[发明专利]基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法

说明书

本发明公开了一种基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法，解决现有搅拌摩擦焊过程中，当母材由于表面状态不平或焊接过程母材变形翘曲时，压入量无法自动反馈控制导致焊接飞边大、减薄量大等问题。在搅拌摩擦焊过程中，采用高精度激光测距传感器安装在设备主轴上，通过测量标定搅拌工具轴肩后沿与焊接母材表面的距离作为压入量，计算测量压入量与给定压入量之差作为输入量，以恒压入量为控制目标，采用PID控制主轴Z方向的位移，作为输出量，对伺服进给系统进行控制，从而控制焊接压入量，进行搅拌摩擦焊接，焊接同时继续检测压入量值，形成闭环，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的可编程式的搅拌摩擦焊以及异种金属连接过程。

技术领域

本发明属于焊接领域，具体涉及一种基于高精度激光测距传感的恒压入量控制搅拌摩擦焊方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(FSW)是一种新型固相连接方法，具有无需焊接填充材料，热输入、焊接变形小，焊接接头缺陷少、力学性能好等优点，该方法应用范围广泛，包括铝、镁合金、以及传统熔化焊难以焊接的材料，甚至可适用于异种金属的焊接。大部分搅拌摩擦焊过程就是以有倾角的方式实现的，搅拌工具时刻与工件表面法向保持2-5°倾角并沿焊缝的切线方向进行跟随。设备主轴的位置可以在横向(X轴)、纵向(Y轴)、高度方向(Z轴)三个方向移动，并保持一定倾角(A轴运动)，以及周向运动(C轴)，使其主轴轴线方向时刻与焊缝轨迹法向保持一致。倾角的存在使搅拌工具前方材料可以进入工具轴肩下方而被拘束，随主轴横向运动，搅拌摩擦焊接过程得以实现。也可以使用无倾角搅拌摩擦焊方法进行焊接，设备主轴仅在横向(X轴)、纵向(Y轴)、高度方向(Z轴)三个方向移动，金属材料在搅拌工具轴肩及搅拌针的内聚花纹的作用下，沿着工具旋转方向向中心流动，在搅拌针附近，金属材料向下流动从而实现对材料的顶锻和压实得到致密的焊缝。

压入量是搅拌摩擦焊至关重要的参数，直接影响了焊缝的压实度，压入量过小会导致焊缝内部隧道和孔洞，压入量过大会导致飞边过大、焊接减薄量过大、影响接头性能，严重的甚至导致焊接过程无法进行。由于工件本身平整度、受热翘曲变形等原因，导致即使焊接主轴Z向位移不变，焊接中压入量仍会出现较大变化，焊接过程不稳定，严重影响焊接质量。

目前，搅拌摩擦焊过程大多无压入量反馈控制，或者通过操作人员看到飞边的大小及工件翘曲变形量，调节手轮，对压入量进行调节。存在着焊接过程无控制、不可控或控制响应速度不够，焊接质量的一致性波动较大，接头质量只能依靠焊后的检测手段进行评价，后续补焊带来繁琐的二次装夹和焊接难题。而且搅拌摩擦焊接头缺陷补焊在小尺寸平直焊缝上实施是较为简便可行的，但对于大尺寸、大质量、复杂结构焊缝的补焊过程繁琐且风险极大。

这是因为搅拌摩擦焊施焊的基本条件就是要求接头背部刚性支撑，而补焊带来的二次装夹难度提高，增加了补焊的质量风险。此外，少数搅拌摩擦焊设备采用压力控制法，通过主轴压力信号，来反馈控制Z向位移，进而控制压入量，控制焊接过程。首先，压力控制法对有无倾角搅拌摩擦焊过程都能适用；其次，该方法需在旋转主轴上安装无线力传感器，力控制成本相对较高，此外，该方法适用于较大批量、固定参数的产品生产模式，而对于多样化、小批量、单件产品的生产模式则不适用，因为，对于任一工艺参数，如板厚、焊速、转速、倾角、搅拌工具尺寸等发生变化，都需对力控制参数进行摸索和学习调整，压力控制参数摸索过程较长，生产效率低。因此，针对多样化、小批量、单件产品的生产模式，为提高焊接质量，采用焊接压入量控制方法，以保证焊缝线能量输入的一致性和接头质量的一致性，意义重大。

发明内容

本发明的目的是为了解决焊接工件本身平整度差、受热翘曲变形等原因，导致搅拌摩擦焊接中压入量变化大，焊接过程不稳定，焊接质量差的问题。提出一种基于高精度激光测距传感的压入量控制搅拌摩擦焊方法,该方法适用材料范围广泛，焊接质量好，适用于铝、镁、铜合金等有色金属的搅拌摩擦焊以及异种金属连接过程。对压入量直接检测及反馈控制，响应快速，过程简单，适应性强，解决了搅拌摩擦焊设备自主程度低、需要人为控制压入量的难题，简化了焊接操作，大大提高焊接质量和稳定性。