一种变厚度铝合金搅拌摩擦焊焊接方法技术

本发明专利技术公开了一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，所述方法的实施步骤为：在搅拌工具前方一定距离范围内安装激光跟踪仪，实时监控材料板厚，信息控制系统将采集数据反馈搅拌摩擦焊数控系统，数控系统对采集数据进行及时处理，并将处理后数据实时反馈给搅拌焊设备驱动系统，通过驱动系统实现对分体式搅拌工具焊接深度的实时在役控制，实现变厚度铝合金薄板的搅拌摩擦焊接。该方法通过实时控制分体式搅拌工具的焊接深度，可有效防止变厚度薄板搅拌摩擦焊过程中易产生的未焊透或搅拌工具与垫板摩擦产生的损伤等缺陷。

Variable thickness aluminum alloy friction stir welding method

The invention discloses a variable thickness Aluminum Alloy thin plate welded by friction stir welding method, the implementation step of the method is: mixing tool front mounted laser tracker range, real-time monitoring of material thickness, information control system, data acquisition system of NC feedback stirring friction welding, numerical control system for the timely processing of data acquisition, and the processed data real-time feedback to the welding equipment driving system, through the real-time control system in service driven split type welding depth of stir tool, realize the friction stir welding of thin plate with variable thickness Aluminum Alloy. The method can effectively control the welding depth of the split stirring tool in real time, and can effectively prevent the defects that the welding or the friction caused by the friction between the tool and the shim plate are easy to be generated during the friction stir welding of the variable thickness sheet.

