基于焊接溫度對(duì)攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整的制作方法
【專利摘要】提供了一種攪拌摩擦焊接方法。該方法包括，通過沿著兩個(gè)部件之間的接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具來開始攪拌摩擦焊接操作?？梢詼y(cè)量產(chǎn)生的焊縫的溫度。由此，控制器可以調(diào)整與攪拌摩擦焊接過程關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)，減小焊縫的期望與實(shí)測(cè)溫度之間的差。期望的溫度可以對(duì)應(yīng)于部件塑化的溫度。工藝參數(shù)可以包括：攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)速度、饋送速率、沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ唛L度的軸向力、及攪拌摩擦焊接工具的傾斜角。
【專利說明】基于焊接溫度對(duì)攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容總體上涉及攪拌摩擦焊接(friction stir welding),尤其涉及用于提高通過攪拌摩擦焊接產(chǎn)生的焊縫質(zhì)量的方法、裝置與計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)開發(fā)出各種各樣的方法和裝置來結(jié)合兩個(gè)部件。用于結(jié)合兩個(gè)部件的方法的例子實(shí)施例包括粘合劑鍵合、焊接、緊固件的使用等。在結(jié)合某些材料(例如金屬)的背景下，焊接(welding)被確定為目前使用的合適方法。
[0003]存在各種形式的焊接方法。焊接方法的例子實(shí)施例包括激光焊接、弧焊、氣焊和攪拌摩擦焊接。攪拌摩擦焊接相比其它形式的焊接可能存在某些優(yōu)勢(shì)。例如，攪拌摩擦焊接不涉及把被焊接的部件加熱到像其它形式的焊接那么高的程度。另外，攪拌摩擦焊接不需要使用有可能把污染物引入焊縫的焊劑或氣體。但是，利用攪拌摩擦焊接形成適當(dāng)結(jié)實(shí)和美觀的焊縫還存在某些挑戰(zhàn)。
[0004]相應(yīng)地，提供了改進(jìn)的攪拌摩擦焊接的裝置與方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]提供了一種攪拌摩擦焊接方法。該方法可以由用于攪拌摩擦焊接的各種系統(tǒng)進(jìn)行。例如，用于攪拌摩擦焊接的這樣一種系統(tǒng)可以包括攪拌摩擦焊接工具、旋轉(zhuǎn)該攪拌摩擦焊接工具的電動(dòng)機(jī)、移動(dòng)攪拌摩擦焊接并且向被焊接的部件施力的致動(dòng)器、配置成確定所產(chǎn)生的焊縫溫度的一個(gè)或多個(gè)傳感器、及配置成控制與操作攪拌摩擦焊接系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的工藝參數(shù)的控制器。
[0006]該方法可以包括，通過沿著被焊接的兩個(gè)部件之間的接縫，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具來開始攪拌摩擦焊接操作。當(dāng)攪拌摩擦焊接開始時(shí)，可以測(cè)量由攪拌摩擦焊接工具產(chǎn)生的焊縫的溫度。由此，基于來自溫度傳感器的反饋，可以調(diào)整與攪拌摩擦焊接操作關(guān)聯(lián)的一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)。
[0007]工藝參數(shù)可以包括:攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)速度、攪拌摩擦焊接工具跨接縫的長度移動(dòng)的饋送速率、沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ叩拈L度向被焊接的部件施加的軸向力、及攪拌摩擦焊接工具的傾斜角。通過在攪拌摩擦焊接過程進(jìn)行的同時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，可以減小焊縫的實(shí)測(cè)溫度與焊縫的期望溫度之間的溫度差。就此而言，期望的溫度可以對(duì)應(yīng)于部件塑化的溫度，這是攪拌摩擦焊接在理想情況下發(fā)生的溫度。
[0008]還提供了用于控制攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的相關(guān)計(jì)算機(jī)代碼。
[0009]通過審查以下附圖與具體描述，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本公開內(nèi)容的其它裝置、方法、特征與優(yōu)點(diǎn)將或者將變得顯而易見。所有這種附加的系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點(diǎn)都要包括在本描述中、在本公開內(nèi)容的范圍內(nèi)并且受所附權(quán)利要求的保護(hù)。
【專利附圖】

【附圖說明】[0010]所包括的附圖是為了說明并且僅僅是用來提供所公開組件、方法和系統(tǒng)的可能結(jié)構(gòu)與布置的例子。這些圖不是要以任何方式限定在不背離本公開內(nèi)容主旨與范圍的情況下可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本公開內(nèi)容進(jìn)行的形式與細(xì)節(jié)的任何改變。
[0011]圖1說明了攪拌摩擦焊接中所執(zhí)行操作的透視圖；
[0012]圖2說明了基于攪拌摩擦焊接操作過程中旋轉(zhuǎn)速度與饋送速率的變化的溫度響應(yīng)曲線；
[0013]圖3說明了基于攪拌摩擦焊接操作過程中旋轉(zhuǎn)速度、饋送速率與軸向力的變化的三維溫度響應(yīng)曲線；
[0014]圖4說明了根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的示意圖；
