本發(fā)明涉及柔性啟動的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，屬于攪拌摩擦焊領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

自英國焊接研究所(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)重量等特點受到各國科研機(jī)構(gòu)的關(guān)注。由于這項技術(shù)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(lǐng)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(zhì)量的焊接接頭，但在對鋼管的進(jìn)行焊接時，仍然存在很多難點。

專利(申請?zhí)?01410792391.5)通過輔助熱源對需要焊接區(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?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?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，難以對焊接前方的較大區(qū)域進(jìn)行整體預(yù)熱。因此設(shè)計出一種既具備傳統(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迫在眉睫的重要任務(wù)。

技術(shù)實現(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)明提出一種柔性啟動的鋼管攪拌摩擦焊具及焊接方法，根據(jù)振動和扭矩傳感器的反饋信號可調(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)明的一種柔性啟動的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內(nèi)依次設(shè)有蓋板、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)，蓋板鉸接在殼體上，蓋板上設(shè)有圓弧槽，通過鎖緊蓋板，蓋板的圓弧槽將主電機(jī)固定在第一支撐板上，主電機(jī)的電機(jī)軸通過軸間永磁耦合機(jī)構(gòu)與主軸連接，軸間永磁耦合機(jī)構(gòu)包含內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子和外永磁轉(zhuǎn)子，內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子與電機(jī)軸固定連接，外永磁轉(zhuǎn)子與主軸固定連接，第二支撐板上安裝有動態(tài)扭矩傳感器，在第三支撐板上安裝有振動傳感器，動態(tài)扭矩傳感器與主軸連接，在主軸上固定有旋轉(zhuǎn)套，旋轉(zhuǎn)套上安裝有一對軸承，軸承位于支撐座內(nèi)，軸承之間通過第一墊圈隔開，軸承通過第二墊圈限位，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，所述振動傳感器和動態(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。

一種上述的柔性啟動的鋼管攪拌摩擦焊具的焊接方法，包括以下步驟：

(1)按照由下而上的順序，將主軸穿過旋轉(zhuǎn)套、軸承、動態(tài)扭矩傳感器后，與主電機(jī)的輸出軸連接，將主軸與旋轉(zhuǎn)套連接；

(2)測試動態(tài)扭矩傳感器和振動傳感器是否有數(shù)據(jù)輸出，如正常轉(zhuǎn)下一步，如不正常，進(jìn)行檢測并調(diào)試正常；

(3)測試火焰預(yù)熱裝置是否正常，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)將攪拌頭與主軸固定連接。

(5)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)頭上；

(6)將動態(tài)扭矩傳感器、振動傳感器通電；

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

(8)整個焊具開始下降，當(dāng)攪拌頭開始接觸工件時，開始記錄動態(tài)扭矩傳感器、振動傳感器的輸出，當(dāng)下壓深度達(dá)到目標(biāo)值時，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)熱裝置開始工作；

(10)攪拌頭開始移動，焊接過程中，根據(jù)振動傳感器和動態(tài)扭矩傳感器的輸出，當(dāng)焊接扭矩超過1.2倍的扭矩最大閾值，增強(qiáng)火焰預(yù)熱強(qiáng)度；當(dāng)焊接扭矩在閾值范圍內(nèi)、振動幅值超過幅值時，降低火焰預(yù)熱強(qiáng)度；當(dāng)焊接扭矩和振動幅值小于閾值范圍，增加焊接速度；當(dāng)焊接扭矩小于1.2倍的最大扭矩閾值，振動幅值在閾值范圍內(nèi)，維持當(dāng)前焊接參數(shù)不變；

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

在本發(fā)明中，振動傳感器用于檢測焊接方向的振動情況。該傳感器的輸出信號包括了以下信息：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攪拌頭的阻礙作用力較?。凰芑潭容^低的焊縫金屬會導(dǎo)致振動較大，且振動信號不穩(wěn)定。動態(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，扭矩值較大；當(dāng)焊接區(qū)域金屬塑性較好時，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，停止火焰預(yù)熱裝置，以免浪費火焰和傷害背板。

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

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

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

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中的軸間永磁耦合機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。

如圖1和圖2所示所示，本發(fā)明的一種柔性啟動的鋼管攪拌摩擦焊具，包括外殼，在外殼內(nèi)依次設(shè)有蓋板、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，蓋板5鉸接在殼體上，蓋板5上設(shè)有圓弧槽，通過鎖緊蓋板5，蓋板5的圓弧槽將主電機(jī)1固定在第一支撐板上，主電機(jī)1的電機(jī)軸通過軸間永磁耦合機(jī)構(gòu)20與主軸11連接，軸間永磁耦合機(jī)構(gòu)20包含內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子202和外永磁轉(zhuǎn)子205，內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子202與電機(jī)軸固定連接，外永磁轉(zhuǎn)子205與主軸11固定連接，內(nèi)永磁轉(zhuǎn)子202包含內(nèi)轉(zhuǎn)子載體202和位于內(nèi)轉(zhuǎn)子載體202內(nèi)的第一永磁體203，外永磁轉(zhuǎn)子205包含外轉(zhuǎn)子載體205和第二永磁體204，第二支撐板上安裝有動態(tài)扭矩傳感器2，在第三支撐板上安裝有振動傳感器3，主電機(jī)1通過動態(tài)扭矩傳感器2與主軸11連接，在主軸11上套有旋轉(zhuǎn)套7，旋轉(zhuǎn)套7上安裝有一對軸承，軸承位于支撐座內(nèi)，軸承之間通過第一墊圈隔開，軸承通過第二墊圈4限位，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，所述振動傳感器3和動態(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，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機(jī)；動態(tài)扭矩傳感器2可采用市面上常規(guī)型號；振動傳感器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，與外殼同步運動。

一種上述的柔性啟動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)測試動態(tài)扭矩傳感器2和振動傳感器3是否有數(shù)據(jù)輸出，如正常轉(zhuǎn)下一步，如不正常，進(jìn)行檢測并調(diào)試正常；

(3)測試火焰預(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)將整個焊具固定在攪拌摩擦焊機(jī)的機(jī)頭上；

(6)將動態(tài)扭矩傳感器2、振動傳感器3通電；

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

(8)整個焊具開始下降，當(dāng)攪拌頭8開始接觸工件9時，開始記錄動態(tài)扭矩傳感器2、振動傳感器3的輸出，當(dāng)下壓深度達(dá)到目標(biāo)值時，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)攪拌頭開始移動，焊接過程中，根據(jù)振動傳感器和動態(tài)扭矩傳感器的輸出，當(dāng)焊接扭矩超過1.2倍的扭矩最大閾值，增強(qiáng)火焰預(yù)熱強(qiáng)度；當(dāng)焊接扭矩在閾值范圍內(nèi)、振動幅值超過幅值時，降低火焰預(yù)熱強(qiáng)度；當(dāng)焊接扭矩和振動幅值小于閾值范圍，增加焊接速度；當(dāng)焊接扭矩小于1.2倍的最大扭矩閾值，振動幅值在閾值范圍內(nèi)，維持當(dāng)前焊接參數(shù)不變；

(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)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本技術(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)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。