CN107876964A - 一种基于搅拌摩擦焊的空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于搅拌摩擦焊的空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法，属于摩擦塞补焊接对焊技术领域，包括以下步骤：装夹待焊毛坯件、提升所述待焊毛坯件、对待焊毛坯件焊缝边进行切边粗加工、获取切边轮廓，并进行补偿、对焊缝进行切边精加工；重复上述步骤，完成所有零件的拼接；本方法进行一次装夹后，可完成在线完成焊缝预切边、焊缝轮廓扫描、焊缝精细修正与焊接等一体化加工；避免了现有公开方法中所面临的因二次装夹所带来的装配质量差，效率低等缺点。并为获得良好稳定的焊接质量提供了保证。

Description

一种基于搅拌摩擦焊的空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法
技术领域
本发明涉及摩擦塞补焊接对焊技术领域，尤其涉及一种基于搅拌摩擦焊的 空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法。
背景技术
搅拌摩擦焊接技术是上世纪90年代在英国焊接技术研究所(TWI)诞生的 固相连接技术，其焊接过程无弧光、烟尘，无需气体保护和金属填充，是一种 典型的新型绿色焊接技术。与传统熔焊方法相比，其焊缝具有接头强度高，不 易产生热裂纹、气孔等缺陷，焊接变形小、残余应力低等优点。特别是该技术 在针对铝合金焊接时表现出的独到优势，使得其在航空航天、汽车、船舶、轨 道交通车辆等领域的各类铝合金结构件制造方面得到了广泛地应用。
对搅拌摩擦焊接技术而言，焊缝间隙、焊缝错缝、搅拌针对中以及背部间 隙等是焊缝装配质量的组成要素(如图1所示)，其优劣程度会对最终的焊接 质量产生影响。例如文献《装配条件对2219铝合金搅拌摩擦焊接工艺的影响》 中就指出，当焊缝间隙达到0.5mm时，接头拉伸性能显著降低；当搅拌针对中 偏移量达到2.0mm时，接头底部会出现未焊合缺陷。而航天工业标准 QJ20044-2011《铝合金搅拌摩擦焊工艺规程》对焊缝的装配间隙做出了明确的 规定，例如母材厚度在3.0-5.0mm时，局部装配间隙≤0.4mm；母材厚度在5.0-8.0mm时，局部装配间隙≤0.6mm；母材厚度大于8.0mm时，局部装配间隙 ≤1.0mm。
上述文献材料和标准一般适用于平板类零件的焊接，但是当搅拌摩擦焊技 术应用于大型薄壁结构件焊接时，其装配质量却难以满足相关技术要求。这是 由于大型薄壁结构件一般由多片薄壁弱刚度曲面结构件拼接而成，拼接过程中 需要对零件进行切割处理，以使单个零件的尺寸满足最终结构件整体的尺寸要 求。现有的切割方式以人工操作为主，存在一定的不足，主要表现在：手工划 线精度差，采用剪板机剪板加人工修磨的方式，操作时间长，效率低；切割与 拼接过程中存在二次装夹，拼接接缝装配质量差等问题。例如现有的以手工切 割和装配的搅拌摩擦焊缝，其装配间隙往往在1.0mm以上，在焊接一个直径超过3.0m以上的大型结构件时，包括板材剪切和装配在内，其耗时往往在16小 时左右。不良的装配质量不仅为搅拌摩擦焊缝的焊接质量埋下了焊接质量隐 患，同时耗时的装配工作也成为制约搅拌摩擦焊效率的瓶颈。
申请号为200810039478.X、专利名称为“数控搅拌摩擦焊接***及其焊接 方法”的中国专利申请公开了一种基于数控机床铣削的在线切边方案，摆脱了 对人工划线和切边的依赖，提高了切边过程的精度和自动化程度。但是该方法 依然存在一些不足：由于其完成切边后，需要通过人工装配的方式来对各个待 焊零件进行拼接，存在零件二次装夹的问题，致使装配过程调试时间长，装配 质量不稳定等。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种基于搅拌摩擦焊的空间曲线焊缝铣焊一体 化连接方法，以解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种基于搅拌摩擦 焊的空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法，包括以下步骤：
(1)装夹待焊毛坯件；
(2)提升所述待焊毛坯件；
(3)对待焊毛坯件焊缝边进行切边粗加工；
(4)获取切边轮廓，并进行补偿；
(5)对焊缝进行切边精加工；
重复上述步骤，完成所有零件的拼接。
作为优选的技术方案，步骤(1)和(2)中，分别采用铣焊一体化工装进 行装夹和提升。
作为优选的技术方案，步骤(3)完成后，切割侧留有1.0-2.0mm的余量。
作为优选的技术方案，步骤(4)中，利用线激光扫描仪获取切边轮廓。利 用线激光扫描器对精加工轨迹进行修正，有助于提高焊缝装配质量，并最终有 助于保证最终的焊接质量。