[0015]圖5根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例說明了圖4攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的部分透視圖，該攪拌摩擦焊接系統(tǒng)包括離攪拌摩擦焊接工具以固定距離安裝的多個(gè)溫度傳感器；
[0016]圖6根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例說明了圖4攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的部分側(cè)視圖，該攪拌摩擦焊接系統(tǒng)包括在墊板中安裝的多個(gè)溫度傳感器；
[0017]圖7說明了圖6中所說明的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的部分的端視圖；
[0018]圖8根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例說明了圖4攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的一部分的端視圖，該攪拌摩擦焊接系統(tǒng)包括安裝在墊板中的多個(gè)溫度傳感器和多個(gè)接近度傳感器，溫度傳感器距離被焊接的部件之間的接縫有垂直移位，而接近度傳感器與該接縫對(duì)準(zhǔn)；
[0019]圖9根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例說明了圖4攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的一部分的側(cè)視圖，該攪拌摩擦焊接系統(tǒng)包括安裝在墊板中的多個(gè)溫度傳感器和多個(gè)接近度傳感器，溫度傳感器和接近度傳感器交替地布置并與被焊接的部件之間的接縫對(duì)準(zhǔn)；
[0020]圖10說明了根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例的攪拌摩擦焊接方法；及
[0021]圖11說明了根據(jù)本公開內(nèi)容一種例子實(shí)施例的電子設(shè)備的框圖。
具體實(shí)施例
[0022]這部分中描述根據(jù)本公開內(nèi)容的裝置、系統(tǒng)與方法的示例性應(yīng)用。這些例子的提供僅僅是增加背景并幫助理解本公開內(nèi)容。因而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說很顯然，本公開內(nèi)容沒有這些具體細(xì)節(jié)中的一些或全部也可以實(shí)踐。在其它情況下，眾所周知的工藝步驟沒有具體描述，以避免不必要地模糊本公開內(nèi)容。其它應(yīng)用也是可能的，以至于以下例子不應(yīng)當(dāng)理解是是限制。
[0023]攪拌摩擦焊接是用于結(jié)合兩個(gè)部件的一種方法，相對(duì)于其它形式的焊接，該方法可能存在某些優(yōu)勢(shì)。例如，攪拌摩擦焊接可能不把被焊接的部件加熱到像其它的焊接形式那么高的程度。就此而言，某些材料可能不能承受與其它焊接形式關(guān)聯(lián)的溫度。另外，讓部件經(jīng)受高溫可能造成部件翹曲。因?yàn)闊崃?，?yīng)力也會(huì)在部件之間的接縫處產(chǎn)生，這可能最終導(dǎo)致焊縫故障。
[0024]此外，攪拌摩擦焊接的好處還在于它不需要使用有可能把污染物引入焊縫的焊劑或氣體。把污染物引入焊縫可能影響隨后對(duì)該部件執(zhí)行的其它操作。例如，當(dāng)污染物引入焊縫之后，可能更難以陽極電鍍?cè)摬考?br> [0025]攪拌摩擦焊接是一種固態(tài)結(jié)合過程(這意味著金屬不熔化)而且可以在原始金屬特性必須盡可能保持不變的應(yīng)用中使用。通過在接縫的位置機(jī)械地混合兩塊金屬、把它們變形成允許利用機(jī)械壓力熔合金屬的軟化狀態(tài)，攪拌摩擦焊接被實(shí)現(xiàn)。盡管其它材料也可以被焊接，但是這種工藝主要用在鋁上，而且最經(jīng)常地是用在不能很容易地在焊接之后進(jìn)行熱處理以便恢復(fù)回火特性的大塊的鋁。
[0026]圖1示意性地說明了攪拌摩擦焊接過程的一種例子實(shí)施例。如所說明的，第一部件100可以利用持續(xù)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具104經(jīng)攪拌摩擦焊接結(jié)合到第二部件102，其中攪拌摩擦焊接工具104包括錘頭106和從其延伸的銷108。為了沿著之間的接縫110把第一部件100和第二部件102焊接到一起，例如，通過在起點(diǎn)114沿路徑112向下引導(dǎo)工具，攪拌摩擦焊接工具104可以首先插入接縫中。然后，工具104可以沿著第一部件100和第二部件102之間的接縫110沿著路徑116橫向饋送，其中第一部件100和第二部件102可以緊緊地夾到一起。銷108可以比所需的焊接深度稍短，讓錘頭106騎在工作表面之上。
[0027]摩擦熱在固定攪拌摩擦焊接工具104及被焊接點(diǎn)部件100、102的耐磨焊接組件之間產(chǎn)生。這種熱量連同由機(jī)械混合過程產(chǎn)生的熱量及材料內(nèi)部的絕熱熱(adiabatic heat)一起使被攪拌的材料軟化(soften)并塑化(plasticized),但不熔化(melting)。當(dāng)銷108沿著路徑116向前移動(dòng)時(shí)，塑化的材料移動(dòng)到后面，在那里夾緊力有助于焊接的鍛造凝固。攪拌摩擦焊接工具104沿著材料的塑化管狀軸中的焊接線穿行的這個(gè)過程可能導(dǎo)致嚴(yán)重的固態(tài)變形，涉及基底材料的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。在接縫110處穿行路徑116之后，攪拌摩擦焊接工具104可以在結(jié)束點(diǎn)118沿著路徑120向上從材料抬起。相應(yīng)地，沿著起點(diǎn)114與結(jié)束點(diǎn)118之間的接縫110會(huì)產(chǎn)生焊縫。
