英语原文共 10 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

DOI 10.1007/000-015-81116-9

来源文章

筒管工具搅拌摩擦焊的温度测量与控制

Shu Shujin Chen1 ＆Hao Li1 ＆Sheng Lu1 ＆Ruiyang Ni 1 ＆Jiangghui Dong 2

收稿日期：2015年7月1日/已接受：2015年11月12日/在线发布：2015年12月9日#Springer-Verlag伦敦2015

摘要梭芯工具搅拌摩擦焊（BTFSW）是一种相对较新的固态焊接技术，但由于其独特的焊接工具结构，其控制与传统的搅拌摩擦焊（FSW）不同。在本文中，开发了闭环控制系统，并提出了史密斯预测比例 - 积分 - 微分（PID）控制方法，以帮助焊接系统产生适当的界面温度响应。由于难以准确地检测焊接区域的整个范围内的温度，因此通过热电偶和无线传输技术检测工具 - 工件界面温度。进行了初步实验以获得对筒管工具摩擦搅拌焊接工艺的定性理解。采用 Ziegler- Nichols设定方法确定PID控制器的参数。在研究BTFSW 中Smith预估PID控制的能力的同时，重点研究了对接焊过程中焊接温度滞后特性的控制效果。补偿策略是在焊接路径上设置间隙，间隙可能影响温度分布。通过我们的实验，我们证明了温度控制策略是可行的， 并且焊缝的拉伸性能沿焊接方向是均匀的。

关键词BTFSW .温度控制 .Smith预测PID

*舒舒辰

chennshujin@163.com

1江苏科技大学材料科学与工程学院，镇江212003

2南澳大利亚大学自然与建筑环境学院，阿德莱德，SA 5095，澳大利亚

介绍

梭芯工具摩擦搅拌焊接（BTFSW）是一种相对较新的固 态焊接技术，其中材料通过机械搅拌通过穿过接头线 的旋转工具连接。与传统的摩擦搅拌焊接（FSW）一样， BTFSW具有优于熔焊方法的几个优点，例如较低的热变 形，改善焊接接头的材料性能，降低能量输入和减少 对环境的影响^[1].它采用摩擦和机械塑性变形来加热 和软化工件材料，允许类似于挤压和锻造的机械变形 机制，形成一个强大的接头^[2].

由于具有许多优点，因此努力实现如何最好地自动 化FSW过程以进一步采用。FSW和BTFSW机器都类似于铣 床，因此计算机数控铣床可以立即用于焊接过程。然 而，大多数铣床没有配备温度或力数据采集装置。为 了实现焊接过程的监控和控制，需要检测过程参数， 例如轴向力，横动力，侧向力和扭矩。最常见的测量 方法是使用安装在FSW工具和机头之间的工业称重传感 器，尽管下一节将讨论创造性的替代方案。大多数称 重传感器使用应变计或压电材料作为传感元件。然而， 由于称重传感器的成本相对较高，一些研究人员选择 设计和构建定制的低成本工艺参数测量系统^[3–7].通 过监控FSW机内部配备的伺服电机和主轴三相交流感应 电机的输出转矩，采用间接方法实时同时实时测量刀

具扭矩，横向力和轴向力^[8]，证明了这一点

经济可靠。在任何一种情况下，一旦可以测量FSW过程力，它就可以深入了解焊接特性，扩展控制能力，使FSW更适合工业应用。

FSW有多种控制架构，如位置控制，轴向力控制和转 矩控制^[9].位置控制对于具有高刚度的FSW机器是有利 的，其可以承受大的过程力并防止工具偏转。此外， 焊接材料还必须以促进零件之间的刚性和位置一致性 的方式定位，支撑和牢固夹紧。但是，当没有达到这 些机器和部件条件时，位置控制并不总能产生可接受 的焊接质量，但是，这种情况下，向下的轴向力控制。轴向力可以提供必要的锻造压力，这对焊缝的形成至 关重要。轴力控制已成功应用于搭接焊接接头^[10].可 以通过调整垂直位置，移动速度，工具的旋转速度来 控制此力^[11]，或工具肩的形状^[12].工具的位置通常 用作控制变量。

