一种搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法与流程

本发明涉及焊接控制方法，尤其涉及搅拌摩擦焊接下压量自动调节技术。

背景技术：

与传统的气体保护焊相比，使用搅拌摩擦焊加工铝合金结构所得到的焊缝具有无缺陷、强度高等突出的优点，因此搅拌摩擦焊在工业领域内正得到越来越广泛的应用。特别是在航空航天、高速列车、高速船舶等行业的大型铝合金壳体的加工过程中，搅拌摩擦焊能够加工气体保护焊不好加工或不能加工的高强度焊缝，因而在这些行业中取得了不可替代的地位。

搅拌摩擦焊缝的质量主要取决于三个工艺参数：主轴转速、焊接速度、下压量。为了获得具备预期质量的性能均匀的焊缝，必须对上述三个参数进行精确的控制。传统的搅拌摩擦焊设备的数控系统可以对主轴转速与焊接速度两个参数进行精确的闭环控制，但对下压量的控制精度不足，原因在于传统数控系统通过安装在执行电机上的编码器或安装在导轨上的光栅尺测量执行电机输出轴转过的角度或在导轨上运动的机头在坐标空间中的位置，然后换算搅拌头的位置和下压量，当设备为理想刚体时，这种换算是精确的，然而当设备由于柔性发生非预期变形时就会造成下压量偏离设定值。研究证明，下压量产生0.1mm的变化就会使接头强度产生数十到百余兆帕的变化，而在搅拌摩擦焊过程特有的大顶锻力

作用下设备变形会轻易超出这一尺度，因而对焊缝质量造成不良影响。特别是设备变形问题会随着工件尺寸的增大而更加明显，因此焊接大型工件的搅拌摩擦焊设备不得不大幅提高结构尺寸以提高刚度，使设备的体积、重量和成本都大幅上升。

清华大学的发明专利“搅拌摩擦焊接下压量校正方法”，是基于距离传感器的搅拌摩擦焊接下压量校正方法，其中没有考虑到搅拌摩擦焊接过程中焊件可能发生变形的问题，距离传感器附近的加工表面产生斜度等问题都会导致距离传感器的测量数值与搅拌头的下压量不匹配导致出现误差，使得焊接工程中对下压量的控制不够精确，影响搅拌摩擦焊接焊缝的质量。

技术实现要素：

本发明的目的是实现对下压量的自动精确控制，从而提高搅拌摩擦焊接的质量稳定性。

本发明一种搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法，其步骤为：

（1）将压力传感器1设置在连接有搅拌头3的机头2上，并使压力传感器1靠近搅拌头3并通信连接于控制器8，搅拌头3具有搅拌针4并通信连接于控制器8，控制器8内设有搅拌头3的设定压力fb；

（2）使搅拌头3的搅拌针4接触待焊接工件5的加工表面51，压力传感器1测量到搅拌头3的初始压力f0并传送给控制器；

（3）开始焊接，在控制器8的控制下机头2带动搅拌头3和压力传感器1沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动，搅拌头3连同搅拌针4一起下压进入工件5的待加工表面51的对应部分且搅拌头3的实际下压量定义为d，压力传感器1测量到搅拌头3实时压力ft并将测得的实时压力ft传送给控制器8，控制器获得搅拌头3的压力误差δf，δf＝ft-fb；

（4）控制器基于搅拌头3的压力误差δf通过控制压电陶瓷驱动器驱动刚性垫板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动进而调整实际下压量d从而使搅拌头3的压力误差δf保持在容许范围之内；

（5）控制器8控制搅拌头3和刚性垫板6继续对工件5进行焊接，在焊接过程中循环执行步骤3和步骤4，从而不断地调整实际下压量d并使压力误差δf趋于零。

本发明的有益效果如下：本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法能够实现即使在焊件变形的情况下通过控制搅拌头的实时压力实现对实际下压量的精确动态控制，使实时压力在焊接过程中与设定压力的误差控制在容许范围之内，可以解决传统的搅拌摩擦焊设备由于设备变形问题和焊件变形问题存在的下压量不受控的问题，提高搅拌摩擦焊接的质量稳定性。

