搅拌摩擦焊的复合焊接方法及装置
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，尤其涉及搅拌摩擦焊的复合焊接方法及装置。
背景技术
搅拌摩擦焊技术是指将搅拌头插入待焊部位并沿焊接方向移动，通过高速旋转的搅拌头与被焊材料之间剧烈的摩擦搅拌产生的摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，在搅拌头的压力作用下使高度塑性变形的金属从前端向后部塑性流动形成致密的焊缝。由于焊接过程中金属不发生熔化，因此与熔化焊相比可以避免气孔、裂纹等缺陷，提高焊缝强度、降低变形和残余应力，大大提高了焊缝质量。搅拌摩擦焊技术在铝合金、镁合金等低熔点金属制造方面具有明显的优势，目前已被广泛应用于航空航天、轨道交通、汽车等领域。近年来搅拌摩擦焊接技术得到了进一步发展，其应用范围也扩展到铜合金、钛合金、钢、铝基复合材料以及异种金属材料的焊接;同时也发展了静止轴肩搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、回抽搅拌摩擦焊等诸多技术用以解决角接接头焊接、匙孔等问题。
但是，由于搅拌摩擦焊技术自身的特点，还有一些问题未能解决。例如：由于搅拌摩擦焊接过程中不填充材料，仅靠被焊工件自身进行填充，这会导致两方面的问题：一是对装配精度要求很高，这样才能保证自身材料能够将间隙完全填充保证焊缝成型;二是不能进行接头性能的调控，不能获得具有特殊性能要求的焊缝。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种搅拌摩擦焊的复合焊接方法，以解决现有的搅拌摩擦焊接过程仅靠被焊工件自身进行填充，从而对装配精度要求过高，并且焊缝接头的性能不能调控的问题。
本发明还提出一种搅拌摩擦焊的复合焊接装置。
根据本发明一方面实施例的一种搅拌摩擦焊的复合焊接方法，包括：
沿待焊工件的组装间隙对所述待焊工件进行搅拌摩擦焊接;
在所述搅拌摩擦焊接之前，预判所述待焊工件的组装间隙超差位置并对所述组装间隙超差位置进行局部增材处理。
根据本发明的一个实施例，所述预判所述待焊工件的组装间隙超差位置并对所述组装间隙超差位置进行局部增材处理的过程，进一步包括：
预设所述待焊工件的组装间隙超差阈值;
预测所述待焊工件上待焊位置的组装间隙监测值;
基于所述待焊位置的组装间隙监测值与所述组装间隙超差阈值的比较，预判所述待焊位置为所述组装间隙超差位置，并且对所述组装间隙超差位置进行局部增材处理。
根据本发明的一个实施例，所述基于所述待焊位置的组装间隙监测值与所述组装间隙超差阈值的比较，预判所述待焊位置为所述组装间隙超差位置的过程，进一步包括：
基于所述待焊位置的组装间隙监测值与所述组装间隙超差阈值的比较结果，确定所述待焊位置的组装间隙监测值超过所述组装间隙超差阈值，以预判所述待焊位置为所述组装间隙超差位置。
根据本发明的一个实施例，所述基于所述待焊位置的组装间隙监测值与所述组装间隙超差阈值的比较，预判所述待焊位置为所述组装间隙超差位置的过程，进一步包括：
基于所述待焊位置的组装间隙监测值与所述组装间隙超差阈值的比较结果，调节增材工艺参数。
根据本发明的一个实施例，所述局部增材处理为激光增材处理，所述增材工艺参数包括激光功率、激光离焦量、送丝速率以及送粉量中的至少一个参数。
根据本发明的一个实施例，该复合焊接方法包括：
驱动主搅拌头沿焊接方向行进，以沿所述待焊工件的组装间隙对所述待焊工件进行搅拌摩擦焊接;
在所述搅拌摩擦焊接之前，驱动增材机构沿所述焊接方向行进并向所述组装间隙超差位置添加待熔覆料，并且驱动辅搅拌头沿所述焊接方向行进并将所述待熔覆料填充到所述组装间隙超差位置中，以在所述待焊工件的表面构造熔覆层。
根据本发明的一个实施例，所述驱动增材机构沿所述焊接方向行进并向所述组装间隙超差位置添加待熔覆料的过程，进一步包括：
驱动所述增材机构通过送丝或者送粉的方式向所述组装间隙超差位置的表面添加所述待熔覆料。
根据本发明的一个实施例，所述驱动辅搅拌头沿所述焊接方向行进并将所述待熔覆料填充到所述组装间隙超差位置中的过程，进一步包括：
驱动所述辅搅拌头沿所述焊接方向排列在所述增材机构的后方，以使所述增材机构和所述辅搅拌头同步行进。