【技术实现步骤摘要】
一种变厚度铝合金搅拌摩擦焊焊接方法
本专利技术专利属于金属材料固相焊接领域，涉及铝合金薄板板厚不均条件下一种搅拌摩擦焊接方法。
技术介绍
搅拌摩擦焊是新型固相焊接方法，自1991年专利技术以来已经被广泛应用于铝合金、镁合金、铜合金等轻质合金连接技术之中。搅拌摩擦焊具有焊缝质量高，无常规熔焊产生的气孔、裂纹等缺陷，焊接应力与变形小等优点，焊接质量稳定性高，搅拌摩擦焊设备具有可操作性强，采用数控系统能够有效减少人为因素对焊接质量产生的影响。目前，搅拌摩擦焊在焊接铝合金薄板方面，无论是焊接厚度还是在焊接复杂结构方面均取得了较为成功的应用案例。“一种适用于薄板的随焊下压搅拌摩擦焊焊具及其焊接方法”（申请号201210168918.8），介绍了一种防止薄板焊接焊缝周边变形的控制方法；“用于贮箱环缝搅拌摩擦焊接的定位支撑装置”（授权公告号CN202804474U），介绍了一种适应大型薄壁构件环缝搅拌摩擦焊接的支撑装置，该装置满足薄壁构件环缝搅拌摩擦焊的焊接尺寸公差和形状公差的要求，实现薄壁筒段环缝的搅拌摩擦焊。这些案例的实施都是在被焊材料等厚的条件下进行的，或者是在焊接长度上材料厚度变化的幅度很小(如0.05mm/m)，并没有考虑到薄板材料厚度的变化。常规搅拌摩擦焊焊接的前提条件是认定在整个焊接长度上，被焊部位材料厚度的变化应在允许的变化范围内。如对于2mm板厚的材料，材料厚度的变化不应该超过0.05mm。对于宽幅铝合金薄板，以下两种工况可能会导致被焊长度上板厚的变化：板材局部冲压成型，导致与其相邻的需焊接部位板厚变薄，而远离冲压成型的部位厚度不变，这就导致在整个焊接长度上，远离冲压成型的部位与原材料原厚度一致，而位于冲压成型附近的部位，材料减薄现象明显；热轧工艺不稳定，导致板材两端厚度一致，而中间部位板厚变薄；或者是中间部位厚度变厚，而两端厚度变薄。上述两种工况条件下，材料厚薄的变化幅度超过了搅拌摩擦焊对被焊材料厚度一致性要求的工艺裕度，若采用现有常规搅拌摩擦焊技术，将会产生以下两类缺陷：1）在整个焊接长度上，若局部位置材料厚度大于板厚原始标准厚度，常规搅拌摩擦焊在焊接到此位置时可能会产生未焊透或弱连接（或“吻接”）等焊接缺陷；而且焊接此位置时，可能会导致搅拌工具下切量过大，产生较大飞边，易产生隧道缺陷；（2）若有局部位置材料厚度小于板厚原始标准厚度，常规搅拌摩擦焊在焊接到此位置时，无法形成表面成型美观的焊接接头，易产生表面沟槽、犁沟等焊接缺陷；若在焊接过程中，人为干预焊接下压量，则会造成搅拌工具搅拌针与垫板相摩擦，造成搅拌针长度的缩短和垫板的损伤，直接影响后续焊接。为克服技术背景中常规搅拌摩擦焊技术对变厚度铝合金薄板焊接中不足，本专利技术专利提出了采用激光跟踪仪自动跟踪实时测量焊接长度上材料厚度的变化，并将测量数据实时反馈给搅拌摩擦焊设备数控系统，数控系统实时驱动搅拌摩擦焊机械轴，实现对分体式搅拌工具搅拌轴肩和搅拌针的单独控制，从而实现搅拌工具焊接深度的实时控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊时焊接质量难以有效稳定的控制，设计一种能够适应变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊的焊接方法。采用的技术方案是：一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，所述变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法采用激光跟踪仪2实时测量变厚度铝合金薄板1的厚度，将测量数据反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统对测量数据进行实时处理分析，数控系统依据反馈的测量数据实时驱动焊接轴，数控系统通过对搅拌工具搅拌针3扎入深度的控制，实现对焊接深度的控制，完成变厚度铝合金薄板1的搅拌摩擦焊焊接。进一步地，所述搅拌摩擦焊设备安装有X轴、Y轴、Z轴和W轴，所述搅拌工具为分体式结构，包括轴肩4和搅拌针3，所述Z轴驱动轴肩4上下运动，所述W轴驱动搅拌针3上下运动。进一步地，所述轴肩具有5°-10°的内凹面，焊接时所述搅拌针3长度在0mm-5mm区间内调整，调整精度为±0.001mm。进一步地，所述焊接方法包括如下步骤：步骤一：在焊接开始前，设置搅拌工具主轴转速为n，激光跟踪仪2前置于搅拌工具的距离为S，焊接速度为v1，搅拌针伸出轴肩4的长度为h；步骤二：当激光跟踪仪2开始工作时，设置激光焦距和焊接起始点，经过S/v1时长后，启动搅拌工具；步骤三：当搅拌工具运动到焊接起始点时，使焊接前进方向暂停，搅拌工具主轴开始旋转，设置Z轴向下运动，通过位移控制Z轴向下运动距离，设置焊接起始段；步骤四：启动焊接程序，使搅拌工具在转速为n，焊接速度为v1条件下沿着X轴负方向运动，焊接过程中，激光跟踪仪2实时测量变厚度铝合金薄板1的厚度，将测量数据反馈给数控系统，数控系统驱动Z轴和W轴；步骤五：当激光跟踪仪2运动到终点时，激光跟踪仪2停止工作，搅拌工具沿着焊接方向运行S/v1时长后结束焊接，设置Z轴向上运动，搅拌工具在Z轴驱动下，沿着Z轴正方向向上提升5mm后搅拌工具主轴停机，变厚度铝合金薄板1的搅拌摩擦焊焊接结束。进一步地，所述步骤三中，当搅拌针3扎入变厚度铝合金薄板1的深度为h+0.1mm至h+0.2mm时，Z轴停止向下运动，等待变厚度铝合金薄板1材料达到塑性流动温度。进一步地，在焊接过程中：当激光跟踪仪2测量的变厚度铝合金薄板1的厚度小于标准厚度时，搅拌工具运动S/v1时长后，W轴向上回抽，Z轴向下压入，直至搅拌工具轴肩4低于变厚度铝合金薄板1表面0.1mm-0.2mm时停止；当激光跟踪仪2测量的变厚度铝合金薄板1的厚度大于标准厚度时，搅拌工具运动S/v1时长后，W轴向下插入，Z轴向上抬起，直至搅拌工具轴肩4低于变厚度铝合金薄板1表面0.1mm-0.2mm时停止。本专利技术的有益效果在于：1）本专利技术通过对被焊材料厚度的实时测量，并对搅拌针的实时驱动控制，实现了变厚度材料的搅拌摩擦焊。2）解决了薄板焊接时易产生的未焊透或搅拌针扎到垫板的问题，有效实现了薄板搅拌摩擦焊时焊接质量的一致性。3）有效扩展了搅拌摩擦焊技术的应用范围，最大程度上实现了材料的充分利用，避免由于材料厚度不均而无法焊接导致的浪费，节省生产成本，提高经济效益。附图说明图1为一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法实施示意图。图中，1为变厚度铝合金薄板，2为激光跟踪仪，3为搅拌针，4为轴肩，S为激光跟踪仪前置于搅拌工具的距离，h1为激光跟踪仪与变厚度铝合金薄板的距离，B为搅拌工具在垂直方向上的焊接倾角，h为搅拌针伸出轴肩面的长度。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述：图1为一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法实施示意图，激光跟踪仪2的激光测量精度经过高度方向上的距离标定后，可实时测量焊接前进方向铝合金薄板的厚度，将测量数据反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统对测量数据进行实时处理分析，数控系统根据反馈的数据实时驱动焊接轴，实现对分体式搅拌工具的搅拌针3扎入深度的控制，进而实现对焊接深度的控制，实现变厚度铝合金薄板1的搅拌摩擦焊接。较佳地，所述搅拌摩擦焊设备除了安装有常规的X轴、Y轴和Z轴之外，还安装有W轴，所述搅拌工具为分体式结构，包括轴肩4和搅拌针3，可实现相对轴向运动，其中Z轴能够驱动轴肩上下运动，W轴能够单独驱动搅拌针3上下运动。较佳地，所述轴肩具有5°-10°的内凹面，焊接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，所述变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法采用激光跟踪仪（2）实时测量变厚度铝合金薄板（1）的厚度，将测量数据反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统对测量数据进行实时处理分析，数控系统依据反馈的测量数据实时驱动焊接轴，数控系统通过对搅拌工具搅拌针（3）扎入深度的控制，实现对焊接深度的控制，完成变厚度铝合金薄板（1）的搅拌摩擦焊焊接。