附图说明

图1为本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法的测量原理初始状态示意图，图2为本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法的测量原理下压状态示意图，图3为本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法的焊接结构示意图，附图标记及对应名称为：压力传感器1，加工表面51，探针p，刚性垫板6，机头2，压电陶瓷驱动器7，搅拌头3，控制器8，搅拌针4，功率放大器9，工件5，传动机构10。

具体实施方式

如图1和图2，本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法包括步骤：步骤一，将压力传感器1设置在连接有搅拌头3的机头2上，并使压力传感器1靠近搅拌头3并通信连接于控制器8，搅拌头3具有搅拌针4并通信连接于控制器8，控制器8内设有搅拌头3的设定压力fb；步骤二，使搅拌头3的搅拌针4接触待焊接工件5的加工表面51，压力传感器1测量到搅拌头3的初始压力f0并传送给控制器8；步骤三，开始焊接，在控制器8的控制下机头2带动搅拌头3和压力传感器1沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动，搅拌头3连同搅拌针4一起下压进入工件5的待加工表面51的对应部分且搅拌头3的实际下压量定义为d，压力传感器1测量到搅拌头3的实时压力ft并传送给控制器8，控制器8获得搅拌头3的压力误差δ，δ＝ft-fb；步骤四，控制器8基于fb的压力误差δ通过控制压电陶瓷驱动器7驱动刚性垫板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动进而调整实际下压量d从而使搅拌头3的压力误差δ保持在容许范围之内；步骤五，控制器8控制搅拌头3和刚性垫板6继续对工件5进行焊接，在焊接过程中按照规定频率循环执行步骤三和步骤四，从而不断地调整实际下压量d并使压力误差δ趋于零。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法中，如图1和图2，待焊接工件5的加工表面51的相反侧设置有刚性垫板6，控制器8基于搅拌头3的压力误差δ通过压电陶瓷驱动器7来控制刚性垫板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动使搅拌头3的压力误差δ保持在容许范围之内，能够实现即使在焊件变形的情况下通过控制工件5的待加工表面51的实时压力对实际下压量的精确动态控制，可以解决传统的搅拌摩擦焊设备由于设备变形问题和焊件变形问题存在的下压量不受控的问题，提高搅拌摩擦焊接的质量稳定性。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法中，如图1和图2，压力传感器1测量到搅拌头3的实时压力ft并传送给控制器8，控制器8将设定压力fb与实时压力ft进行比较计算出压力误差δf，而后控制器8发出控制信号并通过功率放大器9进行放大，压电陶瓷驱动器7收到放大后的控制信号控制刚性垫板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动使搅拌头3的压力误差δf保持在容许范围之内。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法中，在步骤二和步骤三中，可忽略机头2和搅拌头3自身的变形，因为机头2和搅拌头3自身的变形不足以对压力的测量和控制器8对压电陶瓷驱动器7的控制结果造成明显误差。

在根据本发明的搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法中，如图1和图2，在步骤二至步骤五中，控制器8通过控制压电陶瓷驱动器7来控制刚性垫板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向运动从而不断地调整实际下压量d并使压力误差δf趋于零。

技术特征：

技术总结
一种搅拌摩擦焊接下压量自动调节方法，步骤如下：将压力传感器设置在连接有搅拌头的机头上，搅拌头具有搅拌针，控制器内设有搅拌头的设定压力fb；使搅拌头的搅拌针接触工件的加工表面，压力传感器测量到搅拌头的初始压力f0并传送给控制器；开始焊接，搅拌头连同搅拌针一起下压进入工件的待加工表面深度定义为d，压力传感器测量到搅拌头的实时压力Ft并传送给控制器；控制器获得压力误差ΔF，ΔF＝Ft‑fb；控制器基于压力误差ΔF通过压电陶瓷驱动器自动驱动刚性垫板来调整实际下压量d而使压力误差ΔF保持在容许范围之内；继续对工件进行焊接，焊接过程中不断地自动调整实际下压量d并使下压力误差ΔF趋于零。

技术研发人员：张昌青;金鑫;王维杰;刘雄波;吕广明;杨黎东;靳少龙
受保护的技术使用者：兰州理工大学
技术研发日：2017.03.15
技术公布日：2017.07.04