搅拌摩擦焊接实时温度测量装置的制作方法

本发明涉及焊接工程领域，具体地，涉及一种搅拌摩擦焊接实时温度测量装置。

背景技术

搅拌摩擦焊(frictionstirwelding简称fsw)是英国焊接研究所(twi)于1991年10月提出的。搅拌摩擦焊工艺最初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊接，关于搅拌摩擦焊工艺的特点和应用等，twi进行了较多的研究。

搅拌摩擦焊接技术为一种固相焊接技术，热输入量低，高效、节能、可靠性高等优点，被广泛应用在航空航天领域。而在实际加工中，由于工件加工误差、工件变形、装夹不当等原因，焊接时搅拌工具与工件的接触情况不断变化，导致焊接温度波动，造成焊接质量不稳定：(1)当焊接温度过低时，材料软化不足，易产生焊接缺陷并导致搅拌针折断；(2)当焊接温度过高时，易在接头内部形成孔洞、隧道等缺陷。因此要在焊接过程中需要对搅拌工具进行实时测温，使其始终保持合适的焊接温度，从而保证焊接质量。

目前搅拌摩擦焊接测温技术主要有以下几种：(1)在焊接工件上沿着焊缝打若干小孔，埋入热电偶进行测温，此种方法需要破坏工件，而且埋入热电偶位置离焊缝中心有一定距离(一般大于搅拌工具直径，约等于2-3倍焊接厚度)，不然热电偶会被搅入焊缝中，这样测得的温度与焊缝中心实际温度偏差较大，而且仅能获得离散点的温度变化，无法持续获取焊缝中心的温度；(2)使用红外线等非接触式测温装置对焊接温度进行测量，可以获得焊缝中心表面实时温度变化曲线，但由于这些方法仅能得到物体表面温度，因此测得的焊缝温度与实际焊缝中心温度偏差较大。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种搅拌摩擦焊接实时温度测量装置。

根据本发明提供的搅拌摩擦焊接实时温度测量装置，包含搅拌摩擦焊接主轴与测温部；所述测温部包含热电偶、测温支架以及测温电路；

所述测温支架紧固安装在搅拌摩擦焊接主轴上，所述测温电路安装在测温支架上；搅拌摩擦焊接主轴上设置有测温孔，热电偶安装在测温孔中；包含一个或多个测温孔，热电偶与测温孔一一对应。

