一种搅拌摩擦焊搅拌头寿命检测的实验装置及实验方法与流程

本发明涉及一种搅拌摩擦焊搅拌头寿命检测的实验装置及实验方法，属于焊接技术领域。

背景技术：

搅拌摩擦焊技术经过十多年的发展，已经成功运用于航空、航天、汽车、造船和高速铁路列车等诸多轻合金（主要是铝、镁、铜、锌及其合金）机构的制造领域，并日趋完善，其可焊厚度为2～50mm。对于异种金属间的连接及用常规熔焊方法难以焊接的轻金属材料，采用搅拌摩擦焊一般均能获得成形及性能良好的焊接接头。

虽然利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊缝，搅拌头与工件表面摩擦，产生大量热，有助于母材快速软化，但是搅拌头在长时间高温下易磨损，影响其使用寿命，以至于长距离工作时对搅拌头的失效不能严格把控，比如，铁路的实际工况时，在15m的车厢体上需要进行长时间的连续焊接工作，一旦搅拌头在工作中发生失效，就会导致整段车厢质量不合格，最终给企业带来巨大损失。

因此对搅拌摩擦焊搅拌头的寿命进行检测成为了重要工作。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种搅拌摩擦焊搅拌头寿命检测的实验装置及实验方法，通过搭建小巧的实验平台，来进行搅拌摩擦焊搅拌头固定工作条件参数的焊接长度检测，同时还能够通过对焊接参数（如搅拌头转速、焊接速度、搅拌头轴向压力）的实时调整，来保证焊接工作的正常进行，直至彻底失效，能够得到搅拌头的极限寿命。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种搅拌摩擦焊搅拌头寿命检测的实验装置，包括呈口字型轨迹移动的搅拌头、控制电脑和可自动更换的直线焊接块、回转焊接块a、回转焊接块b，所述直线焊接块上设置有一条直线焊缝且通过升降夹紧机构进行直线焊接块的移动和更换，所述回转焊接块a和回转焊接块b上均分别设置有一条回转焊缝且通过侧向固定更换机构进行回转焊接块a和回转焊接块b的固定和更换，所述直线焊接块通过平移与回转焊接块a和回转焊接块b形成搅拌头移动的口字型焊接轨迹，所述搅拌头通过搅拌头固定机构与铣床的铣头固定进而带动搅拌头运动。

本发明进一步改进在于：所述搅拌头固定机构包括用于固定搅拌头的搅拌头装卡器和设置于搅拌头装卡器上的测量搅拌头轴向压力的搅拌头压力传感器、带动搅拌头转动的搅拌头电动机，所述搅拌头通过搅拌头装卡器与铣床的铣头固定进而带动搅拌头运动。

本发明进一步改进在于：所述升降夹紧机构包括移动平台导轨和沿移动平台导轨进行移动的移动平台，所述移动平台中部向下凹陷形成凹槽且凹槽底部设置有升降液压缸，所述升降液压缸的升降杆上设置有升降台且直线焊接块可拆卸的设置于升降台上，所述升降台的顶部位于凹槽的两侧位置处均设置有分别通过挤压液压缸a和挤压液压缸b带动移动用于挤压固定直线焊接块的挤压块，所述挤压液压缸a和挤压液压缸b均设置于升降台的顶部，所述挤压液压缸a上还设置有压力传感器。

本发明进一步改进在于：所述移动平台导轨包括底板和铰接于底板上的第一丝杠且第一丝杠通过移动平台电动机带动转动进而带动移动平台移动，所述底板上位于第一丝杠两侧的位置还分别设置有第一导向杆。

本发明进一步改进在于：所述挤压块上沿焊缝的方向均匀间隔分布有热电偶a、热电偶b、热电偶c和热电偶d。

本发明进一步改进在于：所述底板上对应移动平台四个角的位置处分别通过光电开关支架a、光电开关支架b、光电开关支架c和光电开关支架d固定设置有光电开关a、光电开关b、光电开关c和光电开关d，所述光电开关支架a、光电开关支架b、光电开关支架c和光电开关支架d分别通过支架螺栓固定设置于底板上