[0028]經(jīng)攪拌摩擦焊接形成具有期望強(qiáng)度與美觀屬性的焊縫可能存在某些問題。傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊接關(guān)于確定攪拌摩擦焊接過程中所采用的各種工藝參數(shù)可能涉及反復(fù)試驗(yàn)。就此而言，攪拌摩擦焊接可能涉及把攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)速度設(shè)定為固定數(shù)值，然后測(cè)試各種饋送速率和/或軸向力，來確定哪些參數(shù)工作得最好。一旦確定了這些工藝參數(shù)，當(dāng)要制造一個(gè)產(chǎn)品的多個(gè)單元時(shí)，這些參數(shù)就可以在每對(duì)部件的攪拌摩擦焊接過程中重復(fù)采用。
[0029]但是，這種過程可能不會(huì)對(duì)要焊接的每對(duì)部件都產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫。就此而言，在部件之間可能存在屬于制造容限內(nèi)的部件尺寸與形狀的某些差異。另外，周圍環(huán)境在焊接過程中也可能變化，這會(huì)影響部件的溫度、尺寸和/或形狀。此外，在制造過程中焊接操作可能由于多種原因而停止并重新開始。由此，在開始/停止位置的部件的溫度可能與持續(xù)焊接操作中的溫度不同。與攪拌摩擦焊接關(guān)聯(lián)的條件中的上述變化可能使具有預(yù)定義焊接參數(shù)的攪拌摩擦焊接產(chǎn)生不一致的結(jié)果。
[0030]如以上所指出的，經(jīng)攪拌摩擦焊接產(chǎn)生高質(zhì)量的焊縫可能需要把要焊接的部件加熱到合適的溫度，使得該部件在接縫處塑化，但不熔化。就此而言，圖2說明了基于攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)速度202和攪拌摩擦焊接的饋送速率204的變化的溫度響應(yīng)曲線。如所圖示的，旋轉(zhuǎn)速度202與饋送速率204的各種組合可以產(chǎn)生塑化區(qū)域206，在這個(gè)區(qū)域中，被焊接的部件加熱到合適的溫度，使得它們被塑化并且適當(dāng)?shù)鼗旌?，形成理想的焊縫。但是，也可能產(chǎn)生加熱不足的區(qū)域208，在那里旋轉(zhuǎn)速度202與饋送速率204的組合沒有產(chǎn)生足夠的熱量來塑化被焊接的部件，由此部件之間的混合受阻并且部件可能不能適當(dāng)?shù)亟Y(jié)合。相反，也可能產(chǎn)生過熱的區(qū)域210，在那里旋轉(zhuǎn)速度202與饋送速率204的組合產(chǎn)生超過令材料塑化的溫度的熱量。相應(yīng)地，部件可能在過熱的區(qū)域210中熔化，導(dǎo)致差的焊縫。[0031]但是，本 申請(qǐng)人:已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，各種其它參數(shù)會(huì)影響被焊接的部件的溫度。例如，沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ叩拈L度、向被焊接的部件施加的軸向力和攪拌摩擦焊接工具的傾斜角也可能影響被焊接的部件的溫度，并且因此影響部件塑化的條件。可以為這些工藝參數(shù)中的每一個(gè)確定溫度響應(yīng)曲線。例如，溫度響應(yīng)曲線可以經(jīng)對(duì)要焊接的部件的計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行的有限元分析(FEA)來確定?？蛇x地，溫度響應(yīng)曲線可以通過調(diào)整工藝參數(shù)并記錄焊縫溫度的結(jié)果變化來憑經(jīng)驗(yàn)確定。例如，可以一次改變一個(gè)工藝參數(shù)，以避免混淆所得到的溫度變化的造成原因。
[0032]圖3說明了基于攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)速度302、攪拌摩擦焊接工具的饋送速率304和沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ叩拈L度向被焊接的部件施加的軸向力306的變化的溫度響應(yīng)曲線的三維圖300。就此而言，在有些實(shí)施例中，多條溫度響應(yīng)曲線可以組合到三維格式中。如所說明的，三個(gè)工藝參數(shù)302、304、306可以按照某種組合產(chǎn)生塑化區(qū)域308。應(yīng)當(dāng)指出，圖2和3中所提供的圖總體上說明了所產(chǎn)生的塑化區(qū)域。就此而言，除其它因素之外，塑化區(qū)域的特性可以依賴被焊接的材料的類型而變。
[0033]相應(yīng)地，本 申請(qǐng)人:已經(jīng)確定，為了產(chǎn)生理想的焊縫，可能期望在攪拌摩擦焊接過程中主動(dòng)控制工藝參數(shù)，以便在塑化區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)期望的焊接溫度。就此而言，圖4說明了根據(jù)本公開內(nèi)容一種實(shí)施例的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400。攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400可以包括攪拌摩擦焊接工具402，該工具配置成沿其間的接縫408把第一部件404攪拌摩擦焊接到第二部件406。在所說明的實(shí)施例中，第一部件404和第二部件406被定位為對(duì)接放置。但是，第一部件404和第二部件406可以在各種配置中焊接到一起。
[0034]電動(dòng)機(jī)410可以配置成通過旋轉(zhuǎn)耦合在其間的心軸412來旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊接工具402。另外，致動(dòng)器414可以配置成向第一部件404和第二部件406沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ?02施加軸向力。另外，致動(dòng)器414可以沿著其間的接縫408相對(duì)于第一部件404和第二部件406移位所述攪拌摩擦焊接工具402。在所說明的實(shí)施例中，致動(dòng)器414包括機(jī)器人組件。如所說明的，機(jī)器人組件可以包括一個(gè)或多個(gè)手臂416、一個(gè)或多個(gè)關(guān)節(jié)418及一個(gè)底座420。因而，手臂416可以關(guān)于關(guān)節(jié)418旋轉(zhuǎn)，以便在適當(dāng)?shù)奈恢枚ㄎ粩嚢枘Σ梁附庸ぞ?02，攪拌摩擦焊接部件404、406之間的接縫408。但是，致動(dòng)器的各種其它實(shí)施例(例如，龍門架系統(tǒng))也可以用來控制攪拌摩擦焊接工具402相對(duì)于被焊接的部件404、406的位置。