优选地，所述测温电路包含测温芯片、微控制单元以及通讯模块；

热电偶、测温芯片、微控制单元、通讯模块依次连接。

优选地，所述测温支架上设置有容物孔，容物孔内部空间形成容物腔体；所述测温电路安装在容物孔的一个或多个内壁面上。

优选地，所述测温之间与容物孔的横截面均为正方形；

所述容物腔体中还安装有电池与配重块；

还包含指示灯，所述指示灯与微控制单元相连。

优选地，所述热电偶包含k型热电偶；所述测温芯片包含max6675芯片；；所述微控制单元包含stm32处理器；所述通讯模块包含蓝牙传输模块。

优选地，所述测温孔包含盲孔；

所述热电偶通过导热胶水固定安装在测温孔中。

优选地，所述测温孔直径为1mm；

热电偶沿轴向的两个端面中，至少有一个端面到搅拌摩擦焊接主轴外表面的距离小于1mm。

本发明还提供了一种使用上述的搅拌摩擦焊接实时温度测量装置的温度测量方法，包含以下步骤：

步骤s1：测温芯片将热电偶获得的反应温度数据的电压信号进行冷端补偿并进行模数转换，将电压信号转换成数字信号；

步骤s2：测温芯片将数字信号作为串行数据发送至微控制单元中；

步骤s3：微控制单元根据数字信号生成控制数据。

优选地，所述步骤s2中，测温芯片在每次工作时序中，输出16位2进制数据d0～d15；

d3～d14位对应于热电偶模拟输入电压的12位数字转换量,取值范围为0～4095，对应的温度值范围为0℃～1023.75℃；

d2位在热电偶正常工况下为0，在热电偶开路时跳变为1。

优选地，所述步骤s3包含以下步骤：

步骤s3.1：当微控制单元未接收到数字信号时，输出第一故障排除提醒数据；

步骤s3.2：当微控制单元接收到数字信号，且d2位为1时，输出第二故障排除提醒数据；

步骤s3.3：当微控制单元接收到数字信号，且d2位为0时，生成温度测取数据；

所述温度测量方法还包含步骤s4：微控制单元将温度测取数据通过acsii码形式输送至通讯模块。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明将热电偶直接埋入旋转的搅拌工具中，通过测量搅拌工具焊接时的温度来测量焊缝中心的温度，埋入搅拌工具的热电偶离焊缝中心的距离小1mm，能准确获得焊缝中心温度。

2、本发明随着搅拌工具而前进，可以获得整个焊接过程中焊缝中心温度实时变化曲线。

3、本发明使用蓝牙通讯协议，使用任意蓝牙信号接收端，包括手机等设备都可以对温度数据进行采集和处理，无需配备额外的数据采集设备。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为测温部安装于搅拌摩擦焊接主轴上结构示意图；

图2为测温电路在测温支架中布置方式示意图；

图3为搅拌摩擦焊接主轴上打孔位置的示意图；

图4为本发明工作原理图。

图中示出：搅拌摩擦焊接主轴1；测温支架2；电池3；测温芯片4；通讯模块5；微控制单元6。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1、图2所示，本发明提供的搅拌摩擦焊接实时温度测量装置，包含搅拌摩擦焊接主轴1与测温部；所述测温部包含热电偶、测温支架2以及测温电路。所述测温支架2紧固安装在搅拌摩擦焊接主轴1上，所述测温电路安装在测温支架2上；搅拌摩擦焊接主轴1上设置有测温孔，热电偶安装在测温孔中。包含一个或多个测温孔，热电偶与测温孔一一对应。所述测温电路包含测温芯片4、微控制单元6以及通讯模块5，热电偶、测温芯片4、微控制单元6、通讯模块5依次连接。所述测温支架2上设置有容物孔，容物孔内部空间形成容物腔体，所述测温电路安装在容物孔的一个或多个内壁面上。所述测温电路还包含电池，测温电路中各个部分在布置时应尽量在容物孔中均匀分布，例如，将质量较大的电池3单独安装在一侧，质量较小的其他电子元器件安装在相对电池所在侧的另一侧，使质量尽可能平衡，必要时，容物腔体中还可以安装配重块。优选地，所述测温之间与容物孔的横截面均为正方形。

如图3所示，所述测温孔包含盲孔，所述热电偶通过导热胶水固定安装在测温孔中，开设盲孔的目的在于防止焊接时工件材料流入测温孔，导致热电偶损坏。优选地，所述测温孔直径为1mm；热电偶沿轴向的两个端面中，至少有一个端面到搅拌摩擦焊接主轴1外表面的距离小于1mm。实际测温时，需要将热电偶埋入测温孔内，并采用导热胶水固定热电偶的位置，埋入的热电偶前端和搅拌工具表面的距离要小于1mm，以保证测温准确性。

优选地，所述热电偶包含k型热电偶；所述测温芯片4包含max6675芯片；；所述微控制单元6包含stm32处理器；所述通讯模块5包含蓝牙传输模块。另外还包含指示灯，所述指示灯与微控制单元6相连。当然，所述测温芯片4、微控制单元6的类型还可以根据实际工作需要进行选择，所述通讯模块5还可以是lpwan、wifi、nfc等类型的传输模块。

本发明还提供了一种使用权利上述的搅拌摩擦焊接实时温度测量装置的温度测量方法，包含以下步骤：步骤s1：测温芯片4将热电偶获得的反应温度数据的电压信号进行冷端补偿并进行模数转换，将电压信号转换成数字信号；步骤s2：测温芯片4将数字信号作为串行数据发送至微控制单元6中；步骤s3：微控制单元6根据数字信号生成控制数据。