但是力控制比位置控制更容易变得不稳定，这会导致焊接缺陷^[9].由于轴向力与刀具深度之间的非线性关系以及工件刚度由焊接环境温度决定的事实，刀具与工件的肩部接触量与轴向力大致成正比。因此，当整个肩部浸没在表面下方时，切入深度的任何变化都不会产生轴向力的可控变化^{[9, 13]}，当工具的肩部插入工件时，闪光灯变得严重。特别是，不适当的快速插入工具会产生轴向力的大幅度增加，这可能导致稳定性问题^[14].为避免工具突然深入工件或稍微缩回时产生大的尖峰，工具的运动轮廓必须平滑，以尽量减小力的波动^[15].此外，增加工具的超前角提供了更大范围的切入深度，从而产生稳定性。此外，随着超前角的增加，力峰值的幅度减小。

与上述方法相比，扭矩控制具有更低的成本并且提供对焊接过程的更好理解。Longhurst等。^[16]通过调整工具的垂直位置来控制主轴扭矩。刀具沿垂直方向移动，以使主轴电机电流保持在有限的值内。利用这种方法，在焊接操作期间保持恒定的焊接扭矩。相关研究表明

与轴向力的控制方式类似，通过保持或调整插入深度来实现焊接扭矩^[17].结果表明焊接扭矩对切入深度更敏感，扭矩控制方法在更宽的焊接温度范围内比力控制更稳定^[15].当使用机器人时，与计划路径的偏差将随着焊接力的增加而增加^{[18, 19]}.但是，可以通过监控过程力并将它们与路径偏差相关联来补偿这些问题^{[20, 21]}或使用基于视觉的跟踪系统。弗莱明等人。使用轴向力作为反馈信号，但力信号中存在大量噪声^[21 然后，引入扭矩作为反馈信号，用于FSW搭接焊缝的焊缝跟踪。

最后，温度作为焊接过程中的重要工艺参数，直接影响动态回复和再结晶过程;因此，有必要控制焊接温度。工件和工具的表面温度可通过红外线照相检测^[22].热电偶用于测量工件上不同位置的温度历程^[23]. 但是，焊接区温度无法实时直接测量，尤其是必须测量靠近焊接区的位置。然后，应用插入工具的热电偶实时检测温度^{[24, 25]}.信号可以通过无线数据采集系统（DAQ）传输到控制单元。Backer等人，描述一个温度控制器，它可以改变旋转速度以保持恒定的焊接温度^[26].Fehrenbacher等。开发合适的温度测量策略和闭环控制算法，以保持恒定的焊接区温度^[27];结果表明， 刀具 - 工件界面温度的闭环控制是可行的。BTFSW会出现类似的情况吗？

如图所示。1，传统FSW的工具只有一个肩部，但BTFSW的工具由一个较大的销和两个肩部组成，它们都与材料接触，因此这个过程可以产生更多的热量，并可能促进空心部件的连接。然而，在目前的研究中， 缺乏BTFSW扭矩特征的相关报道。与传统的FSW一样， 焊接工艺参数之间没有线性关系，例如转速，行进速度，扭矩和正向阻力，但它们相互影响。FSW和BTFSW 的焊接参数对焊接质量有相同的影响^[28]，BTFSW甚至可以焊接板材^[29]。在BTFSW焊接过程中，工具的高速旋转导致焊接区域的高温，这导致塑料变形和两个肩部之间的金属迁移。

图2粘度应力表面

T / K

/ s-1

(a) FSW

/ MPa

在搅拌摩擦焊过程中，焊接扭矩来自两个部分：滑动摩擦和粘性摩擦。虽然滑动摩擦是主要部分，但当焊接区处于高温（560 K以上）时，粘性摩擦的比例随着温度的升高而逐渐增加

(b) BTFSW

图3 BTFSW机器和梭芯工具。一台BTFSW机器。b

图1 FSW和BTFSW的原理。FSW。b BTFSW

本文提出的研究介绍和检验温度作为控制参数而不是轴向力。在三轴铣床上实现了改变旋转速度以保持所需温度的温度控制架构。分析了温度控制器的最终性能，并定义了温度和扭矩之间的关系。确定的特征使温度控制比扭矩控制更具吸引力。我们的工作是基于均匀焊接质量对应于恒定焊接区温度的假设而完成的，但这并不意味着温度是可能需要控制的唯一或最佳工艺参数。

