本發(fā)明涉及焊接控制方法，尤其涉及攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)技術。

背景技術：

與傳統的氣體保護焊相比，使用攪拌摩擦焊加工鋁合金結構所得到的焊縫具有無缺陷、強度高等突出的優(yōu)點，因此攪拌摩擦焊在工業(yè)領域內正得到越來越廣泛的應用。特別是在航空航天、高速列車、高速船舶等行業(yè)的大型鋁合金殼體的加工過程中，攪拌摩擦焊能夠加工氣體保護焊不好加工或不能加工的高強度焊縫，因而在這些行業(yè)中取得了不可替代的地位。

攪拌摩擦焊縫的質量主要取決于三個工藝參數：主軸轉速、焊接速度、下壓量。為了獲得具備預期質量的性能均勻的焊縫，必須對上述三個參數進行精確的控制。傳統的攪拌摩擦焊設備的數控系統可以對主軸轉速與焊接速度兩個參數進行精確的閉環(huán)控制，但對下壓量的控制精度不足，原因在于傳統數控系統通過安裝在執(zhí)行電機上的編碼器或安裝在導軌上的光柵尺測量執(zhí)行電機輸出軸轉過的角度或在導軌上運動的機頭在坐標空間中的位置，然后換算攪拌頭的位置和下壓量，當設備為理想剛體時，這種換算是精確的，然而當設備由于柔性發(fā)生非預期變形時就會造成下壓量偏離設定值。研究證明，下壓量產生0.1mm的變化就會使接頭強度產生數十到百余兆帕的變化，而在攪拌摩擦焊過程特有的大頂鍛力

作用下設備變形會輕易超出這一尺度，因而對焊縫質量造成不良影響。特別是設備變形問題會隨著工件尺寸的增大而更加明顯，因此焊接大型工件的攪拌摩擦焊設備不得不大幅提高結構尺寸以提高剛度，使設備的體積、重量和成本都大幅上升。

清華大學的發(fā)明專利“攪拌摩擦焊接下壓量校正方法”，是基于距離傳感器的攪拌摩擦焊接下壓量校正方法，其中沒有考慮到攪拌摩擦焊接過程中焊件可能發(fā)生變形的問題，距離傳感器附近的加工表面產生斜度等問題都會導致距離傳感器的測量數值與攪拌頭的下壓量不匹配導致出現誤差，使得焊接工程中對下壓量的控制不夠精確，影響攪拌摩擦焊接焊縫的質量。

技術實現要素：

本發(fā)明的目的是實現對下壓量的自動精確控制，從而提高攪拌摩擦焊接的質量穩(wěn)定性。

本發(fā)明一種攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法，其步驟為：

（1）將壓力傳感器1設置在連接有攪拌頭3的機頭2上，并使壓力傳感器1靠近攪拌頭3并通信連接于控制器8，攪拌頭3具有攪拌針4并通信連接于控制器8，控制器8內設有攪拌頭3的設定壓力fb；

（2）使攪拌頭3的攪拌針4接觸待焊接工件5的加工表面51，壓力傳感器1測量到攪拌頭3的初始壓力f0并傳送給控制器；

（3）開始焊接，在控制器8的控制下機頭2帶動攪拌頭3和壓力傳感器1沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動，攪拌頭3連同攪拌針4一起下壓進入工件5的待加工表面51的對應部分且攪拌頭3的實際下壓量定義為d，壓力傳感器1測量到攪拌頭3實時壓力ft并將測得的實時壓力ft傳送給控制器8，控制器獲得攪拌頭3的壓力誤差δf，δf＝ft-fb；

（4）控制器基于攪拌頭3的壓力誤差δf通過控制壓電陶瓷驅動器驅動剛性墊板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動進而調整實際下壓量d從而使攪拌頭3的壓力誤差δf保持在容許范圍之內；

（5）控制器8控制攪拌頭3和剛性墊板6繼續(xù)對工件5進行焊接，在焊接過程中循環(huán)執(zhí)行步驟3和步驟4，從而不斷地調整實際下壓量d并使壓力誤差δf趨于零。

本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法能夠實現即使在焊件變形的情況下通過控制攪拌頭的實時壓力實現對實際下壓量的精確動態(tài)控制，使實時壓力在焊接過程中與設定壓力的誤差控制在容許范圍之內，可以解決傳統的攪拌摩擦焊設備由于設備變形問題和焊件變形問題存在的下壓量不受控的問題，提高攪拌摩擦焊接的質量穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法的測量原理初始狀態(tài)示意圖，圖2為本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法的測量原理下壓狀態(tài)示意圖，圖3為本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法的焊接結構示意圖，附圖標記及對應名稱為：壓力傳感器1，加工表面51，探針p，剛性墊板6，機頭2，壓電陶瓷驅動器7，攪拌頭3，控制器8，攪拌針4，功率放大器9，工件5，傳動機構10。

