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一種多功能攪拌摩擦焊具的制作方法

文檔序號(hào):12418251閱讀:398來源:國(guó)知局
一種多功能攪拌摩擦焊具的制作方法與工藝

本實(shí)用新型涉及多功能攪拌摩擦焊具,屬于焊接領(lǐng)域。



背景技術(shù):

自英國(guó)焊接研究所(TWI)于1991年實(shí)用新型了攪拌摩擦焊接方法以來,這項(xiàng)技術(shù)因其焊接變形小、殘余應(yīng)力小,無需保護(hù)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(chǎn)生弧光、煙塵、噪音污染等,同時(shí)能顯著降低成本、節(jié)省材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕飛行器的結(jié)構(gòu)重量等特點(diǎn)受到各國(guó)科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于這項(xiàng)技術(shù)具有很多其他方法所不具備的顯著特點(diǎn),它很快就被用于航天領(lǐng)域,新一代運(yùn)載火箭芯級(jí)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(zhì)量的焊接接頭,但是在工程實(shí)際操作中,經(jīng)常會(huì)有焊縫缺陷以及焊縫尾部出現(xiàn)“匙孔”。隨著焊接技術(shù)的輔助手段快速發(fā)展,機(jī)器人技術(shù)發(fā)展日趨成熟,但現(xiàn)有攪拌摩擦焊接設(shè)備沒有測(cè)量控制系統(tǒng),無法對(duì)焊接過程的位移、壓力、攪拌針扭矩和攪拌摩擦焊焊機(jī)振動(dòng)進(jìn)行合適的控制與檢測(cè);此外目前的攪拌摩擦焊接的裝備體積和重量普遍較大,難以直接安裝于機(jī)器人手臂的末端。

專利(CN 102728947A)提出了一個(gè)攪拌摩擦焊裝置,但沒有對(duì)如何實(shí)時(shí)測(cè)量攪拌頭下壓深度以及攪拌頭傾角提出具體方法;專利(CN 10475965 A)提出了一種攪拌摩擦焊接裝置,力矩電機(jī)定子固定安裝在主軸的內(nèi)孔中,使得整個(gè)裝置體積偏大,另外對(duì)于焊接的過程中對(duì)焊接參數(shù)的調(diào)整沒有提出具體的依據(jù)。因此設(shè)計(jì)出一種既具備傳統(tǒng)攪拌摩擦頭焊接功能,同時(shí)能最大程度地避免焊縫隧道缺陷的攪拌頭及其使用方法,還可以實(shí)時(shí)檢測(cè)客觀參數(shù)的焊具成為了一個(gè)迫在眉睫的重要任務(wù)。



技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:

實(shí)用新型目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足,本實(shí)用新型提供一種多功能攪拌摩擦焊具,通過全程監(jiān)控焊接的扭矩、振動(dòng)、壓入深度以及溫度,確保了焊接過程中每一時(shí)刻焊接狀態(tài)的穩(wěn)定性、安全性。

技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題,本實(shí)用新型的一種多功能攪拌摩擦焊具,包括焊具外殼,焊具外殼內(nèi)依次設(shè)有第一支撐架、第二支撐架和第三支撐架,在第一支撐架上安裝有主電機(jī),主電機(jī)通過扭矩傳感器與中心軸連接,中心軸與夾持有攪拌頭的旋轉(zhuǎn)夾具固定連接,所述扭矩傳感器位于第二支撐架上,在第三支撐架上安裝有若干個(gè)周向分布的激光測(cè)距裝置,在第三支撐架上還設(shè)有振動(dòng)傳感器,所述第三支撐架與位于下方的焊機(jī)機(jī)頭固定連接,焊機(jī)機(jī)頭內(nèi)設(shè)有一對(duì)軸承,軸承套在中心軸上。激光測(cè)距裝置分別從第 三支撐架的四個(gè)邊緣分別測(cè)量,一方面可以根據(jù)四個(gè)激光測(cè)距獲得的數(shù)據(jù)分析整個(gè)裝置是否有傾角;另一方面可以準(zhǔn)確的測(cè)量第三支撐架到工件的距離從而算出攪拌頭插入深度。

作為優(yōu)選,所述攪拌頭內(nèi)安裝有熱電偶傳感器,熱電偶傳感器通過導(dǎo)線與套在中心軸上的匯流環(huán)連接。

作為優(yōu)選,所述激光測(cè)距裝置有四個(gè),四個(gè)激光測(cè)距裝置沿中心軸軸線圓周均布布設(shè),激光測(cè)距裝置位于第三支撐板的外邊緣。