[0035]不管采用什么特定的致動(dòng)器實(shí)施例，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400都可以進(jìn)一步包括控制器422。控制器422可以配置成控制致動(dòng)器414、電動(dòng)機(jī)410和/或攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400的其它部分。因而，系統(tǒng)400可以沿其間的接縫408把第一部件404和第二部件406焊接到一起。為了清晰，未示出的緊固件可以用來在攪拌摩擦焊接過程中把部件404、406保持在適當(dāng)?shù)奈恢煤?或沿著接縫408彼此相對(duì)地按壓這些部件。
[0036]如圖5中進(jìn)一步說明的，系統(tǒng)400可以附加地包括配置成測(cè)量第一部件404和第二部件406中至少一個(gè)的溫度的一個(gè)或多個(gè)傳感器424、426、428。更具體地說，傳感器可以包括位于攪拌摩擦焊接工具402附近的溫度傳感器424。這個(gè)傳感器424可以與攪拌摩擦焊接工具402接觸，以便間接地確定攪拌摩擦焊接工具402在其中旋轉(zhuǎn)而在第一部件404和第二部件406之間產(chǎn)生的焊縫430的溫度。
[0037]傳感器可以附加地或可選地包括下游溫度傳感器426，該溫度傳感器確定在攪拌摩擦焊接工具402下游在第一部件404和第二部件406之間產(chǎn)生的焊縫430的溫度。就此而言，下游溫度傳感器426可以安裝到手臂432，該手臂432相對(duì)于焊接方向434把下游溫度傳感器定位到攪拌摩擦焊接工具402后面。通過確定部件404、406在攪拌摩擦焊接工具402或者其稍微下游一點(diǎn)的溫度，溫度傳感器424、426可以用來確定攪拌摩擦焊接過程要把所述部件加熱到的溫度。
[0038]相應(yīng)地，各種工藝參數(shù)可以調(diào)整成達(dá)到從攪拌摩擦焊接產(chǎn)生的焊縫430的期望溫度。應(yīng)當(dāng)指出，初始的攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)可以通過反復(fù)試驗(yàn)憑經(jīng)驗(yàn)確定，如以上所描述的。然后，該初始工藝參數(shù)可以基于以焊縫產(chǎn)生溫度的形式提供的反饋來調(diào)整，如以下所描述的。
[0039]傳感器還可以包括上游溫度傳感器428，該溫度傳感器配置成確定在攪拌摩擦焊接工具402上游的第一部件404和第二部件406的溫度。就此而言，上游溫度傳感器428可以安裝到手臂438，該手臂438相對(duì)于焊接方向434把上游溫度傳感器定位到攪拌摩擦焊接工具402的前面。通過確定攪拌摩擦焊接工具402上游部件404、406的溫度，可以知道攪拌摩擦焊接之前該部件的溫度。由于攪拌摩擦焊接之前部件404、406的初始溫度會(huì)影響焊縫430的結(jié)果溫度，因此可能期望知道部件的初始溫度，使得工藝參數(shù)可以調(diào)整成達(dá)到焊縫的期望溫度，如以下所討論的。
[0040]在有些實(shí)施例中，部件404、406可以在焊接之前預(yù)熱。通過預(yù)熱第一部件404和第二部件406，通過旋轉(zhuǎn)攪拌摩擦焊接工具402的摩擦產(chǎn)生的所需熱量可以減少。就此而言，由于預(yù)熱的第一和第二部件404、406需要更少的附加熱量達(dá)到允許定義第一和第二部件的材料混合的塑化狀態(tài)，因此攪拌摩擦焊接工具402可以以更低的速度旋轉(zhuǎn)。相應(yīng)地，攪拌摩擦焊接工具402的壽命可以延長。另外，由于，作為預(yù)熱的結(jié)果，第一和第二部件404、406可以更容易地混合，攪拌摩擦焊接工具402橫穿接縫408的速度可以提高。但是，預(yù)熱可能不在所有實(shí)施例中進(jìn)行。
[0041]在一種備選實(shí)施例中，傳感器可以安裝在緊固件中，而不是相對(duì)于攪拌摩擦焊接工具402固定。例如，圖6說明了一種實(shí)施例，其中溫度傳感器440安裝在墊板442中，在攪拌摩擦焊接過程中，第一和第二部件404、406放在該墊板442上。如所說明的，包括溫度傳感器440的熱電偶堆444可以沿墊板442 (或者至少其一部分)的長度延伸，使得溫度傳感器沿被焊接的部件404、406的長度延伸。相應(yīng)地，第一部件404和/或第二部件406的溫度可以在攪拌摩擦焊接工具402處、和/或攪拌摩擦焊接工具稍微下游一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，以便確定焊縫430的溫度。此外，溫度傳感器440可以測(cè)量攪拌摩擦焊接工具402上游的第一部件404和/或第二部件406的溫度，以便確定部件的初始溫度。
[0042]如圖7中所說明的，在一種實(shí)施例中，墊板442中的溫度傳感器440可以沿部件404、406之間的接縫408定位。相應(yīng)地，焊縫430的溫度可以通過靠近接縫408放置溫度傳感器440來確定。但是，在備選實(shí)施例中，溫度傳感器440可以放在不同的位置。
[0043]例如，圖8說明了一種實(shí)施例，其中溫度傳感器440安裝在墊板442中，但是距離部件404、406之間的接縫有垂直移位。在有些實(shí)施例中，控制器422可以考慮在溫度傳感器位置處440的部件404、406的溫度及接縫408處焊縫430的溫度的任何變化。例如，這個(gè)溫度變化可以憑經(jīng)驗(yàn)確定。