具體實施方式

如圖1和圖2，本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法包括步驟：步驟一，將壓力傳感器1設置在連接有攪拌頭3的機頭2上，并使壓力傳感器1靠近攪拌頭3并通信連接于控制器8，攪拌頭3具有攪拌針4并通信連接于控制器8，控制器8內設有攪拌頭3的設定壓力fb；步驟二，使攪拌頭3的攪拌針4接觸待焊接工件5的加工表面51，壓力傳感器1測量到攪拌頭3的初始壓力f0并傳送給控制器8；步驟三，開始焊接，在控制器8的控制下機頭2帶動攪拌頭3和壓力傳感器1沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動，攪拌頭3連同攪拌針4一起下壓進入工件5的待加工表面51的對應部分且攪拌頭3的實際下壓量定義為d，壓力傳感器1測量到攪拌頭3的實時壓力ft并傳送給控制器8，控制器8獲得攪拌頭3的壓力誤差δ，δ＝ft-fb；步驟四，控制器8基于fb的壓力誤差δ通過控制壓電陶瓷驅動器7驅動剛性墊板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動進而調整實際下壓量d從而使攪拌頭3的壓力誤差δ保持在容許范圍之內；步驟五，控制器8控制攪拌頭3和剛性墊板6繼續(xù)對工件5進行焊接，在焊接過程中按照規(guī)定頻率循環(huán)執(zhí)行步驟三和步驟四，從而不斷地調整實際下壓量d并使壓力誤差δ趨于零。

在根據本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法中，如圖1和圖2，待焊接工件5的加工表面51的相反側設置有剛性墊板6，控制器8基于攪拌頭3的壓力誤差δ通過壓電陶瓷驅動器7來控制剛性墊板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動使攪拌頭3的壓力誤差δ保持在容許范圍之內，能夠實現即使在焊件變形的情況下通過控制工件5的待加工表面51的實時壓力對實際下壓量的精確動態(tài)控制，可以解決傳統的攪拌摩擦焊設備由于設備變形問題和焊件變形問題存在的下壓量不受控的問題，提高攪拌摩擦焊接的質量穩(wěn)定性。

在根據本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法中，如圖1和圖2，壓力傳感器1測量到攪拌頭3的實時壓力ft并傳送給控制器8，控制器8將設定壓力fb與實時壓力ft進行比較計算出壓力誤差δf，而后控制器8發(fā)出控制信號并通過功率放大器9進行放大，壓電陶瓷驅動器7收到放大后的控制信號控制剛性墊板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動使攪拌頭3的壓力誤差δf保持在容許范圍之內。

在根據本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法中，在步驟二和步驟三中，可忽略機頭2和攪拌頭3自身的變形，因為機頭2和攪拌頭3自身的變形不足以對壓力的測量和控制器8對壓電陶瓷驅動器7的控制結果造成明顯誤差。

在根據本發(fā)明的攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法中，如圖1和圖2，在步驟二至步驟五中，控制器8通過控制壓電陶瓷驅動器7來控制剛性墊板6沿垂直于工件5的加工表面51的方向運動從而不斷地調整實際下壓量d并使壓力誤差δf趨于零。

技術特征：

技術總結
一種攪拌摩擦焊接下壓量自動調節(jié)方法，步驟如下：將壓力傳感器設置在連接有攪拌頭的機頭上，攪拌頭具有攪拌針，控制器內設有攪拌頭的設定壓力fb；使攪拌頭的攪拌針接觸工件的加工表面，壓力傳感器測量到攪拌頭的初始壓力f0并傳送給控制器；開始焊接，攪拌頭連同攪拌針一起下壓進入工件的待加工表面深度定義為d，壓力傳感器測量到攪拌頭的實時壓力Ft并傳送給控制器；控制器獲得壓力誤差ΔF，ΔF＝Ft?fb；控制器基于壓力誤差ΔF通過壓電陶瓷驅動器自動驅動剛性墊板來調整實際下壓量d而使壓力誤差ΔF保持在容許范圍之內；繼續(xù)對工件進行焊接，焊接過程中不斷地自動調整實際下壓量d并使下壓力誤差ΔF趨于零。

技術研發(fā)人員：張昌青;金鑫;王維杰;劉雄波;呂廣明;楊黎東;靳少龍
受保護的技術使用者：蘭州理工大學
技術研發(fā)日：2017.03.15
技術公布日：2017.07.04