本发明进一步改进在于：所述侧向固定更换机构包括分别将回转焊接块a和回转焊接块b挤压移动与直线焊接块进行紧密贴合的侧向挤压块a、侧向挤压块b以及分别带动侧向挤压块a、侧向挤压块b移动的侧向挤压机构a和侧向挤压机构b，所述侧向挤压机构a包括侧向底板a和设置于侧向底板a上用于带动侧向挤压块a移动的侧向导轨a且侧向挤压块a通过侧向移动支架a与侧向导轨a铰接，所述侧向移动支架a与侧向挤压块a之间设置有侧向压力传感器a；所述侧向挤压机构b包括侧向底板b和设置于侧向底板b上用于带动侧向挤压块b移动的侧向导轨b且侧向挤压块b通过侧向移动支架b与侧向导轨b铰接，所述侧向移动支架b与侧向挤压块b之间设置有侧向压力传感器b。

本发明进一步改进在于：所述侧向导轨a包括铰接于侧向底板a上的第二丝杠且第二丝杠通过丝杠电动机a带动转动进而带动侧向挤压块a移动，所述侧向底板a上位于第二丝杠一侧的位置还设置有第二导向杆，所述侧向导轨b包括铰接于侧向底板b上的第三丝杠且第三丝杠通过丝杠电动机b带动转动进而带动侧向挤压块b移动，所述侧向底板b上位于第三丝杠一侧的位置还设置有第三导向杆。

本发明进一步改进在于：所述侧向固定更换机构还包括分别设置于回转焊接块a和回转焊接块b下方的传送带a和传送带b，所述侧向挤压块a的一侧对应回转焊接块a的边缘位置设置有监测回转焊接块a的侧向光电传感器a，所述侧向挤压块a的另一侧设置有将回转焊接块a沿传送带a传送方向推离的推力液压缸a；所述侧向挤压块b的一侧对应回转焊接块b的边缘位置设置有监测回转焊接块b的侧向光电传感器b，所述侧向挤压块b的另一侧设置有将回转焊接块b沿传送带b传送方向推离的推力液压缸b。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

通过建立一个交替更换直线焊接块、回转焊接块a和回转焊接块b的方法，使搅拌头在同一口字型运行轨迹上运行测试，即小空间内进行长距离焊接寿命的测试，通过热电偶a、热电偶b、热电偶c和热电偶d对焊接温度的反馈，通过调节搅拌头的转速、轴向压力和焊接速度判定搅拌头是否失效，进而计算出搅拌头最大连续工作距离，实现对搅拌摩擦焊搅拌头的寿命检测，具体步骤如下：

a、准备工作：在控制电脑上设置实验装置的初始参数，将直线焊接块、回转焊接块a和回转焊接块b安装于指定位置，使得直线焊接块与回转焊接块a和回转焊接块b的对应位置连接；

b、装置运行：搅拌头按照初始参数从直线焊接块沿设定路径进行移动焊接，经过光电开关b时，光电开关b发出信号传递给控制电脑，控制信号控制移动平台在直线焊接块和回转焊接块a接口未冷却时移动至另一端，升降台带动直线焊接块降落，将新的直线焊接块从下方重新填入升降台，升降台升高至原位，控制电脑通过压力传感器测定的压力控制挤压液压缸a和挤压液压缸b带动挤压块将直线焊接块压紧，直至达到设定的压力；当搅拌头经过光电开关c时，控制电脑控制传送带a运行，推力液压缸a在接口未冷却时将回转焊接块a推离，同时控制电脑控制侧向挤压块a退回，传送带a带动回转焊接块a离开，同时在传送带a上放入新的回转焊接块a，当新的回转焊接块a经过侧向光电传感器a时，控制电脑控制传送带a停止运转，侧向挤压块a通过侧向导轨a对回转焊接块a产生压力直至达到设定的压力；当搅拌头经过光电开关d时，移动平台在接口未冷却时移动至原始位置，升降台带动直线焊接块降落，将新的直线焊接块从下方重新填入升降台，升降台升高至原位，控制电脑通过压力传感器测定的压力控制挤压液压缸a和挤压液压缸b带动挤压块将直线焊接块压紧，直至达到设定的压力；当搅拌头经过光电开关a时，传送带b运行，推力液压缸b在接口未冷却时将回转焊接块b推离，同时侧向挤压块b退回，传送带b带动回转焊接块b离开，传送带b放上新的回转焊接块b，当新的回转焊接块b经过侧向光电传感器b时，侧向挤压块b通过侧向导轨b对回转焊接块b产生压力直至达到设定的压力；然后搅拌头再运行至光电开关b，重复上述动作，当4个光电开关顺序运行一次，控制电脑自动计数一圈。