[0044]如圖8中進(jìn)一步說明的，在有些實(shí)施例中，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400可以進(jìn)一步包括一個(gè)或多個(gè)接近度傳感器446。接近度傳感器446可以配置成確定攪拌摩擦焊接工具402沿接縫408進(jìn)入部件404、408的插入深度。盡管接近度傳感器的各種其它實(shí)施例可以在其它實(shí)施例中使用，但是，在一種實(shí)施例中，接近度傳感器446可以包括電容式、多普勒效應(yīng)、渦流，電感式、激光、磁性、光學(xué)、雷達(dá)和/或聲納傳感器。包括接近度傳感器446的接近感測(cè)堆448可以沿墊板442 (或者至少其一部分)的長度延伸，使得接近度傳感器沿被焊接的部件404、406的長度延伸。相應(yīng)地，接近感測(cè)堆448能夠確定旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具402在其沿著被焊接的部件404、406之間的接縫408移動(dòng)時(shí)的插入深度。
[0045]如所說明的，在攪拌摩擦焊接過程中，接近度傳感器446可以與部件404、406之間的接縫408對(duì)準(zhǔn)，使得接近度傳感器與攪拌摩擦焊接工具402對(duì)準(zhǔn)。就此而言，接近度傳感器446可以在攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400的實(shí)施例中采用，其中溫度傳感器440距離部件404、406之間的接縫408有垂直移位?？商鎿Q地，如圖9中所說明的，溫度傳感器440和接近傳感器446可以安裝到墊板442中，使得它們沿部件404、406之間接縫408的長度交替布置。相應(yīng)地，提供了用于溫度傳感器440和接近度傳感器446的各種安裝選項(xiàng)。
[0046]控制器422 (或者一個(gè)獨(dú)立的控制器)可以配置成指示致動(dòng)器414動(dòng)態(tài)調(diào)整攪拌摩擦焊接工具402的插入深度。更具體地說，控制器422可以配置成，在沿著部件404、406之間的接縫408引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具402的同時(shí)，指示致動(dòng)器414減小由接近度傳感器446測(cè)出的插入深度與期望插入深度之間的插入深度差。就此而言，由于制造容限內(nèi)部件404、406的材料厚度與形狀的變化，攪拌摩擦焊接工具402可能延伸到部件404、406之間的接縫408中太大或太小的插入深度。
[0047]如果攪拌摩擦焊接工具402沒有延伸到部件404、406之間的接縫408中足夠遠(yuǎn)，就會(huì)形成不完整的焊縫，這種焊縫具有比期望低的強(qiáng)度。可替換地，如果攪拌摩擦焊接工具402延伸到部件404、406之間的接縫408中太遠(yuǎn)，則攪拌摩擦焊接工具402會(huì)接觸到墊板，這會(huì)造成對(duì)攪拌摩擦焊接工具、墊板和/或墊板中傳感器(例如溫度傳感器440)的損壞。相應(yīng)地，通過主動(dòng)控制攪拌摩擦焊接工具402的插入深度，這些問題都可以避免。
[0048]如以上所指出的，各種工藝參數(shù)可以調(diào)整成達(dá)到從攪拌摩擦焊接過程產(chǎn)生的焊縫430的期望溫度。就此而言，控制器422 (或者一個(gè)可選的控制器)可以配置成調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)，來減小溫度傳感器(例如，傳感器424、426和/或440)測(cè)出的溫度與焊縫期望的溫度之間的溫度差。如以上所描述的，焊縫430的期望溫度可以憑經(jīng)驗(yàn)確定成對(duì)應(yīng)于部件404、406塑化的溫度。
[0049]相應(yīng)地，控制器422可以調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)，以便達(dá)到期望的溫度并在接縫408處塑化構(gòu)成部件404、406的材料，形成焊縫。各種工藝參數(shù)都可以被調(diào)整。作為例子，工藝參數(shù)可以包括:攪拌摩擦焊接工具402沿接縫408的饋送速率、攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)速度、和/或沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ叩拈L度施加的軸向力。
[0050]饋送速率(攪拌摩擦焊接工具402的橫穿速度)可以由包括在致動(dòng)器414中的傳感器確定，這允許控制器422控制攪拌摩擦焊接工具的位置。與其關(guān)聯(lián)的時(shí)間變化去除攪拌摩擦焊接工具位置的變化，控制器可計(jì)算以確定饋送速率。可替換地，可以采用一個(gè)獨(dú)立的傳感器來確定饋送速率。例如，圖4說明了從動(dòng)輪傳感器450 (follower wheel sensor),該傳感器配置成通過向一個(gè)或兩個(gè)部件旋轉(zhuǎn)并且把檢測(cè)到的旋轉(zhuǎn)發(fā)送到控制器422，然后控制器可以確定每單位時(shí)間行進(jìn)的距離，來確定饋送速率。但是，確定攪拌摩擦焊接工具402的相對(duì)饋送速率的傳感器的各種其它實(shí)施例都可以采用，例如光學(xué)傳感器。[0051]如圖4中進(jìn)一步說明的，旋轉(zhuǎn)速度傳感器452可以確定攪拌摩擦焊接工具402的旋轉(zhuǎn)速度。例如，盡管旋轉(zhuǎn)傳感器的各種其它實(shí)施例都可以采用，但是旋轉(zhuǎn)速度傳感器452可以包括配置成檢測(cè)攪拌摩擦焊接工具的旋轉(zhuǎn)的霍爾效應(yīng)傳感器。另外，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400可以附加地包括力傳感器454，該傳感器確定由致動(dòng)器414向被焊接的部件404、406沿?cái)嚢枘Σ梁附庸ぞ?02施加的軸向力。例如，在一種實(shí)施例中，力傳感器454可以包括應(yīng)變儀(strain gauge)。應(yīng)當(dāng)指出，為了清晰,上述配置成檢測(cè)各種工藝參數(shù)的傳感器450、452、454在剩余的圖中沒有說明。