材料和研究背景

在该研究中，该实验中使用的材料是6061铝合金（Al- 0.6Si-1.0xMg ），具有T6 热处理。将板加工成具有

230times;80times;8mm的一致尺寸以获得可比较的结果。表1 是

6061-T6的化学成分。

表格1 化学成分6061-T6铝化学成分（wt％）

铜 硅 铁锰镁 锌 铬 钛 人0.15-0.4 0.4-0.8 0.7 0.15 0.8-1.2 0.25 0.04-0.35 0.15静

置

筒管工具的照片。c梭芯工具

转速指令

扭矩传感器梭芯

调节器

扭矩信号

工具

焊接区温度信号

Travle速度输出

数控机床

装载夹具

图4扭矩传感器和刀架的照片

[30].如方程式中所述。（1）和（2），6061铝的本构方程符合反双曲正弦函数;粘度应力sigma;e 可表示为：

图6温度闭环控制系统示意图

因此，理论上无法计算扭矩变化。因此，本文打算使用传感器来检测主轴的焊接温度和扭矩，并创建一个闭环温度控制器的输入。

实验装置

如图3所示，实验是在修改后进行的铣床，用x表示（垂直于刀具轴和焊接方向）y（垂直于焊接方向）和z（平行于刀具轴和切入方向）。主轴由15KW的异步主轴电机驱动，主轴转速为0~5000转/分钟。肩部直径均为23 mm，

其中T是焊接温度（K），ε是应变（sminus;1）。alpha;，n，A 和Q是材料常数[30] (alpha; = 0.06 MPaminus;1, n = 6.966, A

= 4.6867E9 sminus;1, Q = 276.8 KJ/mol);sigma; 相当于稳态流动应力（ MPa ）， R是气体常数（ R = 8.314molminus;1 Kminus;1 ）， Z是齐纳 - 霍洛蒙参数。当焊接区温度T在560~860 K范围内变化且有效应变ε在0.1~100 s范围内变化minus;1时，sigma; 如图2所示变化。.

e

e

销直径为9 mm。引脚表面有两个对称螺纹和三个平台， 如图3b所示。

200

180

160

140

V / mm/min

120

100

显然，sigma;e 受焊接区温度T和应变ε的影响。由于滑动摩擦的高效率，焊接区金属很快软化到塑性状态。通过快速移动和旋转工具去除塑料金属后，工具前方的低温金属迅速成为新的挤压和摩擦区，导致粘性摩擦应力在温度和有效应变方面发生显着变化。在实际焊接过程中，

80

60

40

20

0

0 50 100 150

时间/秒

• 1. 行驶速度变化曲线

很难检测到sigma;e;

无线模块

发射机

阅兵

电脑显示器

无线模块

500

电池

400

300

200

100

0

0 50 100 150

时间/秒

• 1. 界面温度曲线

图7旋转350转的初始实验

600

为400rpm

450转/分

500

400

300

温度/

200

数字6 图中显示了BTFSW温度闭环控制系统的草图。焊接区温度（工具 - 工件界面温度）和焊接扭矩信号通过DAQ系统传输到控制器;控制器的输出是旋转速度。

100

0

0 50

图8不同转速的温度曲线值

时间/秒

100 150

焊接程序和控制系统的开发

进行了初步实验以获得对筒管工具摩擦搅拌焊接工艺的定性理解。为了产生更多的能量来预热金属并生产足够的塑料金属，在焊接的初始阶段采用较低的行进

由于温度信号的滞后特性，有必要最小化与通过工具的热流相关的时间延迟;因此，希望将热电偶尽可能靠近焊接中心和工具 - 工件接口。Fehrenbacher等。利用通孔使热电偶与工件材料直接接触^[27].在这项工作中，我们还采用通孔策略来检测温度。在工具柄上钻一个直径为1毫

全文共12726字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[2974]