c、焊接参数调整：当搅拌头经过热电偶时，热电偶将采集每个位置节点的最高温度，若任一热电偶采集到的温度比设定焊接温度低时，控制电脑控制搅拌头电动机转速提升直至满足焊接温度要求，搅拌头继续运行工作，直至搅拌头电动机转速升到最大值，然后增大搅拌头的轴向压力，并同时降低焊接速度，直至达到设定的最大轴向压力值，且焊接速度低于设定值时，此时判定搅拌头失效，通过控制电脑的关于搅拌头的圈数计数计算出搅拌头运行的工作距离。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术效果有：

1、通过搭建小巧的实验装置，巧妙地通过更替焊接块实现长路程的搅拌摩擦焊实验，能够较准确地模拟检验出搅拌头的使用寿命及工作路程，具有突出的经济性和实用性。

2、通过热电偶检测搅拌头与工件产生的焊接热是否能够达到焊接的标准，通过搅拌头电动机优先增大搅拌头转速满足工况，其次调整焊接速度，并根据搅拌头压力传感器反馈来调整搅拌头与焊接块之间的轴向压力，使焊接质量满足要求，本发明能够完整地测量出搅拌头的极限连续工作寿命。

附图说明

图1为本发明装置的总体装配示意图（初始状态示意图）；

图2为本发明装置的移动平台的结构示意图；

图3为本发明搅拌头经过光电开关b后，装置运行后的示意图；

图4为本发明搅拌头经过光电开关c后，装置运行后的示意图；

图5为本发明搅拌头经过光电开关d后，装置运行后的示意图；

其中，1、传送带b，2、光电开关d，3、光电开关支架d，4、直线焊接块，5、挤压块，6、挤压液压缸a，7、压力传感器，8、挤压液压缸b，9、光电开关c，10、光电开关支架c，11、传送带a，12、推力液压缸a，13、回转焊接块a，14、侧向挤压块a，15、侧向压力传感器a，16、侧向导轨a，17、丝杠电动机a，18、侧向光电传感器a，19、光电开关b，20、光电开关支架b，21、支架螺栓，22、热电偶d，23、热电偶c，24、热电偶b，25、热电偶a，26、移动平台，27、移动平台导轨，28、光电开关支架a，29、光电开关a，30、推力液压缸b，31、侧向挤压块b，32、回转焊接块b，33、侧向压力传感器b，34、侧向导轨b，35、丝杠电动机b，36、搅拌头，37、搅拌头装卡器，38、搅拌头压力传感器，39、侧向光电传感器b，40、搅拌头电动机，41、升降台，42、升降液压缸，43、移动平台电动机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1和图2所示，一种搅拌摩擦焊搅拌头寿命检测的实验装置，包括呈口字型轨迹移动的搅拌头36、控制电脑和可自动更换的直线焊接块4、回转焊接块a13、回转焊接块b32，控制电脑内设控制程序根据各部件传递的信号进而控制各部件工作，所述直线焊接块4上设置有一条直线焊缝且通过升降夹紧机构进行直线焊接块4的移动和更换，所述回转焊接块a13和回转焊接块b32上均分别设置有一条回转焊缝且通过侧向固定更换机构进行回转焊接块a13和回转焊接块b32的固定和更换，所述直线焊接块4通过平移与回转焊接块a13和回转焊接块b32形成搅拌头36移动的口字型焊接轨迹，所述搅拌头36通过搅拌头固定机构与铣床的铣头固定进而带动搅拌头36运动，所述控制电脑分别将光电开关a29与传送带b1、推力液压缸b30相连进行控制，分别将光电开关b19、光电开关d2与升降液压缸42、移动平台电动机43相连进行控制，分别将光电开关c9与传送带a11、推力液压缸a12相连进行控制，分别将压力传感器7与推力液压缸a12相连进行控制，分别将侧向光电传感器a18与传送带a11、丝杠电动机a17相连进行控制，分别将侧向光电传感器b18与传送带b11、丝杠电动机b17相连进行控制，将热电偶22-25、搅拌头压力传感器38与搅拌头电动机40相连进行控制。

