本发明公开了一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，包括外壳，在外壳内依次设有第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，所述第一支撑板上安装有主电机，第二支撑板上安装有动态扭矩传感器，在第三支撑板上安装有振动传感器，主电机通过动态扭矩传感器与主轴连接，在主轴上套有旋转套，旋转套上安装有轴承，轴承位于支撑座内，旋转套与主轴连接，主轴底端与搅拌头连接，在搅拌头沿着焊缝的焊接方向设有火焰预热装置。本发明的一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，根据振动和扭矩传感器的反馈信号可调节火焰预热程度，有利于焊接区域金属塑化。
1.一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：包括外壳，在外壳内依次设有第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，所述第一支撑板上安装有主电机，第二支撑板上安装有动态扭矩传感器，在第三支撑板上安装有振动传感器，主电机通过动态扭矩传感器与主轴连接，在主轴上套有旋转套，旋转套上安装有轴承，轴承位于支撑座内，旋转套与主轴连接，主轴底端与搅拌头连接，在搅拌头沿着焊缝的焊接方向设有火焰预热装置；所述第三支撑板上设有圆周均布的四个激光测距装置，四个激光测距装置所测得到工件的距离分别为L1、L2、L3和L4，安装搅拌头时，L1＝L2＝L3＝L4；焊接过程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05时，搅拌头倾斜，停止焊接；所述振动传感器用于检测焊接方向的振动情况，该振动传感器的输出信号包括了以下信息：焊接区域金属的塑化情况、搅拌头在焊接方向上所受力的作用情况；塑化程度较高的金属在搅拌头的搅拌作用下容易形成焊缝且对搅拌头的阻碍作用力较小；塑化程度较低的焊缝金属会导致振动较大，且振动信号不稳定；动态扭矩传感器的输出包括了以下信息：当焊接区域金属塑性较差时，扭矩值较大；当焊接区域金属塑性较好时，扭矩较小。
2.根据权利要求1所述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述振动传感器和动态扭矩传感器均与控制器连接，控制器与火焰预热装置连接。
3.根据权利要求1所述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：旋转套与主轴通过螺钉固定连接。
4.根据权利要求1所述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，其特征在于：所述主轴设有圆形导轨，圆形导轨上套有弹簧拧入主轴上，圆形导轨的末端顶住旋转套。
5.一种如权利要求1至4任一项所述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)按照由下而上的顺序，将主轴穿过旋转套、轴承、动态扭矩传感器后，与主电机的输出轴连接，将主轴与旋转套连接；
(2)测试动态扭矩传感器和振动传感器是否有数据输出，如正常转下一步，如不正常，进行检测并调试正常；
(3)测试火焰预热装置是否正常，如正常转下一步，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；
(7)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定扭矩和振动阈值范围；
(8)整个焊具开始下降，当搅拌头开始接触工件时，开始记录动态扭矩传感器、振动传感器的输出，当下压深度达到目标值时，进入初始预热阶段；
(10)搅拌头开始移动，焊接过程中，根据振动传感器和动态扭矩传感器的输出，当焊接扭矩和振动幅值均在阈值范围内，维持当前焊接参数不变；当焊接扭矩超过阈值，增强火焰预热强度；当焊接扭矩在阈值范围内、振动幅值超过幅值时，降低火焰预热强度；当焊接扭矩和振动幅值小于阈值范围，增加焊接速度；
(11)焊接结束后，停止火焰预热装置，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件，焊接结束，拆下搅拌头。
基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法
技术领域
[0001] 本发明涉及基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，属于搅拌摩擦焊领域。
背景技术
[0002] 自英国焊接研究所(TWI)于1991年发明了搅拌摩擦焊接方法以来，这项技术因其焊接变形小、残余应力小，无需保护气体和填充材料，可消除气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，以及不产生弧光、烟尘、噪音污染等，同时能显著降低成本、节省材料、优化结构、减轻飞行器的结构重量等特点受到各国科研机构的关注。由于这项技术具有很多其他方法所不具备的显著特点，它很快就被用于航天领域，新一代运载火箭芯级贮箱筒段纵缝的焊接就是选用这种方法。尽管利用搅拌摩擦焊接方法可以获得高质量的焊接接头，但在对钢管的进行焊接时，仍然存在很多难点。
