于非轴对称截面的焊接，克服了形状对传统旋转摩擦焊的限制。在国外，线性摩擦焊在航空发动机的应用方面取得了显著成就。如美国GE公司、CTC技术公司、普惠公司、德国MTU公司、英国Blacks设备公司等都采用线性摩擦焊技术用于航空结构件的焊接。国内线性摩擦焊技术起步晚，发展慢，目前只有西北工业大学和北京航空制造研究所研制了线性摩擦焊机。

线性摩擦焊机主要包括：控制部分、振动部分及其它机械部分(包括机体、框架、夹具及工作台等)。其中控制部分尤为重要，采用何种控制系统，需要控制哪些参数以及如何更合理的控制才能使其稳定工作，提高了焊接过程的适应性及接头质量。目前，国内外普遍采用的控制系统有Labview的线性摩擦焊机控制系统、Windows系统线性摩擦焊机控制系统和液压式线性摩擦焊机单片机控制系统。目前，国内摩擦焊接控制系统利用PLC的基本开关功能控制摩擦焊机液压系统开关型电磁阀顺序动作，以实现摩擦焊接过程的顺序控制。系统控制以开关量切换为核心，轴向压力由溢流阀或减压阀手动控制，无法对因液压系统本身泄漏、液压油温升高、焊接材质及表面状态的波动和周边信号干扰而造成的控制系统压力波动进行自动调节，使工件焊接质量不能得到良好保证。国外摩擦焊接过程控制系统是基于工业控制计算机的压力开环控制，控制精度不高，工件焊接质量稳定性好，能满足现场一定生产要求。 本项目拟研制基于PLC控制的线性摩擦焊模拟装置控制系统，实现线性摩擦焊机的焊接控制需求，为以后的线性摩擦焊的科学研究提供相关设备基础。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对以上问题，提供一种新型线性摩擦焊机，其控制系统可实现顶锻时间、试样对中位置的精确控制。

本实用新型是这样来实现的，一种新型线性摩擦焊机，主要包括振动系统、检测装置、PLC控制器、空压机、支座、气缸、导轨、滑台、夹具、振动机构和机身；其特征在于：机身上装有导轨、振动系统和支座，振动机构装在振动系统上，并由振动系统控制可上下往复运动，夹具一部分安装在振动机构上，夹具另一部分安装在滑台上，滑台通过导轨在气缸的作用下前后滑动，气缸安装在支座，气缸和空压机连接管路上设置若干气电阀门；振动系统与气电阀门的控制部分分别连接至PLC控制器；所述检测装置包括装在机身上夹具两侧的若干接近开关、光电开关以及位移开关，检测装置连接至 PLC控制器，PLC控制器采用闭环控制，实现线性摩擦焊接过程中的摩擦压力、焊接时间和顶锻压力的精确控制。

本实用新型起到焊接工件的定位作用；在焊接过程中，工件完成预定焊接时间后，PLC控制器发出信号到光栅位移传感器，光栅位移传感器反馈工件位置信息，PLC控制器检测工件是否处于对中状态。若显示处于对中状态，PLC控制器发出信号控制电动机停止；若显示不处于对中状态，电机继续旋转，直至工件到达对中状态，PLC控制器发出信号控制电动机停止。

本实用新型所述气压与气动装置由、气缸、空压机等构成，在焊接过程中，空压机提供压缩空气，由PLC控制器提供信号控制气电阀门的开关状态使气缸充气量不同，从而产生焊接所需的焊接压力和顶锻压力。

本实用新型所述PLC控制器包括控制系统框图设计、PLC控制器控制程序设计、加压系统控制设计以及线性摩擦焊机控制方式设计，主要用于焊接时间的控制、信号采集与数据处理，控制焊机的焊接过程，即由PLC控制器发出一个执行信号、检测部分返回执行结果信号后，PLC控制器处理正确后发出下一个执行信号，从而实现焊接过程的准确完成。