所述搅拌头固定机构包括用于固定搅拌头36的搅拌头装卡器37和设置于搅拌头装卡器37上的测量搅拌头36轴向压力的搅拌头压力传感器38、带动搅拌头36转动的搅拌头电动机40，所述搅拌头36通过搅拌头装卡器37与铣床的铣头固定进而带动搅拌头36运动。

所述升降夹紧机构包括移动平台导轨27和沿移动平台导轨27进行移动的移动平台26，所述移动平台26中部向下凹陷形成凹槽且凹槽底部设置有升降液压缸42，所述升降液压缸42的升降杆上设置有升降台41且直线焊接块4固定设置于升降台41上，所述升降台41的顶部位于凹槽的两侧位置处均设置有分别通过挤压液压缸a6和挤压液压缸b8带动移动用于挤压固定直线焊接块4的挤压块5，所述挤压液压缸a6和挤压液压缸b8均设置于升降台41的顶部，所述挤压液压缸a6上还设置有压力传感器7。所述移动平台导轨27包括底板和铰接于底板上的第一丝杠且第一丝杠通过移动平台电动机43带动转动进而带动移动平台26移动，所述底板上位于第一丝杠两侧的位置还分别设置有第一导向杆。所述挤压块5上沿焊缝的方向均匀间隔分布有热电偶a25、热电偶b24、热电偶c23和热电偶d22。所述底板上对应移动平台26四个角的位置处分别通过光电开关支架a28、光电开关支架b20、光电开关支架c10和光电开关支架d3固定设置有光电开关a29、光电开关b19、光电开关c9和光电开关d2，所述光电开关支架a28、光电开关支架b20、光电开关支架c10和光电开关支架d3分别通过支架螺栓21固定设置于底板上。

所述侧向固定更换机构包括分别将回转焊接块a13和回转焊接块b32挤压移动与直线焊接块4进行紧密贴合的侧向挤压块a14、侧向挤压块b31以及分别带动侧向挤压块a14、侧向挤压块b31移动的侧向挤压机构a和侧向挤压机构b，所述侧向挤压机构a包括侧向底板a和设置于侧向底板a上用于带动侧向挤压块a14移动的侧向导轨a16且侧向挤压块a14通过侧向移动支架a与侧向导轨a16铰接，所述侧向移动支架a与侧向挤压块a14之间设置有侧向压力传感器a15；所述侧向挤压机构b包括侧向底板b和设置于侧向底板b上用于带动侧向挤压块b31移动的侧向导轨b34且侧向挤压块b31通过侧向移动支架b与侧向导轨b34铰接，所述侧向移动支架b与侧向挤压块b31之间设置有侧向压力传感器b33。所述侧向导轨a16包括铰接于侧向底板a上的第二丝杠且第二丝杠通过丝杠电动机a17带动转动进而带动侧向挤压块a14移动，所述侧向底板a上位于第二丝杠一侧的位置还设置有第二导向杆，所述侧向导轨b34包括铰接于侧向底板b上的第三丝杠且第三丝杠通过丝杠电动机b35带动转动进而带动侧向挤压块b31移动，所述侧向底板b上位于第三丝杠一侧的位置还设置有第三导向杆。所述侧向固定更换机构还包括分别设置于回转焊接块a13和回转焊接块b32下方的传送带a11和传送带b1，所述侧向挤压块a14的一侧对应回转焊接块a13的边缘位置设置有监测回转焊接块a13的侧向光电传感器a18，所述侧向挤压块a14的另一侧设置有将回转焊接块a13沿传送带a11传送方向推离的推力液压缸a12；所述侧向挤压块b31的一侧对应回转焊接块b32的边缘位置设置有监测回转焊接块b32的侧向光电传感器b33，所述侧向挤压块b31的另一侧设置有将回转焊接块b32沿传送带b1传送方向推离的推力液压缸b30。

