基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具的制作方法

本發明涉及基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，屬于攪拌摩擦焊領域。

背景技術：

自英國焊接研究所(TWI)于1991年發明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項技術因其焊接變形小、殘余應力小，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產生弧光、煙塵、噪音污染等，同時能顯著降低成本、節省材料、優化結構、減輕飛行器的結構重量等特點受到各國科研機構的關注。由于這項技術具有很多其他方法所不具備的顯著特點，它很快就被用于航天領域，新一代運載火箭芯級貯箱筒段縱縫的焊接就是選用這種方法。盡管利用攪拌摩擦焊接方法可以獲得高質量的焊接接頭，但在對鋼管的進行焊接時，仍然存在很多難點。

專利(申請號201410792391.5)通過輔助熱源對需要焊接區域進行預加熱，直至焊接材料達到塑化或者合金化狀態后，摩擦攪拌頭再沿輔助熱源加熱路徑前進進行摩擦焊接，即這個方法需要首先使用輔助熱源將焊接材料完全塑化，然后攪拌頭再進行焊接，但這個專利沒有提出如何調節焊接過程中的輔助熱源；專利(申請號201210564760.6)使用了具有加熱絲的加熱箱體，將需要進行攪拌摩擦焊接的鋼板進行焊接前的加熱和焊接后的冷卻，但顯然這個方法所需要的加熱裝置巨大且適用性不強；此外還有專利(申請號201210592979.7)將激光和攪拌摩擦焊這種復合焊接技術應用于材質較硬的焊接板，在焊接板的背面和正面設置激光束，但激光系統成本較高且能量過于集中，難以對焊接前方的較大區域進行整體預熱。因此設計出一種既具備傳統攪拌摩擦頭焊接功能、又能最大程度地避免攪拌頭受力過度磨損、又能夠進行鋼管焊接的焊具成為了一個迫在眉睫的重要任務。

技術實現要素：

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，根據振動和扭矩傳感器的反饋信號可調節火焰預熱程度，有利于焊接區域金屬塑化。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內依次設有第一支撐板、第二支撐板和第三支撐板，所述第一支撐板上安裝有主電機，第二支撐板上安裝有動態扭矩傳感器，在第三支撐板上安裝有振動傳感器，主電機通過動態扭矩傳感器與主軸連接，在主軸撒花姑娘套有旋轉套，旋轉套上安裝有軸承，軸承位于支撐座內，旋轉套與主軸連接，主軸底端與攪拌頭連接，在攪拌頭沿著焊縫的焊接方向設有火焰預熱裝置。

作為優選，所述振動傳感器和動態扭矩傳感器均與控制器連接，控制器與火焰預熱裝置連接。

作為優選，旋轉套與主軸通過螺釘固定連接。

作為優選，所述主軸設有圓形導軌，圓形導軌上套有彈簧擰入主軸上，圓形導軌的末端頂住旋轉套。

作為優選，所述第三支撐板上設有圓周均布的四個激光測距裝置，四個激光測距裝置所測得到工件的距離分別為L1、L2、L3和L4，安裝攪拌頭時，L1＝L2＝L3＝L4；焊接過程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05時，攪拌頭傾斜，停止焊接。

在本發明中，振動傳感器用于檢測焊接方向的振動情況。該傳感器的輸出信號包括了以下信息：焊接區域金屬的塑化情況、攪拌頭在焊接方向上所受力的作用情況。塑化程度較高的金屬在攪拌頭的攪拌作用下容易形成焊縫且對攪拌頭的阻礙作用力較小；塑化程度較低的焊縫金屬會導致振動較大，且振動信號不穩定。動態扭矩傳感器的輸出包括了以下信息：當焊接區域金屬塑性較差時，扭矩值較大；當焊接區域金屬塑性較好時，扭矩較小。

在本發明中，調整火焰離開工件的距離即可調整火焰預熱的強弱。火焰預熱裝置的作用是，對即將進行焊接的區域進行加熱，減輕攪拌頭的工作負荷。但預熱火焰離工件必須保持一定距離，以在保證不熔化金屬的前提下，盡量充分加熱待焊金屬。當焊接到平板邊緣時，停止火焰預熱裝置，以免浪費火焰和傷害背板。