【技术特征摘要】
1.一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，所述变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法采用激光跟踪仪（2）实时测量变厚度铝合金薄板（1）的厚度，将测量数据反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统对测量数据进行实时处理分析，数控系统依据反馈的测量数据实时驱动焊接轴，数控系统通过对搅拌工具搅拌针（3）扎入深度的控制，实现对焊接深度的控制，完成变厚度铝合金薄板（1）的搅拌摩擦焊焊接。2.如权利要求1所述的变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，所述搅拌摩擦焊设备安装有X轴、Y轴、Z轴和W轴，所述搅拌工具为分体式结构，包括轴肩（4）和搅拌针（3），所述Z轴驱动轴肩（4）上下运动，所述W轴驱动搅拌针（3）上下运动。3.如权利要求2所述的变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，所述轴肩（4）具有5°-10°的内凹面，焊接时所述搅拌针（3）长度在0mm-5mm区间内调整，调整精度为±0.001mm。4.如权利要求2所述的变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，其特征在于，所述焊接方法具体为：步骤一：在焊接开始前，设置搅拌工具主轴转速为n，激光跟踪仪（2）前置于搅拌工具的距离为S，焊接速度为v1，搅拌针（3）伸出轴肩（4）的长度为h；步骤二：当激光跟踪仪（2）开始工作时，设置激光焦距和焊接起始点，经过S/v1时长后，启动搅拌工具；步骤三：当搅拌工具运动到焊接起始点时，使焊接前进方向暂停，搅拌工具主轴开始旋转，设置Z轴向...

【专利技术属性】
技术研发人员：吉华，杨国舜，汪虎，张晓进，陈大伟，周礼龙，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂，
类型：发明
国别省市：上海,31