通过建立一个交替更换直线焊接块4、回转焊接块a13和回转焊接块b32的方法，使搅拌头36在同一口字型运行轨迹上运行测试，即小空间内进行长距离焊接寿命的测试，通过热电偶a25、热电偶b24、热电偶c23和热电偶d22对焊接温度的反馈，通过调节搅拌头36的转速、轴向压力和焊接速度判定搅拌头36是否失效，进而计算出搅拌头36最大连续工作距离，实现对搅拌摩擦焊搅拌头的寿命检测，具体步骤如下：

a、准备工作：设置实验装置的初始参数，将直线焊接块4、回转焊接块a13和回转焊接块b32安装于指定位置，使得直线焊接块4与回转焊接块a13和回转焊接块b32的对应位置连接；

b、装置运行：如图3所示，搅拌头36按照初始参数从直线焊接块4沿设定路径进行移动焊接，经过光电开关b19时，光电开关b19发出信号传递给控制电脑，控制信号控制移动平台26在直线焊接块4和回转焊接块a13接口未冷却时移动至另一端，升降台41带动直线焊接块4降落，将新的直线焊接块4从下方重新填入升降台41，升降台41升高至原位，控制电脑通过压力传感器7测定的压力控制挤压液压缸a6和挤压液压缸b8带动挤压块5将直线焊接块4压紧，直至达到设定的压力；如图4所示，当搅拌头36经过光电开关c9时，控制电脑控制传送带a11运行，推力液压缸a12在接口未冷却时将回转焊接块a13推离，同时控制电脑控制侧向挤压块a14退回，传送带a11带动回转焊接块a13离开，同时在传送带a11上放入新的回转焊接块a13，当新的回转焊接块a13经过侧向光电传感器a18时，控制电脑控制传送带a11停止运转，侧向挤压块a14通过侧向导轨a16对回转焊接块a13产生压力直至达到设定的压力；如图5所示，当搅拌头36经过光电开关d3时，移动平台26在接口未冷却时移动至原始位置，升降台41带动直线焊接块4降落，将新的直线焊接块4从下方重新填入升降台41，升降台升高至原位，控制电脑通过压力传感器7测定的压力控制挤压液压缸a6和挤压液压缸b8带动挤压块5将直线焊接块4压紧，直至达到设定的压力；当搅拌头36经过光电开关a29时，传送带b1运行，推力液压缸b30在接口未冷却时将回转焊接块b32推离，同时侧向挤压块b31退回，传送带b1带动回转焊接块b32离开，传送带b1放上新的回转焊接块b32，当新的回转焊接块b32经过侧向光电传感器b33时，侧向挤压块b31通过侧向导轨b34对回转焊接块b32产生压力直至达到设定的压力；然后搅拌头36再运行至光电开关b19，重复上述动作，当4个光电开关顺序运行一次，控制电脑自动计数一圈。

c、焊接参数调整：当搅拌头36经过热电偶时，热电偶将采集每个位置节点的最高温度，若任一热电偶采集到的温度比设定焊接温度低时，控制电脑控制搅拌头电动机40转速提升直至满足焊接温度要求，搅拌头36继续运行工作，直至搅拌头电动机40转速升到最大值，然后增大搅拌头36的轴向压力，并同时降低焊接速度，直至达到设定的最大轴向压力值，且焊接速度低于设定值时，此时判定搅拌头36失效，通过控制电脑的关于搅拌头36的圈数技术计算出搅拌头36运行的工作距离。

