本發(fā)明涉及基于扭矩和振動(dòng)反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，屬于攪拌摩擦焊領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自英國(guó)焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明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，但在對(duì)鋼管的進(jìn)行焊接時(shí)，仍然存在很多難點(diǎn)。

專利(申請(qǐng)?zhí)?01410792391.5)通過輔助熱源對(duì)需要焊接區(qū)域進(jìn)行預(yù)加熱，直至焊接材料達(dá)到塑化或者合金化狀態(tài)后，摩擦攪拌頭再沿輔助熱源加熱路徑前進(jìn)進(jìn)行摩擦焊接，即這個(gè)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(jìn)行焊接，但這個(gè)專利沒有提出如何調(diào)節(jié)焊接過程中的輔助熱源；專利(申請(qǐng)?zhí)?01210564760.6)使用了具有加熱絲的加熱箱體，將需要進(jìn)行攪拌摩擦焊接的鋼板進(jìn)行焊接前的加熱和焊接后的冷卻，但顯然這個(gè)方法所需要的加熱裝置巨大且適用性不強(qiáng)；此外還有專利(申請(qǐng)?zhí)?01210592979.7)將激光和攪拌摩擦焊這種復(fù)合焊接技術(shù)應(yīng)用于材質(zhì)較硬的焊接板，在焊接板的背面和正面設(shè)置激光束，但激光系統(tǒng)成本較高且能量過于集中，難以對(duì)焊接前方的較大區(qū)域進(jìn)行整體預(yù)熱。因此設(shè)計(jì)出一種既具備傳統(tǒng)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(jìn)行鋼管焊接的焊具成為了一個(gè)迫在眉睫的重要任務(wù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提出一種基于扭矩和振動(dòng)反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，根據(jù)振動(dòng)和扭矩傳感器的反饋信號(hào)可調(diào)節(jié)火焰預(yù)熱程度，有利于焊接區(qū)域金屬塑化。

技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的一種基于扭矩和振動(dòng)反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內(nèi)依次設(shè)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(jī)，第二支撐板上安裝有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，在第三支撐板上安裝有振動(dòng)傳感器，主電機(jī)通過動(dòng)態(tài)扭矩傳感器與主軸連接，在主軸撒花姑娘套有旋轉(zhuǎn)套，旋轉(zhuǎn)套上安裝有軸承，軸承位于支撐座內(nèi)，旋轉(zhuǎn)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(shè)有火焰預(yù)熱裝置。

作為優(yōu)選，所述振動(dòng)傳感器和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器均與控制器連接，控制器與火焰預(yù)熱裝置連接。

作為優(yōu)選，旋轉(zhuǎn)套與主軸通過螺釘固定連接。

作為優(yōu)選，所述主軸設(shè)有圓形導(dǎo)軌，圓形導(dǎo)軌上套有彈簧擰入主軸上，圓形導(dǎo)軌的末端頂住旋轉(zhuǎn)套。

作為優(yōu)選，所述第三支撐板上設(shè)有圓周均布的四個(gè)激光測(cè)距裝置，四個(gè)激光測(cè)距裝置所測(cè)得到工件的距離分別為L(zhǎng)1、L2、L3和L4，安裝攪拌頭時(shí)，L1＝L2＝L3＝L4；焊接過程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05時(shí)，攪拌頭傾斜，停止焊接。

在本發(fā)明中，振動(dòng)傳感器用于檢測(cè)焊接方向的振動(dòng)情況。該傳感器的輸出信號(hào)包括了以下信息：焊接區(qū)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(duì)攪拌頭的阻礙作用力較??；塑化程度較低的焊縫金屬會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)較大，且振動(dòng)信號(hào)不穩(wěn)定。動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的輸出包括了以下信息：當(dāng)焊接區(qū)域金屬塑性較差時(shí)，扭矩值較大；當(dāng)焊接區(qū)域金屬塑性較好時(shí)，扭矩較小。

在本發(fā)明中，調(diào)整火焰離開工件的距離即可調(diào)整火焰預(yù)熱的強(qiáng)弱?；鹧骖A(yù)熱裝置的作用是，對(duì)即將進(jìn)行焊接的區(qū)域進(jìn)行加熱，減輕攪拌頭的工作負(fù)荷。但預(yù)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(dāng)焊接到平板邊緣時(shí)，停止火焰預(yù)熱裝置，以免浪費(fèi)火焰和傷害背板。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)這是一種新式的攪拌摩擦焊工具，根據(jù)振動(dòng)和扭矩傳感器的反饋信號(hào)可調(diào)節(jié)火焰預(yù)熱程度，有利于焊接區(qū)域金屬塑化。