根据本发明的一个实施例，所述驱动所述辅搅拌头沿所述焊接方向排列在所述增材机构的后方，以使所述增材机构和所述辅搅拌头同步行进的过程，进一步包括：
驱动所述主搅拌头沿所述焊接方向排列在所述辅搅拌头的后方，以使所述增材机构、辅搅拌头和主搅拌头同步行进。
根据本发明另一方面实施例的一种执行如上所述的搅拌摩擦焊的复合焊接方法的复合焊接装置，包括：
主搅拌头，在待焊工件上沿焊接方向行进，并用于沿待焊工件的组装间隙对所述待焊工件进行搅拌摩擦焊接;
增材组件，沿所述焊接方向排列于所述主搅拌头的前方，用于在所述搅拌摩擦焊接之前，预判所述待焊工件的组装间隙超差位置并对所述组装间隙超差位置进行局部增材处理。
根据本发明的一个实施例，所述增材组件包括：
增材机构，沿所述焊接方向排列于所述主搅拌头的前方，用于沿所述焊接方向行进并向所述组装间隙超差位置添加待熔覆料;
辅搅拌头，沿所述焊接方向排列于所述增材机构与所述主搅拌头之间，用于沿所述焊接方向行进并将所述待熔覆料填充到所述组装间隙超差位置中，以在所述待焊工件的表面构造熔覆层。
根据本发明的一个实施例，复合焊接装置还包括：
监测单元，沿所述焊接方向排列于所述增材组件的前方，用于预测所述待焊工件上待焊位置的组装间隙监测值。
根据本发明的一个实施例，复合焊接装置还包括：
控制机构，分别与所述监测单元和增材组件连接，用于基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值的比较，预判所述待焊位置为所述组装间隙超差位置，并且驱动所述增材组件对所述组装间隙超差位置进行局部增材处理。
本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：
本发明实施例的一种搅拌摩擦焊的复合焊接方法包括：沿待焊工件的组装间隙对待焊工件进行搅拌摩擦焊接;在搅拌摩擦焊接之前，预判待焊工件的组装间隙超差位置并对该组装间隙超差位置进行局部增材处理。该方法能够预先判断出待焊工件上的组装间隙超差位置，从而通过对组装间隙超差位置进行局部增材处理，以填补待焊工件上超差的组装间隙，从而使得后续的主搅拌头在焊接过程中能够处于更为稳定的焊接环境中，能够大大降低对待焊工件的装配精度的要求，进而提高待焊工件的焊接适配性，促使焊缝更易成型。
进一步的，该方法还可以通过对待焊工件上的组装间隙超差位置进行预判，从而实时调控待焊工件的焊缝性能，以使该焊接方法具有更好的适配性和更为广泛的应用范围，例如：通过调节增材工艺参数从而在待焊工件上获得具有特殊性能要求的焊缝。
本发明实施例的一种复合焊接装置，包括：在待焊工件上沿焊接方向行进的主搅拌头、以及沿焊接方向排列于主搅拌头前方的增材组件。该复合焊接装置通过设置主搅拌头，并驱动主搅拌头沿待焊工件的组装间隙行进，从而对待焊工件的组装间隙进行连续的搅拌摩擦焊接，并且，在主搅拌头的行进之前，预先设置增材组件，从而基于预先判断出的待焊工件的组装间隙超差位置而对上述的组装间隙超差位置进行选择性的局部增材处理，从而使得搅拌头在焊接过程中能够处于更为稳定的焊接环境中，能够大大降低对待焊工件的装配精度的要求，进而提高待焊工件的焊接适配性，促使焊缝更易成型。
进一步的，由于增材组件能够对待焊工件上的组装间隙超差位置进行预判，从而使得该复合焊接装置可以实时调控待焊工件的焊缝性能，以使该焊接装置具有更好的适配性和更为广泛的应用范围，特别是能在待焊工件上获得具有特殊性能要求的焊缝。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明实施例搅拌摩擦焊的复合焊接方法的一种实施过程的流程示意图;
图2是本发明实施例搅拌摩擦焊的复合焊接方法的另一种实施过程的流程示意图;
图3是本发明实施例搅拌摩擦焊的复合焊接装置的结构示意图。
附图标记：
1：增材机构;2：辅搅拌头;3：主搅拌头;4：监测单元;5：控制机构;6：熔覆层;7：待焊工件。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置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发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接;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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