[0052]相應(yīng)地，通過檢測(cè)各種工藝參數(shù)，一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以調(diào)整成達(dá)到令部件404、406塑化的焊縫430的期望溫度。例如，在焊縫430的實(shí)測(cè)溫度小于期望溫度的情況下，可以通過增加旋轉(zhuǎn)速度、增加軸向力和減小饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)動(dòng)態(tài)地調(diào)整工藝參數(shù)。相反，在該溫度大于期望溫度的情況下，動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以包括減小旋轉(zhuǎn)速度、減小軸向力和增加饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)。就此而言，增加的旋轉(zhuǎn)速度、軸向力和減小饋送速率通常會(huì)造成焊接溫度升高，而減小的旋轉(zhuǎn)速度、軸向力和增加饋送速率通常會(huì)造成焊接溫度下降。相應(yīng)地，控制器422可以在攪拌摩擦焊接過程中調(diào)整工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)焊縫430的期望溫度。
[0053]如圖6和9中所說明的，攪拌摩擦焊接工具402的傾斜角456也可以調(diào)整。就此而言，攪拌摩擦焊接工具402可以相對(duì)于垂直方向458傾斜，使得攪拌摩擦焊接工具的末梢指向焊接方向434。減小攪拌摩擦焊接工具402的傾斜角456會(huì)增加沿著接縫408垂直施加到部件404、406表面的力的成分，而增加該傾斜角會(huì)減小沿著該接縫垂直施加到部件表面的力的成分。由于攪拌摩擦焊接工具402的傾斜角456變化對(duì)焊縫430溫度產(chǎn)生的任何影響都可以憑經(jīng)驗(yàn)確定，而且可以相應(yīng)地調(diào)整傾斜角。
[0054]控制器422可以控制成在某種約束中調(diào)整工藝參數(shù)。這種約束可以基于攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400的限制。例如，電動(dòng)機(jī)410可以具有最大化的旋轉(zhuǎn)速度，而致動(dòng)器414可以具有關(guān)于它可以施加的最大軸向力和最大饋送速率的限制。約束還可以是用戶定義的。例如，可以輸入最小饋送速率，以確保攪拌摩擦焊接操作遵循期望的吞吐率。
[0055]還提供了相關(guān)的攪拌摩擦焊接方法。如圖10中所說明的，該方法可以包括在操作500沿著第一部件和第二部件之間的接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具，在其間形成焊縫。另外，該方法可以包括在操作502測(cè)量第一部件和第二部件中至少一個(gè)的溫度。此外，該方法可以包括在操作504動(dòng)態(tài)調(diào)整多個(gè)工藝參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)，以便在沿著接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)，減小所述溫度與焊縫期望溫度之間的溫度差，其中所述工藝參數(shù)包括攪拌摩擦焊接工具的軸向力、饋送速率和旋轉(zhuǎn)速度。
[0056]在有些實(shí)施例中，工藝參數(shù)可以進(jìn)一步包括攪拌摩擦焊接工具的傾斜角。此外，在溫度低于期望溫度的情況下，在操作504動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以包括增加旋轉(zhuǎn)速度、增加軸向力和減小饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)。另外，在溫度高于期望溫度的情況下，在操作504動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以包括減小旋轉(zhuǎn)速度、減小軸向力和增加饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)。
[0057]該方法可以進(jìn)一步包括基于軸向力的變化、旋轉(zhuǎn)速度的變化和饋送速率的變化，確定多條溫度響應(yīng)曲線。就此而言，在操作504動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)可以包括基于溫度響應(yīng)曲線動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)。確定溫度響應(yīng)曲線可以包括憑經(jīng)驗(yàn)確定溫度響應(yīng)曲線或者經(jīng)有限元分析確定溫度響應(yīng)曲線。該方法還可以包括測(cè)量旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的插入深度并動(dòng)態(tài)調(diào)整該插入深度，以便在沿著接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)，減小該插入深度與期望的插入深度之間的插入深度差。
[0058]圖11是供所述實(shí)施例使用的電子設(shè)備600的框圖。在一種例子實(shí)施例中，電子設(shè)備600可以體現(xiàn)在用于攪拌摩擦焊接系統(tǒng)400的控制器422中或者作為控制器422。就此而言，電子設(shè)備600可以控制或執(zhí)行上述預(yù)熱和/或冷卻速率校準(zhǔn)操作。
[0059]電子設(shè)備600說明了具有代表性的計(jì)算設(shè)備的電路系統(tǒng)。電子設(shè)備600可以包括處理器602，該處理器602可以是控制電子設(shè)備600的整體操作的微處理器或控制器。在一種實(shí)施例中，處理器602可以具體地執(zhí)行在此所述的功能。電子設(shè)備600還可以包括存儲(chǔ)器設(shè)備604。存儲(chǔ)器設(shè)備604可以包括非臨時(shí)性而且有形的存儲(chǔ)器，這可以是例如易失性和/或非易失性存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器設(shè)備604可以配置成存儲(chǔ)信息、數(shù)據(jù)、文件、應(yīng)用、指令等。例如，存儲(chǔ)器設(shè)備604可以配置成緩沖用于由處理器602處理的輸入數(shù)據(jù)。附加地或者可選地，存儲(chǔ)器設(shè)備604可以配置成存儲(chǔ)由處理器602執(zhí)行的指令。