(2)動(dòng)態(tài)扭矩傳感器和振動(dòng)傳感器的輸出信號(hào)反映了焊接區(qū)域金屬塑化程度和焊接過程穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)。該焊具部件較少、成本低廉、容易實(shí)現(xiàn)且裝配方便，這對(duì)于其推廣與應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明中旋轉(zhuǎn)套與主軸的另一種連接示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示，本發(fā)明的一種基于扭矩和振動(dòng)反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內(nèi)依次設(shè)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(jī)1，第二支撐板上安裝有動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2，在第三支撐板上安裝有振動(dòng)傳感器3，主電機(jī)1通過動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2與主軸11連接，在主軸11撒花姑娘套有旋轉(zhuǎn)套7，旋轉(zhuǎn)套7上安裝有軸承5，軸承5位于支撐座6內(nèi)，旋轉(zhuǎn)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(shè)有火焰預(yù)熱裝置10，所述振動(dòng)傳感器3和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2均與控制器連接，控制器與火焰預(yù)熱裝置10連接。

在本發(fā)明中，旋轉(zhuǎn)套7與主軸11可以通過螺釘固定連接。旋轉(zhuǎn)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(shè)有圓形導(dǎo)軌18，圓形導(dǎo)軌18上套有彈簧20再擰入主軸11上，圓形導(dǎo)軌18的末端頂住旋轉(zhuǎn)套7，能自適應(yīng)的調(diào)整旋轉(zhuǎn)套與主軸件的距離。

在本發(fā)明中，所述第三支撐板上設(shè)有圓周均布的四個(gè)激光測(cè)距裝置，四個(gè)激光測(cè)距裝置所測(cè)得到工件9的距離分別為L(zhǎng)1、L2、L3和L4，安裝攪拌頭8時(shí)，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(shí)，攪拌頭8傾斜，停止焊接。

在本發(fā)明中，主電機(jī)1可采用結(jié)構(gòu)緊湊、輸出力矩較大的永磁電動(dòng)機(jī)；動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2可采用市面上常規(guī)型號(hào)；振動(dòng)傳感器3可采用市面上常用的加速度傳感器；旋轉(zhuǎn)套7可采用普通碳鋼制作；攪拌頭則采用高溫合金進(jìn)行加工；火焰預(yù)熱裝置10可采用常規(guī)乙炔火焰裝置，火焰預(yù)熱裝置10通過支撐架與外殼連接在一起，與外殼同步運(yùn)動(dòng)。

一種上述的基于扭矩和振動(dòng)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(zhuǎn)套7、軸承5、動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2后，與主電機(jī)1的輸出軸連接，將主軸11與旋轉(zhuǎn)套7連接；

(2)測(cè)試動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2和振動(dòng)傳感器3是否有數(shù)據(jù)輸出，如正常轉(zhuǎn)下一步，如不正常，進(jìn)行檢測(cè)并調(diào)試正常；

(3)測(cè)試火焰預(yù)熱裝置10是否正常，如正常轉(zhuǎn)下一步，如不正常，替換或維修至正常后進(jìn)行下一步；

(4)將攪拌頭8與主軸11固定連接。

(5)將整個(gè)焊具固定在攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)頭上；

(6)將動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2、振動(dòng)傳感器3通電；

(7)啟動(dòng)焊機(jī)主電機(jī)1，使攪拌摩擦焊具旋轉(zhuǎn)，同時(shí)設(shè)定扭矩和振動(dòng)閾值范圍；

(8)整個(gè)焊具開始下降，當(dāng)攪拌頭8開始接觸工件9時(shí)，開始記錄動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2、振動(dòng)傳感器3的輸出，當(dāng)下壓深度達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，進(jìn)入初始預(yù)熱階段；

(9)初始預(yù)熱階段結(jié)束后，火焰預(yù)熱裝置10開始工作；

(10)攪拌頭8開始移動(dòng)，焊接過程中，根據(jù)振動(dòng)傳感器3和動(dòng)態(tài)扭矩傳感器2的輸出，當(dāng)焊接扭矩和振動(dòng)幅值均在閾值范圍內(nèi)，維持當(dāng)前焊接參數(shù)不變；只要焊接扭矩超過閾值，增強(qiáng)火焰預(yù)熱強(qiáng)度；當(dāng)焊接扭矩在閾值范圍內(nèi)、振動(dòng)幅值超過幅值時(shí)，降低火焰預(yù)熱強(qiáng)度；當(dāng)焊接扭矩和振動(dòng)幅值小于閾值范圍，可增加焊接速度；

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

以上所述僅是本發(fā)明的優(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，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，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)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。