作為優(yōu)選,四個(gè)激光測(cè)距裝置所測(cè)得的距離分別為L(zhǎng)1、L2、L3和L4,安裝攪拌頭時(shí),L1=L2=L3=L4;焊接過程中,|L1-L3|/|L1|或|L2-L4|/|L2|的值大于0.05時(shí),攪拌頭傾斜,停止焊接。

作為優(yōu)選,所述扭矩傳感器測(cè)得的扭矩為T,若T值特別小,則說明焊接溫度過高,金屬已經(jīng)處于接近熔化狀態(tài),這樣會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)過寬從而降低焊接質(zhì)量,所以應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档娃D(zhuǎn)速或提高焊接速度;若T值特別大,則說明焊接溫度過低或者攪拌頭有傾角,此時(shí)通過激光測(cè)距裝置檢測(cè)攪拌頭是否垂直于工件,在排除攪拌頭有傾角的情況下,扭矩依然較大說明是由于焊接溫度低引起扭矩較大,此時(shí)只要適當(dāng)?shù)慕档秃附铀俣然蛱岣邤嚢桀^轉(zhuǎn)速。

作為優(yōu)選,所述振動(dòng)傳感器有兩個(gè),兩個(gè)分別用于檢測(cè)焊接方向和垂直方向的振動(dòng)情況的振動(dòng)傳感器沿中心軸對(duì)稱分布。

作為優(yōu)選,所述熱電偶傳感器檢測(cè)的溫度為K,當(dāng)溫度K超過被焊材料塑化溫度區(qū)間最高溫度20℃,降低攪拌頭轉(zhuǎn)速并增加焊接速度;當(dāng)溫度K低于被焊材料塑化溫度區(qū)間最低溫度時(shí),焊機(jī)控制攪拌頭提高轉(zhuǎn)速并減小焊接速度。

有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比,本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)扭矩、振動(dòng)、壓入深度以及溫度的檢測(cè)是對(duì)整個(gè)焊接過程的全程監(jiān)控,確保焊接過程中每一時(shí)刻焊接狀態(tài)的穩(wěn)定性、安全性。

(2)對(duì)于振動(dòng)的檢測(cè)不是單獨(dú)一個(gè)點(diǎn)的測(cè)量而是焊接方向和垂直方向都測(cè)量,獲得數(shù)據(jù)量更加可靠。

(3)另外主電機(jī)、扭矩傳感器、中心軸、攪拌摩擦頭等核心受力裝置的軸線處于同一條直線,這樣確保各部件受力平衡增強(qiáng)裝置的可靠性。

(4)振動(dòng)傳感器、激光測(cè)距裝置等零件分布既是鏡面對(duì)稱又是中心對(duì)稱的,這樣確保焊機(jī)的重心落在中軸線上,焊接過程中不會(huì)因?yàn)閼T性導(dǎo)致偏心而受力不均而引起數(shù)據(jù)測(cè)量不準(zhǔn)。

(5)在攪拌頭內(nèi)部安裝熱電偶,既可以通過溫度計(jì)算焊接過程中每一時(shí)刻的焊接線能 量,又可以幫助估算攪拌頭使用壽命及磨損情況。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖2為圖1中溫度檢測(cè)的結(jié)構(gòu)示意圖;

圖3為圖1中的振動(dòng)傳感器和激光測(cè)距裝置平面排布示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1至圖3所示,本實(shí)用新型的一種多功能攪拌摩擦焊具,包括焊具外殼1,焊具外殼1內(nèi)依次設(shè)有第一支撐架3、第二支撐架5和第三支撐架8,在第一支撐架3上安裝有主電機(jī)2,主電機(jī)2通過扭矩傳感器4與中心軸11連接,中心軸11與夾持有攪拌頭13的旋轉(zhuǎn)夾具12固定連接,攪拌頭13內(nèi)安裝有熱電偶傳感器,熱電偶傳感器通過導(dǎo)線與套在中心軸11上的匯流環(huán)連接。扭矩傳感器4位于第二支撐架5上,在第三支撐架8上安裝有四個(gè)眼中心軸11軸線周向分布的激光測(cè)距裝置6,分別為第一激光測(cè)距裝置6-1、第二激光測(cè)距裝置6-2、第三激光測(cè)距裝置6-3和第四激光測(cè)距裝置6-4,在第三支撐架8上還設(shè)有一對(duì)振動(dòng)傳感器7,兩個(gè)分別用于檢測(cè)焊接方向和垂直方向的振動(dòng)情況的振動(dòng)傳感器7沿中心軸11對(duì)稱分布,分別為焊接方向振動(dòng)傳感器7-1和垂直方向振動(dòng)傳感器7-2,所述第三支撐架8與位于下方的焊機(jī)機(jī)頭10固定連接,焊機(jī)機(jī)頭10內(nèi)設(shè)有一對(duì)軸承,軸承套在中心軸11上,軸承通過環(huán)形擋圈9固定在焊機(jī)機(jī)頭10內(nèi)。