本实用新型的工作原理及步骤如下：焊接前，输入规范参数，将待焊的往复运动焊件和移动焊件分别安装在夹具中。焊接时，往复运动焊件在传动机构作用下往复运动，移动焊件在加压系统驱动下向往复运动焊件移动。当焊件接触后，在摩擦界面上发生摩擦，并产生摩擦热，使得焊接面两侧温度升高；当输入所需要的规范参数达到设定条件时，焊件摩擦加热到适合温度，焊合区金属发生粘塑性流动，PLC控制器控制电机停止，同时使焊件对中，加压系统作用施加顶锻压力，在顶锻过程中，焊合区金属通过再结晶与相互扩散使两侧金属牢固焊接在一起，从而完成整个焊接过程。具体可分为：

1）初始阶段：控制系统控制气缸提供预压力使相互运动的两工件逐步靠拢，继而产生干摩擦，在摩擦表面产生摩擦热，实际接触面积不断增大。但在初始阶段不会产生轴向缩短。

2）过渡阶段：当初始阶段产生足够的摩擦热后，界面金属被软化，大量摩擦颗粒从界面处挤出，材料实际接触面积达到100％。控制系统控制气缸提供预定摩擦压力，使产热机制由初始阶段的干摩擦产热逐渐转变为金属层内部的塑形变形产热。

3）平衡阶段：摩擦热从界面处向两侧金属传导，在接触界面两侧形成塑形金属层。在摩擦力的作用下，塑形金属层被挤出形成飞边。轴向缩短量急剧增大。

4）顶锻阶段：当达到预定摩擦时间后，检测部分通过光栅位移传感器采集工件位移信号，当处于对中状态时，PLC控制系统发送急停信号，相对运动的两工件停止运动并施加顶锻力并维持预定时间，使焊合区金属通过扩散和再结晶达到可靠连接。

本实用新型的技术效果是：该焊机结构简单，操作方便，成本低，控制精确，振动频率高。在焊接过程中，采用PLC控制器闭环控制，实现线性摩擦焊接过程中的摩擦压力、焊接时间和顶锻压力的精确控制，主要技术参数：摩擦压力为0～2.5kN，顶锻压力为0～50kN，摩擦顶锻时间为0～90秒，摩擦频率在0Hz～250Hz之间变化，焊件间的振幅为±3mm，工件定位精度为±0.1mm，适合不同具有塑性的材料焊接。

附图说明

图1为本实用新型线性摩擦焊机结构图

图2为本实用新型控制系统框图

图3为本实用新型PLC控制器时序图

图4为本实用新型加压系统控制框图

在图中，1、振动系统 2、PLC控制系统 3、空压机 4、支座 5、气缸 6、导轨 7、滑台 8、夹具 9、振动机构 10、机身。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型是这样来实现的，焊机包括振动系统[1]、PLC控制系统[2]、空压机[3]、支座[4]、气缸[5]、导轨[6]、滑台[7]、夹具[8]、振动机构[9]、机身[10]；夹具[8]安装在振动机构[9]上，振动机构[9]在振动系统[1]的作用下做往复运动，夹具B[8]安装在滑台[7]的支座[4]上，滑台[7]通过导轨[6]在气缸[5]的作用下前后滑动，气缸[5]安装在支座[4]上，并通过空压机[3]提供压力，振动系统[1]与空压机装置[3]由PLC控制系统[2]实施操作。

如图2所示，本实用新型所述的PLC控制系统设计框图，其工作过程：先输入焊接参数，再启动控制器驱动电机旋转，当电机转速稳定后闭合加摩擦压力，达到设定摩擦时间，施加顶锻压力，达到顶锻时间后，电磁气阀、断电撤掉锻压力和摩擦压力，焊接过程结束。

如图3所示，本实用新型所述的PLC控制器控制程序设计，其时序过程：按下PLC控制器控制开关，达到10s准备时间后，电机和电磁阀A、C触发开始焊接，到达焊接时间后，电磁阀B、C触发，电机和电磁阀A截止。达到顶锻时间，焊接结束。

如图4所示，本实用新型所述的加压系统控制设计，其系统工作时，通过调压阀可改变摩擦压力和锻压力的大小。在焊接过程中，通过控制电磁气阀的导通或关断，即可按照工艺要求加上摩擦压力和锻压力。