一种搅拌摩擦焊接方法及搅拌摩擦焊接系统技术方案

本发明专利技术提供了一种搅拌摩擦焊接方法及搅拌摩擦焊接系统，涉及搅拌摩擦焊接技术领域。搅拌摩擦焊接方法，包括：搅拌头压力校准、焊前定位及路径规划、焊接扎入阶段、焊接保压阶段等，其通过对搅拌头实际所受压力进行校准，无需专用校准工具，使焊接过程中力学信息的测量更加精确，进而有效保证良好的焊缝成形。搅拌摩擦焊接系统，其采用能够测量搅拌头的压力、前进阻力和扭矩的多维力传感器，通过控制系统进行压力、前进阻力的校准，并通过控制系统进行恒定压力、恒定前进阻力或恒定扭矩的控制。结构紧凑、集成化程度高，能够使焊接过程中力学信息的测量更加精确。

A Friction Stir Welding Method and Friction Stir Welding System

【技术实现步骤摘要】
一种搅拌摩擦焊接方法及搅拌摩擦焊接系统
本专利技术涉及搅拌摩擦焊接
，具体而言，涉及一种搅拌摩擦焊接方法及搅拌摩擦焊接系统。
技术介绍
搅拌摩擦焊是一种固相连接技术，在焊接低熔点金属时，具有焊接质量高，焊接变形小，无环境污染等显著优势，已成为各行业焊接铝、镁等合金的首选工艺。在加工制造业向着智能化快速发展的背景下，将搅拌摩擦焊与工业机器人相结合，开发智能化搅拌摩擦焊接机器人已成为未来发展的趋势。然而，与常规搅拌摩擦焊接专机相比，搅拌摩擦焊接机器人刚度较低，在较大的焊接载荷下机械臂会发生弹性变形，导致搅拌头的实际压入深度发生变化，无法保证焊接的稳定性和接头质量。因此，通常在机器人搅拌摩擦焊接过程中采用恒压力控制的方式，即以保证焊接载荷不变为目标，通过对焊接压力的检测及反馈，实时调整机器人的下压位置，以消除机械臂弹性变形的影响。但是，现有基于恒压力控制的机器人搅拌摩擦焊接方法还存在一定不足：(1)焊接压力只是能反应焊接质量的力学参量之一，单一的恒压力控制方式不能保证高质量焊接。(2)在空间全位置焊接时，由于焊接姿态的不同，无论力学传感器安装至何位置均会对所测得的焊接压力带来影响，从而影响控制的准确性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种搅拌摩擦焊接方法，旨在更精确地控制焊接过程中的压力，保证良好的焊缝成形。本专利技术的另一目的在于提供一种搅拌摩擦焊接系统，旨在测试搅拌头的压力、扭矩和前进阻力，提高焊接过程中力学信息测量的精确性。本专利技术是这样实现的：本专利技术提供一种搅拌摩擦焊接方法，包括如下步骤：搅拌头压力校准：采用力学传感器检测搅拌头的压力值Pz，搅拌头实际所受压力值P＝Pz-G×sinθ；其中，G表示力学传感器与被焊工件之间的装置自身重力；θ为搅拌头轴线与水平面的夹角，被焊工件位于搅拌头上方时0＜θ＜π，被焊工件位于搅拌头下方时π＜θ＜2π，垂直立焊时θ＝0或π；焊前定位及路径规划：在搅拌头达到焊接起始位置之前进行路径规划；焊接扎入阶段：将搅拌头扎入被焊工件的焊接起始点，设定焊接压力目标值P0；当搅拌头所受实际压力P＜P0时继续向被焊工件扎入，直至P＝P0停止扎入；焊接保压阶段：保持搅拌头位置和转速不变；优选地，焊前定位及路径规划过程中所采用的路径规划方法为离线编程或试教法；优选地，在焊接保压阶段中，保持时间为0-30s，更优选为2-10s。本专利技术还提供一种搅拌摩擦焊接系统，包括：主轴系统，用于进行焊接；检测系统，其用于对搅拌头的压力、前进阻力和扭矩中的至少一种进行检测；控制系统，其用于根据实测压力Pz和/或实测前进阻力Fz分别对搅拌头压力和/或搅拌头前进阻力进行校准以获取搅拌头的实际压力P和/或实际前进阻力F，以及对搅拌头执行的搅拌摩擦焊接进行控制；搅拌摩擦焊接包括焊接扎入阶段和稳定焊接阶段，焊接扎入阶段执行以预设压力P0进行的恒定压力控制，稳定焊接阶段执行以预设压力P1进行的恒定压力控制、以预设前进阻力F1进行的恒定前进阻力控制和以预设扭矩T1进行的恒定扭矩控制中的至少一种；主轴系统包括搅拌头、主轴组件、多维力传感器和用于与工业机器人末端轴相连的连接件，多维力传感器用于测量搅拌头的压力、前进阻力和扭矩；主轴组件包括壳体和位于壳体内的转动轴，转动轴从壳体的端部伸出与搅拌头相连，以带动搅拌头转动；多维力传感器的一端与壳体远离搅拌头的一端相连，另一端与连接件远离工业机器人末端轴的一端相连。本专利技术提供的一种搅拌摩擦焊接方法的有益效果是：本专利技术通过上述设计得到的搅拌摩擦焊接方法，其通过对搅拌头实际所受压力进行校准，无需专用校准工具，使焊接过程中力学信息的测量更加精确，进而有效保证良好的焊缝成形。本专利技术还提供一种搅拌摩擦焊接系统，其采用能够测量搅拌头的压力、前进阻力和扭矩的多维力传感器，通过将多维力传感器安装于连接板和主轴之间，通过主轴带动搅拌头转动，通过多维力传感器对搅拌头的力学参数进行检测并通过控制系统进行恒定压力、恒定前进阻力或恒定扭矩的控制。结构紧凑、集成化程度高，能够使焊接过程中力学信息的测量更加精确。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。图1是本专利技术实施方式提供的主轴系统的爆炸图；图2是图1中主轴系统安装后的结构示意图；图3是图1中主轴系统处于焊前定位阶段的示意图；图4是图1中主轴系统处于焊接扎入阶段的示意图；图5是图1中主轴系统处于接保压阶段的示意图；图6是图1中主轴系统处于稳定焊接阶段的示意图；图7是本专利技术实施例中焊缝效果图；图8是本专利技术对比例中焊缝效果图。图标：100-主轴系统；101-第二螺纹通孔；102-第一螺栓；103-第二螺栓；110-搅拌头；111-搅拌头主体；112-连接柱；120-主轴组件；121-壳体；122-转动轴；123-固定板；124-第二连接孔；130-多维力传感器；131-第一螺纹通孔；140-连接件；150-刀柄；151-第一连接孔；152-刀柄柱；153-环形凸缘。具体实施方式为使本专利技术实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本专利技术的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本专利技术的范围，而是仅仅表示本专利技术的选定实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本专利技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。在本专利技术中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：包括搅拌头压力校准、焊接扎入阶段和焊接保压阶段；其中，所述搅拌头压力校准是根据实测压力Pz进行校准以获得实际压力P，所述焊接扎入阶段执行以预设压力P0进行的恒定压力控制；优选地，搅拌头压力校准包括：采用力学传感器检测搅拌头的压力值Pz，搅拌头实际所受压力值P＝Pz‑G×sinθ；其中，G表示所述力学传感器与被焊工件之间的装置自身重力；θ为搅拌头轴线与水平面的夹角，被焊工件位于搅拌头上方时0＜θ＜π，被焊工件位于搅拌头下方时π＜θ＜2π，垂直立焊时θ＝0或π；优选地，所述焊接扎入阶段包括：将搅拌头扎入被焊工件的焊接起始点，设定焊接压力目标值P0；当搅拌头所受实际压力P＜P0时继续向被焊工件扎入，直至P＝P0停止扎入；优选地，所述焊接保压阶段是保持搅拌头位置和转速不变；更优选地，在所述焊接保压阶段中，保持时间为0‑30s，更优选为2‑10s；优选地，在所述焊接扎入阶段之间进行焊前定位及路径规划，包括：在搅拌头达到焊接起始位置之前进行路径规划；更优选地，焊前定位及路径规划过程中所采用的路径规划方法为离线编程或试教法。