有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：

(1)這是一種新式的攪拌摩擦焊工具，根據振動和扭矩傳感器的反饋信號可調節火焰預熱程度，有利于焊接區域金屬塑化。

(2)動態扭矩傳感器和振動傳感器的輸出信號反映了焊接區域金屬塑化程度和焊接過程穩定狀態。

(3)結構簡單、實用性強。該焊具部件較少、成本低廉、容易實現且裝配方便，這對于其推廣與應用具有重要的現實意義。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖2為本發明中旋轉套與主軸的另一種連接示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1和圖2所示，本發明的一種基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內依次設有第一支撐板、第二支撐板和第三支撐板，所述第一支撐板上安裝有主電機1，第二支撐板上安裝有動態扭矩傳感器2，在第三支撐板上安裝有振動傳感器3，主電機1通過動態扭矩傳感器2與主軸11連接，在主軸11撒花姑娘套有旋轉套7，旋轉套7上安裝有軸承5，軸承5位于支撐座6內，旋轉套7與主軸11連接，主軸11底端與攪拌頭8連接，在攪拌頭8沿著焊縫的焊接方向設有火焰預熱裝置10，所述振動傳感器3和動態扭矩傳感器2均與控制器連接，控制器與火焰預熱裝置10連接。

在本發明中，旋轉套7與主軸11可以通過螺釘固定連接。旋轉套7與主軸11還可以如圖2所示的一種連接方式，所述主軸11設有圓形導軌18，圓形導軌18上套有彈簧20再擰入主軸11上，圓形導軌18的末端頂住旋轉套7，能自適應的調整旋轉套與主軸件的距離。

在本發明中，所述第三支撐板上設有圓周均布的四個激光測距裝置，四個激光測距裝置所測得到工件9的距離分別為L1、L2、L3和L4，安裝攪拌頭8時，L1＝L2＝L3＝L4；焊接過程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05時，攪拌頭8傾斜，停止焊接。

在本發明中，主電機1可采用結構緊湊、輸出力矩較大的永磁電動機；動態扭矩傳感器2可采用市面上常規型號；振動傳感器3可采用市面上常用的加速度傳感器；旋轉套7可采用普通碳鋼制作；攪拌頭則采用高溫合金進行加工；火焰預熱裝置10可采用常規乙炔火焰裝置，火焰預熱裝置10通過支撐架與外殼連接在一起，與外殼同步運動。

一種上述的基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具的焊接方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)按照由下而上的順序，將主軸11穿過旋轉套7、軸承5、動態扭矩傳感器2后，與主電機1的輸出軸連接，將主軸11與旋轉套7連接；

(2)測試動態扭矩傳感器2和振動傳感器3是否有數據輸出，如正常轉下一步，如不正常，進行檢測并調試正常；

(3)測試火焰預熱裝置10是否正常，如正常轉下一步，如不正常，替換或維修至正常后進行下一步；

(4)將攪拌頭8與主軸11固定連接。

(5)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上；

(6)將動態扭矩傳感器2、振動傳感器3通電；

(7)啟動焊機主電機1，使攪拌摩擦焊具旋轉，同時設定扭矩和振動閾值范圍；

(8)整個焊具開始下降，當攪拌頭8開始接觸工件9時，開始記錄動態扭矩傳感器2、振動傳感器3的輸出，當下壓深度達到目標值時，進入初始預熱階段；

(9)初始預熱階段結束后，火焰預熱裝置10開始工作；

(10)攪拌頭8開始移動，焊接過程中，根據振動傳感器3和動態扭矩傳感器2的輸出，當焊接扭矩和振動幅值均在閾值范圍內，維持當前焊接參數不變；只要焊接扭矩超過閾值，增強火焰預熱強度；當焊接扭矩在閾值范圍內、振動幅值超過幅值時，降低火焰預熱強度；當焊接扭矩和振動幅值小于閾值范圍，可增加焊接速度；

(11)焊接結束后，停止火焰預熱裝置10，提升焊具，使攪拌摩擦頭脫離工件9，焊接結束，拆下攪拌頭8。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。