[發明專利]基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法

有效

• 申請號: 201610442798.4
• 申請日: 2016-06-20
• 公開（公告）號: CN105855692B
• 公開（公告）日: 2017-08-04
• 發明（設計）人: 方曉東;陳書錦
• 申請（專利權）人: 江蘇通宇鋼管集團有限公司
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K101/06;B23K103/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 李曉靜

技術領域

本發明涉及基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，屬于攪拌摩擦焊領域。

背景技術

自英國焊接研究所(TWI)于1991年發明了攪拌摩擦焊接方法以來，這項技術因其焊接變形小、殘余應力小，無需保護氣體和填充材料，可消除氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，以及不產生弧光、煙塵、噪音污染等，同時能顯著降低成本、節省材料、優化結構、減輕飛行器的結構重量等特點受到各國科研機構的關注。由于這項技術具有很多其他方法所不具備的顯著特點，它很快就被用于航天領域，新一代運載火箭芯級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量的焊接接頭，但在對鋼管的進行焊接時，仍然存在很多難點。

專利(申請號201410792391.5)通過輔助熱源對需要焊接區域進行預加熱，直至焊接材料達到塑化或者合金化狀態后，摩擦攪拌頭再沿輔助熱源加熱路徑前進進行摩擦焊接，即這個方法需要首先使用輔助熱源將焊接材料完全塑化，然后攪拌頭再進行焊接，但這個專利沒有提出如何調節焊接過程中的輔助熱源；專利(申請號201210564760.6)使用了具有加熱絲的加熱箱體，將需要進行攪拌摩擦焊接的鋼板進行焊接前的加熱和焊接后的冷卻，但顯然這個方法所需要的加熱裝置巨大且適用性不強；此外還有專利(申請號201210592979.7)將激光和攪拌摩擦焊這種復合焊接技術應用于材質較硬的焊接板，在焊接板的背面和正面設置激光束，但激光系統成本較高且能量過于集中，難以對焊接前方的較大區域進行整體預熱。因此設計出一種既具備傳統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、又能夠進行鋼管焊接的焊具成為了一個迫在眉睫的重要任務。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提出一種基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，根據振動和扭矩傳感器的反饋信號可調節火焰預熱程度，有利于焊接區域金屬塑化。

技術方案：為解決上述技術問題，本發明的一種基于扭矩和振動反饋的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內依次設有第一支撐板、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，第二支撐板上安裝有動態扭矩傳感器，在第三支撐板上安裝有振動傳感器，主電機通過動態扭矩傳感器與主軸連接，在主軸上套有旋轉套，旋轉套上安裝有軸承，軸承位于支撐座內，旋轉套與主軸連接，主軸底端與攪拌頭連接，在攪拌頭沿著焊縫的焊接方向設有火焰預熱裝置。

作為優選，所述振動傳感器和動態扭矩傳感器均與控制器連接，控制器與火焰預熱裝置連接。

作為優選，旋轉套與主軸通過螺釘固定連接。

作為優選，所述主軸設有圓形導軌，圓形導軌上套有彈簧擰入主軸上，圓形導軌的末端頂住旋轉套。

作為優選，所述第三支撐板上設有圓周均布的四個激光測距裝置，四個激光測距裝置所測得到工件的距離分別為L1、L2、L3和L4，安裝攪拌頭時，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，攪拌頭傾斜，停止焊接。

一種上述的基于扭矩和振動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，將主軸穿過旋轉套、軸承、動態扭矩傳感器后，與主電機的輸出軸連接，將主軸與旋轉套連接；

(2)測試動態扭矩傳感器和振動傳感器是否有數據輸出，如正常轉下一步，如不正常，進行檢測并調試正常；

(3)測試火焰預熱裝置是否正常，如正常轉下一步，如不正常，替換或維修至正常后進行下一步；

(4)將攪拌頭與主軸固定連接；

(5)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機的機頭上；

(6)將動態扭矩傳感器、振動傳感器通電；

(7)啟動焊機主電機，使攪拌摩擦焊具旋轉，同時設定扭矩和振動閾值范圍；

(8)整個焊具開始下降，當攪拌頭開始接觸工件時，開始記錄動態扭矩傳感器、振動傳感器的輸出，當下壓深度達到目標值時，進入初始預熱階段；

(9)初始預熱階段結束后，火焰預熱裝置開始工作；

(10)攪拌頭開始移動，焊接過程中，根據振動傳感器和動態扭矩傳感器的輸出，當焊接扭矩和振動幅值均在閾值范圍內，維持當前焊接參數不變；當焊接扭矩超過閾值，增強火焰預熱強度；當焊接扭矩在閾值范圍內、振動幅值超過幅值時，降低火焰預熱強度；當焊接扭矩和振動幅值小于閾值范圍，增加焊接速度；

(11)焊接結束后，停止火焰預熱裝置，提升焊具，使攪拌摩擦頭脫離工件，焊接結束，拆下攪拌頭。