本发明实施例提供了一种搅拌摩擦焊的复合焊接方法(本发明实施例中简称为“方法”)，例如图1和图2所示。并且，基于该方法提供了一种复合焊接装置(本发明实施例中简称为“装置”)，例如图3所示。图3中所示的箭头即为焊接方向。
具体的，该方法包括：沿待焊工件7的组装间隙对待焊工件7进行搅拌摩擦焊接;以及，在搅拌摩擦焊接之前，预判待焊工件7的组装间隙超差位置并对该组装间隙超差位置进行局部增材处理。
该方法能够预先判断出待焊工件7上的组装间隙超差位置，从而通过对组装间隙超差位置进行有选择性的局部增材处理，以填补待焊工件7上超差的组装间隙，从而使得后续的主搅拌头3在焊接过程中能够处于更为稳定的焊接环境中，能够适当降低对待焊工件7的装配精度的要求，进而提高待焊工件7的焊接适配性，促使焊缝更易成型。
可理解的是，待焊工件7上通过对接或组装构造有待焊接头，通过对待焊接头进行搅拌摩擦焊接处理，从而在待焊接头位置形成焊缝。故而，本申请中所述的组装间隙即指待焊接头的组装间隙。
可理解的是，“超差”是指产品或部件的尺寸超出了标准规定的公差范围。故而，本申请中所述的组装间隙超差位置是指待焊工件7上的组装间隙实测尺寸超出预设的组装间隙标准尺寸的位置。进而，上述的组装间隙标准尺寸即为本申请所述的组装间隙超差阈值。
在一个实施例中，上述的预判待焊工件7的组装间隙超差位置并对该组装间隙超差位置进行局部增材处理的过程，进一步包括：
预设待焊工件7的组装间隙超差阈值;
预测待焊工件7上待焊位置的组装间隙监测值;
基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值的比较，预判待焊位置为组装间隙超差位置，并且对组装间隙超差位置进行局部增材处理。
进一步的，上述的基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值的比较，预判待焊位置为组装间隙超差位置的过程包括：
基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值的比较结果，确定待焊位置的组装间隙监测值超过组装间隙超差阈值，以预判待焊位置为组装间隙超差位置。
可见，该方法通过在搅拌摩擦焊接之前，预先测出沿焊接方向前方的待焊位置的组装间隙监测值(例如上述的组装间隙实测尺寸)，从而基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值之间的比较结果，预判得到该待焊位置是否为组装间隙超差位置。即是说，若待焊位置的组装间隙监测值超过组装间隙超差阈值，则预判该待焊位置为组装间隙超差位置，并且对组装间隙超差位置进行局部增材处理;对应的，若待焊位置的组装间隙监测值未超过组装间隙超差阈值，则预判该待焊位置不是组装间隙超差位置，则直接对该待焊位置进行搅拌摩擦焊接即可。由此可见，该预判过程直接、简单、高效，能够使得该方法具有更广泛的普适性。
在一个实施例中，上述的基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值的比较，预判待焊位置为组装间隙超差位置的过程，进一步包括：基于待焊位置的组装间隙监测值与组装间隙超差阈值的比较结果，调节增材工艺参数。优选的，本发明实施例所述的局部增材处理为通过送丝或送粉方式进行的激光增材处理，激光增材处理具有指向性好、热输入小的优点。并且激光增材的增材工艺参数的调节非常便利。本发明实施例所述的增材工艺参数包括激光功率、激光离焦量、送丝速率以及送粉量中的至少一个参数。
由于本发明实施例所述的方法通过对待焊工件7上的组装间隙超差位置进行预判，从而可以根据预判及上述的比较结果(例如组装间隙的具体超差数值)对待焊工件7的焊缝性能进行实时并且精密的调控，以使该焊接方法具有更好的适配性和更为广泛的应用范围，例如：通过调节增材工艺参数从而在待焊工件7上获得具有特殊性能要求的焊缝。
为了执行上述方法，本发明实施例提供一种的复合焊接装置。如图3所示，该装置包括主搅拌头3和增材组件。其中，主搅拌头3能在待焊工件7上沿焊接方向行进，并用于沿待焊工件7的组装间隙对待焊工件7进行搅拌摩擦焊接;增材组件沿焊接方向排列于主搅拌头3的前方，并用于在搅拌摩擦焊接之前预判待焊工件7的组装间隙超差位置并对该组装间隙超差位置进行局部增材处理。