【技术特征摘要】
1.一种搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：包括搅拌头压力校准、焊接扎入阶段和焊接保压阶段；其中，所述搅拌头压力校准是根据实测压力Pz进行校准以获得实际压力P，所述焊接扎入阶段执行以预设压力P0进行的恒定压力控制；优选地，搅拌头压力校准包括：采用力学传感器检测搅拌头的压力值Pz，搅拌头实际所受压力值P＝Pz-G×sinθ；其中，G表示所述力学传感器与被焊工件之间的装置自身重力；θ为搅拌头轴线与水平面的夹角，被焊工件位于搅拌头上方时0＜θ＜π，被焊工件位于搅拌头下方时π＜θ＜2π，垂直立焊时θ＝0或π；优选地，所述焊接扎入阶段包括：将搅拌头扎入被焊工件的焊接起始点，设定焊接压力目标值P0；当搅拌头所受实际压力P＜P0时继续向被焊工件扎入，直至P＝P0停止扎入；优选地，所述焊接保压阶段是保持搅拌头位置和转速不变；更优选地，在所述焊接保压阶段中，保持时间为0-30s，更优选为2-10s；优选地，在所述焊接扎入阶段之间进行焊前定位及路径规划，包括：在搅拌头达到焊接起始位置之前进行路径规划；更优选地，焊前定位及路径规划过程中所采用的路径规划方法为离线编程或试教法。2.根据权利要求1所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊接方法还包括在所述焊接保压阶段之后进行的稳定焊接阶段，所述力学传感器为用于检测搅拌头所受压力、前景阻力和扭矩的多维力传感器；其中，所述稳定焊接阶段是搅拌头以设定转速和前进速度沿焊接路径进行焊接，所述稳定焊接阶段中所采用的控制策略选自恒压力控制、恒前进阻力控制和恒扭矩控制中的任意一种、两种或三种。3.根据权利要求2所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，在进行所述焊前定位及路径规划之前，进行搅拌头前进阻力校准；采用多维力传感器检测搅拌头焊接前进方向所受阻力值Fx，搅拌头实际所受阻力值F＝Fx+G×cosθ；其中，G表示所述多维力传感器与被焊工件之间的装置自身重力，θ为搅拌头轴线与水平面的夹角；被焊工件位于搅拌头上方且从上向下焊接时，0＜θ＜1/2π；被焊工件位于搅拌头上方且从下向上焊接时，1/2π＜θ＜π；被焊工件位于搅拌头下方且从下向上焊接时，π＜θ＜3/2π；被焊工件位于搅拌头下方且从上向下焊接时，3/2π＜θ＜2π；垂直立向下焊时，θ＝0；垂直立向上焊时，θ＝π。4.根据权利要求3所述的搅拌摩擦焊接方法，其特征在于，所述恒前进阻力控制的策略包括：设定焊接前进阻力目标值F1，校准后搅拌头所受实际阻力F＜F1时，提高焊接前进速度直至F＝F1；搅拌头所受实际阻力F＞F1时，降低焊接前进速度直至F...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵运强，董春林，王春桂，易耀勇，邓军，谭锦红，辛杨桂，苗澍，
申请(专利权)人：广东省焊接技术研究所广东省中乌研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44