[0060]電子設(shè)備600還可以包括允許電子設(shè)備600的用戶與電子設(shè)備交互的用戶接口606。例如，用戶接口 606可以采取多種形式，例如按鈕、鍵區(qū)、撥號(hào)盤、觸摸屏、音頻輸入接口、可視/圖像捕捉輸入接口、傳感器數(shù)據(jù)形式的輸入等。還有，用戶接口 606可以配置成通過顯示器、揚(yáng)聲器或其它輸出設(shè)備向用戶輸出信息。通信接口 608可以提供通過例如有線或無線網(wǎng)絡(luò)，例如局域網(wǎng)(LAN)、城域網(wǎng)(MAN)和/或廣域網(wǎng)(WAN)，例如互聯(lián)網(wǎng)，發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。
[0061 ] 電子設(shè)備600還可以包括焊接模塊610。處理器602可以體現(xiàn)為、包括或者以別的方式控制焊接模塊610。焊接模塊610可以配置成用于控制或執(zhí)行攪拌摩擦焊接操作，包括例如在此所述的攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。
[0062]所述實(shí)施例的各個(gè)方面、實(shí)施例、實(shí)現(xiàn)或特征可以單獨(dú)地或者以任意組合使用。所述實(shí)施例的各方面可以由軟件、硬件或硬件與軟件的組合來實(shí)現(xiàn)。所述實(shí)施例還可以體現(xiàn)為計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)上用于控制機(jī)器操作的計(jì)算機(jī)可讀代碼。就此而言，如在此所使用的，計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)指可以被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)讀取的非臨時(shí)性的物理存儲(chǔ)介質(zhì)(例如，易失性或非易失性存儲(chǔ)器設(shè)備)。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)的例子包括只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、CD-ROM、DVD、磁帶和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備。計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)還可以經(jīng)網(wǎng)絡(luò)耦合的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分布，使得計(jì)算機(jī)可讀代碼以分布的方式存儲(chǔ)并執(zhí)行。
[0063]盡管為了清晰和理解已經(jīng)具體地通過說明和例子描述了前面的公開內(nèi)容，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在不背離本公開內(nèi)容主旨或基本特性的情況下，上述公開內(nèi)容可以在各種其它的具體變體與實(shí)施例中體現(xiàn)?？梢詫?shí)踐某些變化與修改，而且應(yīng)當(dāng)理解，本公開內(nèi)容不是由前面的細(xì)節(jié)限定的，而是由所附權(quán)利要求的范圍定義的。
【權(quán)利要求】
1.一種攪拌摩擦焊接方法，包括: 沿著第一部件與第二部件之間的接縫，引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具，在第一部件與第二部件之間形成焊縫； 測(cè)量第一部件與第二部件中至少一個(gè)的溫度；及 在沿著接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整多個(gè)工藝參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)，以便減小所述溫度與焊縫的期望溫度之間的溫度差，其中所述工藝參數(shù)包括:攪拌摩擦焊接工具的軸向力、饋送速率和旋轉(zhuǎn)速度。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中工藝參數(shù)還包括:攪拌摩擦焊接工具的傾斜角。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)包括:在所述溫度小于期望溫度的情況下，增加旋轉(zhuǎn)速度、增加軸向力和減小饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)包括:在所述溫度大于期望溫度的情況下，減小旋轉(zhuǎn)速度、減小軸向力和增加饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括基于軸向力的變化、旋轉(zhuǎn)速度的變化和饋送速率的變化，確定多條溫度響應(yīng)曲線， 其中動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)包括:基于所述溫度響應(yīng)曲線來動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所 述的方法，其中確定溫度響應(yīng)曲線包括:憑經(jīng)驗(yàn)確定溫度響應(yīng)曲線。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中確定溫度響應(yīng)曲線包括:經(jīng)有限元分析確定溫度響應(yīng)曲線。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括: 測(cè)量旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的插入深度；及 在沿接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整該插入深度，以便減小該插入深度與期望插入深度之間的插入深度差。