实施例1：

采用铝合金直线焊接块4厚度均为5mm，移动平台26宽度和直线焊接块4长度3m，回转焊接块a、b焊缝宽度为0.1m，长度为0.4m，通过控制电脑控制初始搅拌头转速为600r/min，焊接速度为300mm/min，轴向压力为3kn，设置最大转速为1200r/min，焊接块夹紧力设置为10kn，最大轴向压力为6kn，最小焊接速度为100mm/min，焊接最低温度380℃，进行焊接寿命检测试验，具体步骤如下：

（1）使装置处于初始状态，即移动平台26处于在初始位置，直线焊接块4、回转焊接块a、b处于夹紧状态；

（2）搅拌头36从第一块直线焊接块4的孔位起焊，搅拌头36经过热电偶a、b、c、d，每个热电偶测得最高温度为420℃，热电偶将温度信号传递给控制电脑，满足焊接要求，且焊缝形貌正常，当搅拌头36运动经过光电开关b，控制电脑接收到光电开关b的信号进而控制移动平台26在直线焊接块4和回转焊接块a接口未冷却时移动至另一端，升降台26带动直线焊接块4降落，将新的直线焊接块4从下方重新填入升降台26，升降台26升高至原位，挤压液压缸a6和挤压液压缸b8通过挤压块5将直线焊接块4压紧，控制夹紧力达到10kn；

（3）当搅拌头36经过光电开关c9后，控制电脑接收到光电开关c9的信号，控制传送带a11运行，推力液压缸a12在回转焊接块a13接口未冷却时将其分离，侧向挤压块a14退回，传送带a11放上新的回转焊接块a13，当新的回转焊接块a13经过侧向光电传感器a18时，控制电脑接收到侧向光电传感器a18的信号，控制电脑控制传送带a11停止运行，同时控制侧向挤压块a14通过侧向导轨a16对回转焊接块a13产生压力，控制电脑根据侧向压力传感器a15的信号控制夹紧力达到10kn，热电偶依次d、c、b、a采集各位置温度信息，每个测得均最高温度420℃，符合要求；

（4）当搅拌头经过光电开关d时，控制电脑控制移动平台26在直线焊接块4和回转焊接块接口未冷却时移动至初始位置，升降台带动直线焊接块4降落，将新的直线焊接块4从下方重新填入升降台，升降台升高至原位，挤压液压缸通过挤压块将焊接块压紧，通过压力传感器控制夹紧力达到10kn；

（5）当搅拌头经过光电开关a后，控制电脑控制传送带b运行，推力液压缸b在回转焊接块b接口未冷却时将其分离，侧向挤压块b退回，传送带b放上新的回转焊接块b，当新的回转焊接块经过侧向光电传感器b时，控制电脑控制传送带b停止运行，侧向挤压块b通过侧向导轨b对回转焊接块b产生压力，通过侧向压力传感器b控制夹紧力达到10kn，热电偶依次a、b、c、d采集各位置温度信息，每个测得均最高温度4200℃，符合要求；

（6）循环至第20圈后，经过光电开关b后，热电偶b测量最高温度为375℃低于设定的焊接温度380℃，控制电脑接收到热电偶信号优先提高转速至800r/min，温度可升高至410℃，符合焊接要求；

（7）又循环至第25圈后，经过光电开关c后，热电偶d测量最高温度为375℃低于设定的焊接温度380℃，提高转速至1200r/min，温度可升高至420℃，符合焊接要求；

（8）循环至第32圈后，经过光电开关a后，热电偶a测量最高温度为375℃低于设定的焊接温度380℃，因转速增至最大值，控制电脑调整焊接速度及搅拌头轴向力大小分别为200mm/min、4kn，温度可升高至430℃，符合焊接要求；

（9）循环至第39圈后，经过光电开关a后，热电偶a测量最高温度为375℃低于设定的焊接温度380℃，控制电脑调整焊接速度及搅拌头轴向力大小分别为100mm/min、6kn，温度可升高至430℃，符合焊接要求；

（10）循环至第45圈后，经过光电开关c后，热电偶a测量最高温度375℃低于设定的焊接温度380℃，且所有参数都已达到设定的极限值，故此时搅拌头失效；

（11）控制电脑计数45圈，及额外1.8m，该搅拌头极限工作距离为316.8m，固定工作条件（即不调整其他参数）寿命为141.2m。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。