[发明专利]基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域。

背景技术

自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但在对钢管的进行焊接时，仍然存在很多难点。

专利(申请号201410792391.5)通过辅助热源对需要焊接区域进行预加热，直至焊接材料达到塑化或者合金化状态后，摩擦搅拌头再沿辅助热源加热路径前进进行摩擦焊接，即这个方法需要首先使用辅助热源将焊接材料完全塑化，然后搅拌头再进行焊接，但这个专利没有提出如何调节焊接过程中的辅助热源；专利(申请号201210564760.6)使用了具有加热丝的加热箱体，将需要进行搅拌摩擦焊接的钢板进行焊接前的加热和焊接后的冷却，但显然这个方法所需要的加热装置巨大且适用性不强；此外还有专利(申请号201210592979.7)将激光和搅拌摩擦焊这种复合焊接技术应用于材质较硬的焊接板，在焊接板的背面和正面设置激光束，但激光系统成本较高且能量过于集中，难以对焊接前方的较大区域进行整体预热。因此设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能、又能最大程度地避免搅拌头受力过度磨损、又能够进行钢管焊接的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，根据振动和扭矩传感器的反馈信号可调节火焰预热程度，有利于焊接区域金属塑化。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，包括外壳，在外壳内依次设有第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，所述第一支撑板上安装有主电机，第二支撑板上安装有动态扭矩传感器，在第三支撑板上安装有振动传感器，主电机通过动态扭矩传感器与主轴连接，在主轴上套有旋转套，旋转套上安装有轴承，轴承位于支撑座内，旋转套与主轴连接，主轴底端与搅拌头连接，在搅拌头沿着焊缝的焊接方向设有火焰预热装置。

作为优选，所述振动传感器和动态扭矩传感器均与控制器连接，控制器与火焰预热装置连接。

作为优选，旋转套与主轴通过螺钉固定连接。

作为优选，所述主轴设有圆形导轨，圆形导轨上套有弹簧拧入主轴上，圆形导轨的末端顶住旋转套。

作为优选，所述第三支撑板上设有圆周均布的四个激光测距装置，四个激光测距装置所测得到工件的距离分别为L1、L2、L3和L4，安装搅拌头时，L1＝L2＝L3＝L4；焊接过程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05时，搅拌头倾斜，停止焊接。

一种上述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按照由下而上的顺序，将主轴穿过旋转套、轴承、动态扭矩传感器后，与主电机的输出轴连接，将主轴与旋转套连接；

(2)测试动态扭矩传感器和振动传感器是否有数据输出，如正常转下一步，如不正常，进行检测并调试正常；

(3)测试火焰预热装置是否正常，如正常转下一步，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；

(4)将搅拌头与主轴固定连接；

(5)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上；

(6)将动态扭矩传感器、振动传感器通电；

(7)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定扭矩和振动阈值范围；

(8)整个焊具开始下降，当搅拌头开始接触工件时，开始记录动态扭矩传感器、振动传感器的输出，当下压深度达到目标值时，进入初始预热阶段；

(9)初始预热阶段结束后，火焰预热装置开始工作；

(10)搅拌头开始移动，焊接过程中，根据振动传感器和动态扭矩传感器的输出，当焊接扭矩和振动幅值均在阈值范围内，维持当前焊接参数不变；当焊接扭矩超过阈值，增强火焰预热强度；当焊接扭矩在阈值范围内、振动幅值超过幅值时，降低火焰预热强度；当焊接扭矩和振动幅值小于阈值范围，增加焊接速度；

(11)焊接结束后，停止火焰预热装置，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件，焊接结束，拆下搅拌头。