[0003] 专利(申请号201410792391.5)通过辅助热源对需要焊接区域进行预加热，直至焊接材料达到塑化或者合金化状态后，摩擦搅拌头再沿辅助热源加热路径前进进行摩擦焊接，即这个方法需要首先使用辅助热源将焊接材料完全塑化，然后搅拌头再进行焊接，但这个专利没有提出如何调节焊接过程中的辅助热源；专利(申请号201210564760.6)使用了具有加热丝的加热箱体，将需要进行搅拌摩擦焊接的钢板进行焊接前的加热和焊接后的冷却，但显然这个方法所需要的加热装置巨大且适用性不强；此外还有专利(申请号201210592979.7)将激光和搅拌摩擦焊这种复合焊接技术应用于材质较硬的焊接板，在焊接板的背面和正面设置激光束，但激光系统成本较高且能量过于集中，难以对焊接前方的较大区域进行整体预热。因此设计出一种既具备传统搅拌摩擦头焊接功能、又能最大程度地避免搅拌头受力过度磨损、又能够进行钢管焊接的焊具成为了一个迫在眉睫的重要任务。
发明内容
[0004] 发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提出一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具及焊接方法，根据振动和扭矩传感器的反馈信号可调节火焰预热程度，有利于焊接区域金属塑化。
[0005] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明的一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，包括外壳，在外壳内依次设有第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，所述第一支撑板上安装有主电机，第二支撑板上安装有动态扭矩传感器，在第三支撑板上安装有振动传感器，主电机通过动态扭矩传感器与主轴连接，在主轴上套有旋转套，旋转套上安装有轴承，轴承位于支撑座内，旋转套与主轴连接，主轴底端与搅拌头连接，在搅拌头沿着焊缝的焊接方向设有火焰预热装置。
[0006] 作为优选，所述振动传感器和动态扭矩传感器均与控制器连接，控制器与火焰预热装置连接。
[0007] 作为优选，旋转套与主轴通过螺钉固定连接。
[0008] 作为优选，所述主轴设有圆形导轨，圆形导轨上套有弹簧拧入主轴上，圆形导轨的末端顶住旋转套。
[0009] 作为优选，所述第三支撑板上设有圆周均布的四个激光测距装置，四个激光测距装置所测得到工件的距离分别为L1、L2、L3和L4，安装搅拌头时，L1＝L2＝L3＝L4；焊接过程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05时，搅拌头倾斜，停止焊接。
[0010] 一种上述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011] (1)按照由下而上的顺序，将主轴穿过旋转套、轴承、动态扭矩传感器后，与主电机的输出轴连接，将主轴与旋转套连接；
[0012] (2)测试动态扭矩传感器和振动传感器是否有数据输出，如正常转下一步，如不正常，进行检测并调试正常；
[0013] (3)测试火焰预热装置是否正常，如正常转下一步，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；
[0014] (4)将搅拌头与主轴固定连接；
[0015] (5)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上；
[0016] (6)将动态扭矩传感器、振动传感器通电；
[0017] (7)启动焊机主电机，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定扭矩和振动阈值范围；
[0018] (8)整个焊具开始下降，当搅拌头开始接触工件时，开始记录动态扭矩传感器、振动传感器的输出，当下压深度达到目标值时，进入初始预热阶段；
[0019] (9)初始预热阶段结束后，火焰预热装置开始工作；
[0020] (10)搅拌头开始移动，焊接过程中，根据振动传感器和动态扭矩传感器的输出，当焊接扭矩和振动幅值均在阈值范围内，维持当前焊接参数不变；当焊接扭矩超过阈值，增强火焰预热强度；当焊接扭矩在阈值范围内、振动幅值超过幅值时，降低火焰预热强度；当焊接扭矩和振动幅值小于阈值范围，增加焊接速度；
[0021] (11)焊接结束后，停止火焰预热装置，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件，焊接结束，拆下搅拌头。