9.一種攪拌摩擦焊接系統(tǒng),包括: 攪拌摩擦焊接工具，配置成沿著接縫把第一部件攪拌摩擦焊接到第二部件； 電動(dòng)機(jī)，配置成以一個(gè)旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)所述攪拌摩擦焊接工具； 致動(dòng)器，配置成沿所述攪拌摩擦焊接工具向第一部件和第二部件施加軸向力，并且沿著該接縫相對(duì)于第一部件和第二部件移位所述攪拌摩擦焊接工具； 一個(gè)或多個(gè)傳感器，配置成測(cè)量第一部件和第二部件中至少一個(gè)的溫度；及 控制器，配置成在沿著接縫引導(dǎo)所述旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)，調(diào)整多個(gè)工藝參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)，以便減小傳感器所測(cè)溫度與焊縫的期望溫度之間的溫度差，其中所述工藝參數(shù)包括:所述攪拌摩擦焊接工具的軸向力、饋送速率和旋轉(zhuǎn)速度。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器是沿著接縫安裝的。
11.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器距離所述接縫有垂直移位。
12.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述傳感器安裝在墊板中。
13.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中致動(dòng)器還配置成控制所述攪拌摩擦焊接工具的傾斜角，所述工藝參數(shù)進(jìn)一步包括該傾斜角。
14.如權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，還包括:測(cè)量所述旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的插入深度的接近度傳感器，其中所述控制器進(jìn)一步配置成在沿著接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)，動(dòng)態(tài)調(diào)整該插入深度，以便減小由接近度傳感器所測(cè)插入深度與期望插入深度之間的插入深度差。
15.一種攪拌摩擦焊接系統(tǒng),包括: 用于沿著第一部件與第二部件之間的接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具以在第一部件與第二部件之間形成焊縫的裝置； 用于測(cè)量第一部件與第二部件中至少一個(gè)的溫度的裝置；及 用于在沿著接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整多個(gè)工藝參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)，以便減小該溫度與焊縫的期望溫度之間的溫度差的裝置，其中所述工藝參數(shù)包括:攪拌摩擦焊接工具的軸向力、饋送速率、傾斜角和旋轉(zhuǎn)速度。
16.如權(quán)利要求15所述的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，其中用于動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)的裝置包括:用于在所述溫度小于期望溫度的情況下增加旋轉(zhuǎn)速度、增加軸向力和減小饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)的裝置。
17.如權(quán)利要求15所述的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，其中用于動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)的裝置包括:用于在所述溫度大于期望溫度的情況下減小旋轉(zhuǎn)速度、減小軸向力和增加饋送速率中的一個(gè)或多個(gè)的裝置。
18.如權(quán)利要求15所述的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，還包括: 用于根據(jù)軸向力的變化、旋轉(zhuǎn)速度的變化和饋送速率的變化確定多條溫度響應(yīng)曲線的裝置， 其中用于動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多 個(gè)工藝參數(shù)的裝置包括:用于根據(jù)所述溫度響應(yīng)曲線動(dòng)態(tài)調(diào)整一個(gè)或多個(gè)工藝參數(shù)的裝置。
19.如權(quán)利要求18所述的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，其中用于確定所述溫度響應(yīng)曲線的裝置包括:用于經(jīng)有限元分析確定所述溫度響應(yīng)曲線的裝置。
20.如權(quán)利要求15所述的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，還包括: 用于測(cè)量所述旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的插入深度的裝置；及用于在沿著接縫引導(dǎo)旋轉(zhuǎn)的攪拌摩擦焊接工具的同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整該插入深度，以便減小該插入深度與期望插入深度之間的插入深度差的裝置。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK103658965SQ201310382101
【公開日】2014年3月26日 申請(qǐng)日期:2013年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2012年8月30日
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