在本實(shí)用新型中,扭矩傳感器4測(cè)得扭矩為T,通常焊接過程穩(wěn)定后T處于一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。若T值特別小,則說明焊接溫度過高,金屬已經(jīng)處于接近熔化狀態(tài),這樣會(huì)導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)過寬從而降低焊接質(zhì)量,所以應(yīng)適當(dāng)?shù)慕档娃D(zhuǎn)速或提高焊接速度;若T值特別大,則說明焊接溫度過低或者攪拌頭13有傾角,此時(shí)通過激光測(cè)距裝置6檢測(cè)攪拌頭13是否垂直于工件,在排除攪拌頭13有傾角的情況下,扭矩依然較大說明是由于焊接溫度低引起扭矩較大,此時(shí)只要適當(dāng)?shù)慕档秃附铀俣然蛱岣邤嚢桀^13轉(zhuǎn)速。

在本實(shí)用新型中,兩個(gè)中心對(duì)稱分布的振動(dòng)傳感器7分別用于檢測(cè)焊接方向和垂直方向的振動(dòng)情況,對(duì)前進(jìn)方向的振動(dòng)傳感器7輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析,根據(jù)其振動(dòng)的主頻成分,可進(jìn)一步確定扭矩傳感器4輸出信號(hào)的濾波頻率,從而獲得真實(shí)的焊接扭矩信號(hào)。對(duì)垂直方向的振動(dòng)傳感器7輸出信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜分析,根據(jù)其振動(dòng)的主頻成分,可進(jìn)一步確定激光測(cè)距裝置6輸出信號(hào)的濾波頻率,從而獲得真實(shí)的壓入深度數(shù)據(jù)。

其中第一激光測(cè)距裝置6-1測(cè)得的距離為L(zhǎng)1,第二激光測(cè)距裝置6-2測(cè)得的距離為L(zhǎng)2,第三激光測(cè)距裝置6-3測(cè)得的距離為L(zhǎng)3,第四激光測(cè)距裝置6-4測(cè)得的距離為L(zhǎng)4。通常L1=L2=L3=L4=L時(shí),說明攪拌頭13垂直于工件,激光測(cè)距裝置6與攪拌頭13在Z方向的差為X,此時(shí)壓入深度H=X-L;若L1、L2、L3、L4不相等,則攪拌頭13應(yīng)該向L值較小的一 邊傾斜,直到L1=L2=L3=L4=L時(shí)說明攪拌頭13擺正;焊接過程中若|L1-L3|/|L1|或|L2-L4|/|L2|的值大于0.05時(shí),說明由于外力或機(jī)械內(nèi)部原因造成攪拌頭13傾斜。

以2E12鋁合金為例,塑性溫度區(qū)間300℃--460℃,所述熱電偶傳感器檢測(cè)的溫度為K,當(dāng)k超過480℃,時(shí)為防止金屬過熱,降低攪拌頭轉(zhuǎn)速并增加焊接速度;當(dāng)溫度K低于300℃時(shí),金屬流動(dòng)性較差,焊機(jī)控制攪拌頭提高轉(zhuǎn)速并減小焊接速度。

其中熱電偶16安裝在攪拌頭13的內(nèi)部,其溫度信號(hào)通過匯流環(huán)15向外界輸出。焊機(jī)主機(jī)根據(jù)溫度K適當(dāng)調(diào)節(jié)攪拌頭13轉(zhuǎn)速及焊速,當(dāng)溫度K較高時(shí)為防止金屬過熱,降低攪拌頭13轉(zhuǎn)速并增加焊接速度;當(dāng)溫度K較低時(shí)金屬流動(dòng)性較差,焊機(jī)控制攪拌頭13提高轉(zhuǎn)速并減小焊接速度。除此之外,收集攪拌頭13內(nèi)部溫度信號(hào)的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行歸納整理,統(tǒng)計(jì)出各個(gè)溫度區(qū)間攪拌頭13工作時(shí)間,對(duì)于300℃~400℃工作時(shí)間記作t1,對(duì)于500℃~600℃工作時(shí)間記作t2,600℃~700℃工作時(shí)間記作t3,700℃~800℃工作時(shí)間記作t4,800℃以上工作時(shí)間記作t5,再根據(jù)攪拌頭13的制作材料、熱處理工藝、抗蠕變性能大致判斷出攪拌頭13的磨損程度,進(jìn)而推斷其使用壽命。

以上所述僅是本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式,應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本實(shí)用新型原理的前提下,還可以做出若干改進(jìn)和潤(rùn)飾,這些改進(jìn)和潤(rùn)飾也應(yīng)視為本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

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