[0022] 在本发明中，振动传感器用于检测焊接方向的振动情况。该传感器的输出信号包括了以下信息：焊接区域金属的塑化情况、搅拌头在焊接方向上所受力的作用情况。塑化程度较高的金属在搅拌头的搅拌作用下容易形成焊缝且对搅拌头的阻碍作用力较小；塑化程度较低的焊缝金属会导致振动较大，且振动信号不稳定。动态扭矩传感器的输出包括了以下信息：当焊接区域金属塑性较差时，扭矩值较大；当焊接区域金属塑性较好时，扭矩较小。
[0023] 在本发明中，调整火焰离开工件的距离即可调整火焰预热的强弱。火焰预热装置的作用是，对即将进行焊接的区域进行加热，减轻搅拌头的工作负荷。但预热火焰离工件必须保持一定距离，以在保证不熔化金属的前提下，尽量充分加热待焊金属。当焊接到平板边缘时，停止火焰预热装置，以免浪费火焰和伤害背板。
[0024] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0025] (1)这是一种新式的搅拌摩擦焊工具，根据振动和扭矩传感器的反馈信号可调节火焰预热程度，有利于焊接区域金属塑化。
[0026] (2)动态扭矩传感器和振动传感器的输出信号反映了焊接区域金属塑化程度和焊接过程稳定状态。
[0027] (3)结构简单、实用性强。该焊具部件较少、成本低廉、容易实现且装配方便，这对于其推广与应用具有重要的现实意义。
附图说明
[0028] 图1为本发明的结构示意图。
[0029] 图2为本发明中旋转套与主轴的另一种连接示意图。
具体实施方式
[0030] 下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0031] 如图1和图2所示，本发明的一种基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具，包括外壳，在外壳内依次设有第一支撑板、第二支撑板和第三支撑板，所述第一支撑板上安装有主电机1，第二支撑板上安装有动态扭矩传感器2，在第三支撑板上安装有振动传感器3，主电机1通过动态扭矩传感器2与主轴11连接，在主轴11上套有旋转套7，旋转套7上安装有轴承5，轴承5位于支撑座6内，旋转套7与主轴11连接，主轴11底端与搅拌头8连接，在搅拌头8沿着焊缝的焊接方向设有火焰预热装置10，所述振动传感器3和动态扭矩传感器2均与控制器连接，控制器与火焰预热装置10连接。
[0032] 在本发明中，旋转套7与主轴11可以通过螺钉固定连接。旋转套7与主轴11还可以如图2所示的一种连接方式，所述主轴11设有圆形导轨18，圆形导轨18上套有弹簧20再拧入主轴11上，圆形导轨18的末端顶住旋转套7，能自适应的调整旋转套与主轴件的距离。
[0033] 在本发明中，所述第三支撑板上设有圆周均布的四个激光测距装置，四个激光测距装置所测得到工件9的距离分别为L1、L2、L3和L4，安装搅拌头8时，L1＝L2＝L3＝L4；焊接过程中，丨L1-L3丨/丨L1丨或丨L2-L4丨/丨L2丨的值大于0.05时，搅拌头8倾斜，停止焊接。
[0034] 在本发明中，主电机1可采用结构紧凑、输出力矩较大的永磁电动机；动态扭矩传感器2可采用市面上常规型号；振动传感器3可采用市面上常用的加速度传感器；旋转套7可采用普通碳钢制作；搅拌头则采用高温合金进行加工；火焰预热装置10可采用常规乙炔火焰装置，火焰预热装置10通过支撑架与外壳连接在一起，与外壳同步运动。
[0035] 一种上述的基于扭矩和振动反馈的钢管搅拌摩擦焊具的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0036] (1)按照由下而上的顺序，将主轴11穿过旋转套7、轴承5、动态扭矩传感器2后，与主电机1的输出轴连接，将主轴11与旋转套7连接；
[0037] (2)测试动态扭矩传感器2和振动传感器3是否有数据输出，如正常转下一步，如不正常，进行检测并调试正常；
[0038] (3)测试火焰预热装置10是否正常，如正常转下一步，如不正常，替换或维修至正常后进行下一步；
[0039] (4)将搅拌头8与主轴11固定连接。
[0040] (5)将整个焊具固定在搅拌摩擦焊机的机头上；
[0041] (6)将动态扭矩传感器2、振动传感器3通电；
[0042] (7)启动焊机主电机1，使搅拌摩擦焊具旋转，同时设定扭矩和振动阈值范围；
[0043] (8)整个焊具开始下降，当搅拌头8开始接触工件9时，开始记录动态扭矩传感器2、振动传感器3的输出，当下压深度达到目标值时，进入初始预热阶段；
[0044] (9)初始预热阶段结束后，火焰预热装置10开始工作；
[0045] (10)搅拌头8开始移动，焊接过程中，根据振动传感器3和动态扭矩传感器2的输出，当焊接扭矩和振动幅值均在阈值范围内，维持当前焊接参数不变；只要焊接扭矩超过阈值，增强火焰预热强度；当焊接扭矩在阈值范围内、振动幅值超过幅值时，降低火焰预热强度；当焊接扭矩和振动幅值小于阈值范围，可增加焊接速度；
[0046] (11)焊接结束后，停止火焰预热装置10，提升焊具，使搅拌摩擦头脱离工件9，焊接结束，拆下搅拌头8。
[0047] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