所述步骤s2中，测温芯片4在每次工作时序中，输出16位2进制数据d0～d15；d3～d14位对应于热电偶模拟输入电压的12位数字转换量,取值范围为0～4095，对应的温度值范围为0℃～1023.75℃；d2位在热电偶正常工况下为0，在热电偶开路时跳变为1。所述步骤s3包含以下步骤：步骤s3.1：当微控制单元6未接收到数字信号时，输出第一故障排除提醒数据；步骤s3.2：当微控制单元6接收到数字信号，且d2位为1时，输出第二故障排除提醒数据；步骤s3.3：当微控制单元6接收到数字信号，且d2位为0时，生成温度测取数据。所述温度测量方法还包含步骤s4：微控制单元6将温度测取数据通过acsii码形式输送至通讯模块5。

优选实施方式：

如图1、图2所示，所述测温支架2安装在任意搅拌摩擦焊接主轴1上，并在实际焊接操作时随搅拌摩擦焊接主轴1一起旋转。测温电路包含的k型热电偶、max6675芯片、stm32处理器、hc-05蓝牙模块以及电池3都安装于测温支架上，焊接时随搅拌摩擦焊接主轴1一起旋转。所有安装在测温支架上的部件都可以自由安排位置，安排位置应考虑搅拌摩擦焊接主轴1旋转的动平衡，尽量均匀分布质量。

特别地，k型热电偶与max6675芯片可以根据测温点需求配套增加，1个stm32处理器最多可以支持两路热电偶信号的处理。如图3所示，本例中采用对搅拌工具轴肩与搅拌工具针的中部进行测温，因此需要在搅拌工具上打直径为φ1的测温孔，打孔位置如图3所示，因此就需要2个k型热电偶与2个max6675芯片。测温时，需要将热电偶埋入搅拌工具所打的测温孔内，并采用导热胶水固定热电偶的位置。

测温装置原理图如图4所示，热电偶与max6675芯片连接，max6675芯片将热电偶获得的电压信号进行冷端补偿并进行模数转换，将温度数据转换成数字信号。max6675芯片与所述stm32处理器连接，通过stm32处理器对数字信号进行处理，转换成ascii码输入至hc-05蓝牙模块，hc-05蓝牙模块将温度数字信号转换成无线蓝牙信号传出。

max6675芯片为串行数据输出，一个工作时序输出16位2进制数据d0～d15，其中，d3～d14对应于热电偶模拟输入电压的12位数字转换量,其取值范围为0～4095，对应的温度值范围为0℃～1023.75℃；d2一般情况下为0，在热电偶开路时跳变为1。

两块max6675芯片输出端与所述stm32处理器输入端连接，stm32处理器有两路输出端，一路输出与运行状况指示灯连接，运行状况指示灯根据不同运行状况亮起3种颜色的指示灯；另一路为数据输出，与hc-05蓝牙模块的输入端连接。stm32处理器首先对两个接收端数据进行判断，如果有一个接收端上无数据返回，则输出数据“-1”，提示max6675芯片与stm32处理器之间连接发生问题，需排除故障，同时使运行状况指示灯呈现红色。如果两个接收端上都有数据返回，则对两组数据的d2位进行判断，如果有一路接收端上d2位为1，则判断该路热电偶开路，输出数据“-2”，同时使运行状况指示灯呈现黄色。如果两路数据都正常，则对两组数据的d3～d14位数据进行转换，转换成十进制的数据，并采用ascii码进行数据输出，输出至hc-05蓝牙模块，同时使运行状况指示灯呈现绿色。为了区别两路数据，在输出数据时，在输出数据前增加识别位，例如第一根热电偶输出温度数据为120℃，则输出时数据为“a120”，如第二根热电偶开路状态，则输出时数据为“b-2”。

所得的温度数据可以使用任意蓝牙接收端进行采集。所有部件采用电池供电，供电电压为5v。特别地，k型热电偶与max6675芯片可以根据测温点需求配套增加，相应的stm32处理器增加输入端数量即可，输出数据时相应增加识别位即可。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。