在一个实施例中，上述的增材组件具体包括增材机构1和辅搅拌头2。增材机构1沿焊接方向排列于主搅拌头3的前方，用于沿焊接方向行进并向组装间隙超差位置添加待熔覆料;辅搅拌头2沿焊接方向排列于增材机构1与主搅拌头3之间，用于沿焊接方向行进并将待熔覆料填充到组装间隙超差位置中，以在待焊工件7的表面构造熔覆层6。增材机构1的设置能够对待焊工件7上待焊位置起到预制和弥补焊接材料不足的作用。辅搅拌头2的设置能够将熔覆料更均匀稳定的填充到组装间隙内，从而进一步提高后续的主搅拌头3对待焊工件7进行搅拌摩擦焊接的焊接稳定性。
可理解的是，本发明实施例所述的方法及装置中，驱动增材机构1通过送丝或者送粉的方式向组装间隙超差位置的表面添加待熔覆料。利用送丝或送粉的方式添加熔覆料可以弥补待焊工件7自身在焊接过程中因料体不足而容易导致焊缝成型不良以及相关的焊缝缺陷，从而提高焊缝成型的质量，并且使待焊工件7的装配精度要求进一步降低。此外，由于熔覆料被填充至组装间隙超差位置中并在待焊工件7表面构造成熔覆层6，可以使得待焊工件7在焊接过程中进一步降低装配精度的要求，并且提高后续的搅拌摩擦焊的焊接条件。
可理解的是，增材机构1优选为激光增材机构1。送丝是指向增材机构1作用于待焊工件7表面的待焊位置添加以待熔覆料制成的焊丝。送粉是指向增材机构1作用于待焊工件7表面的待焊位置添加以待熔覆料制成的颗粒。待熔覆料的材质可以与待焊工件7的材质相同，也可以与待焊工件7的材质不同。待熔覆料优选为金属材料。
可理解的是，本发明实施例所述的方法及装置进行焊缝性能调控的过程具体为：在待焊工件7进行对接或组装时可以使组装间隙值均超过组装间隙超差阈值，从而在整个焊接过程中使增材机构1始终保持开启;增材机构1通过送丝或者送粉方式向组装间隙内引入能够改善焊缝性能的金属待熔覆料，并且通过辅搅拌头2将具有特定性能的金属待熔覆料填充至间隙中，以在待焊工件7表面构造熔覆层6;最后利用主搅拌头3沿焊接方向持续行进以完成搅拌摩擦焊，从而在整个焊接过程中实现对焊缝性能的调控。
可理解的是，本发明实施例所述的方法及装置中，如图3所示，沿焊接方向所示，增材机构1排列在主搅拌头3的前方，并且辅搅拌头2排列在增材机构1与主搅拌头3之间。
进一步的，本发明实施例结合上述的复合焊接装置，提供了该复合焊接方法的以下两种实施过程。
如图1所示，可以驱动增材机构1和辅搅拌头2同步行进，并且在行进过程中利用增材机构1向待焊工件7的组装间隙填充熔覆料以后，随之通过辅搅拌头2将熔覆料均匀填充到组装间隙中以形成上述的熔覆层6，在待焊工件7表面的熔覆层6的整体构造完成以后，驱动主搅拌头3沿对待焊工件7上具有熔覆层6的位置以及未构造熔覆层6的位置进行整体焊接，从而可以提高焊接的稳定性。
如图2所示，也可以驱动增材机构1、辅搅拌头2和主搅拌头3沿焊接方向排列并且同步行进，即将增材机构1进行的熔覆料添加过程、辅搅拌头2的熔覆层6构造过程以及主搅拌头3的搅拌摩擦焊接过程在增材机构1、辅搅拌头2和主搅拌头3的一次同步行进过程中依序完成，从而进一步提高焊接效率。
在一个优选实施例中，本发明实施例所述的装置还包括监测单元4。该监测单元4沿焊接方向排列于增材组件的前方，例如该监测单元4沿焊接方向排列于增材机构1的前方。该监测单元4用于执行上述的方法中所述的预测待焊工件7上待焊位置的组装间隙监测值的过程。通过设置监测单元4，可以使得该装置及方法能够在焊接过程中预先对监测单元4指向的待焊位置进行焊接前的监测，从而预测得到该待焊位置的组装间隙监测值，以进一步提高焊接的稳定性和精密性。
可理解的是，该监测单元4优选为尺寸传感器，以便于对组装间隙的间距尺寸进行实时测量。
在一个实施例中，本发明实施例所述的装置还包括控制机构5。该控制机构5分别与监测单元4和增材组件连接，例如该控制机构5分别与监测单元4、增材机构1和辅搅拌头2连接。该控制机构5用于执行上述的方法，例如基于监测单元4指向的待焊位置的组装间隙监测值与预设的组装间隙超差阈值的比较，从而预判得到该待焊位置是否为组装间隙超差位置，并且驱动增材组件对组装间隙超差位置进行局部增材处理。
以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。