作为优选的技术方案，步骤(5)完成后，对焊缝装配质量进行评判，最终 利用搅拌摩擦焊工艺实现零件的焊接。
作为进一步优选的技术方案，利用线激光扫描仪对焊缝装配质量进行评判。 线激光扫描器可对装配后的焊缝质量进行量化评价，有助于分析装配质量与焊 接质量之间的联系，便于优化焊接参数。
采用本发明的方法进行一次装夹后，可完成在线完成焊缝预切边、焊缝轮 廓扫描、焊缝精细修正与焊接等一体化加工，避免了现有公开方法中所面临的 因二次装夹所带来的装配质量差，效率低等问题。并为获得良好稳定的焊接质 量提供了保证。
与现有技术相比，本发明的优点在于：待焊零件一次装夹后，可实现铣焊 一体化加工，避免了零件因二次装夹而造成装配质量下降的问题。在装配焊接 厚度为5.0mm-6.0mm厚结构件零件时，其焊缝间隙可≤0.5mm；同时，解决了 装夹时间长效率低的问题。以最大尺寸3.0m左右的大型航天结构件为例，其 装配时间可缩短至8个小时，较传统的装配方式缩短了50％。该方法具有普适 性，可推广应用至其他形式的大型铝合金结构件焊接工作中。
附图说明
图1为焊缝装配质量的组成要素示意图；
图2为待焊毛坯件装夹示意图；
图3为待焊毛坯件切边粗加工示意图；
图4为焊缝扫描示意图；
图5为待焊毛坯件切边精加工示意图；
图6为零件搅拌摩擦焊接示意图；
图7为本方法在其他焊缝构型情况的应用示意图。
图中：1、砧板；2、夹紧压条；3、升降机构；4、待焊毛坯；5定位装置； 6、焊接设备主轴；7、铣刀；8、扫描装置装夹工装；9、线激光扫描装置。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
一种基于搅拌摩擦焊的空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法：将待焊接的薄 壁铝合金结构件零件在焊接工装上定位并夹紧，利用工装上的抬升机构将结构 件提升，使结构件离开焊接工装上的砧板；利用铣刀对焊接区域的焊缝进行粗 加工，去除结构件毛坯上的大部分材料，保留约1-2mm的余量；利用线激光扫 描器对铣削后的焊缝进行扫描，确定粗加工后的零件轮廓的误差量，并通过修 改数控程序的方式对切削轨迹进行修正与补偿；对零件边缘进行精细切割后， 放下升降机构使零件与砧板接触；重复上述过程，完成所有零件的切割与拼接； 根据需要，可使焊接设备夹持线激光扫描器对扫描的焊缝装配置进行扫描，并 形成相应的焊缝装配质量模型；最终利用搅拌摩擦焊接工艺逐条对焊缝完成焊 接，完成结构件焊接。
具体实施步骤如下：
(1)如图2所示，将待焊零件的毛坯件即待焊毛坯4安装在铣焊一体化 工装上，利用定位装置5进行定位，并利用夹紧压条2夹紧装置将待焊毛坯4 固定，使待焊毛坯4与工装充分贴合；然后利用工装的升降机构3将单个待焊 毛坯4整体提升，使其与工装上的砧板1脱离；提升的距离视现场具体情况而 定，其原则保证在后续的切边操作中能避免刀具与工装砧板之间的干涉；
(2)如图3所示，在焊接设备主轴6上安装铣刀7，依照适合的切削工艺 参数沿预定轨迹对待焊毛坯4进行切边粗加工，在切割侧留有1-2mm的余量； 粗加工根据实际需要采用现有工艺；
(3)如图4所示，通过工装使线激光扫描装置9通过扫描装置装夹工装8 连接在焊接设备主轴6前端，并保证焊接设备主轴6轴线位于线激光所在的平 面内，测量过程中，焊接设备主轴6带着线激光扫描装置9沿切削轨迹对焊缝 边进行扫描，扫描的过程中焊接设备主轴6不转动，并处于锁止状态。扫描结 束后，将扫描得到的焊缝边缘轮廓与理论轮廓相比对，从而获得机床在切削过 程中的误差值，然后通过调整机床NC代码的方式，对相应的误差进行补偿；
(4)如图5所示，利用调整后的NC代码对焊缝进行切边精加工；
(5)如图6所示，将所有的待焊零件拼接完成后，利用搅拌摩擦焊对拼 接好的焊缝实施焊接，最终完成整个结构件；视情况需要，在实施最终的焊接 前，可将线激光扫描装置9装夹在焊接设备上，通过设定相应的扫描轨迹，使 线激光对装配后焊接质量信息进行扫描判定。
所述的搅拌摩擦焊接设备是指利用各种动力装置装夹搅拌针，通过搅拌摩 擦工艺对零件实施连接的工艺设备。
所述的焊接工装是指为满足搅拌摩擦焊接工艺要求，实现对待焊零件定位 和装夹的工艺装备。
所述的切边粗加工是指将待焊零件上位于理论焊缝位置外侧的多余材料 进行切除的操作，但是距离最终的理论位置留有一定的余量，如图3所示。
所述的切边精加工是指将待焊零件上的余量切除，使边缘到达理论位置处 的操作。
所述的线激光扫描装置是指其发射的激光光束截面为一条线，其长度视不 同型号的仪器而有所不同，区别于光束截面为点的激光器。该扫描装置可通过 激光光束的反射情况来反映扫描区域内的轮廓信息。
所述的焊缝装配质量，指在对焊焊接操作中焊缝间隙、焊缝错缝、搅拌针 轨迹与焊缝中心之间的偏差，以及零件与背部砧板之间的间隙等，如图1所示。
本方法具有普适性，对各种装配形式的焊缝均适用，如图7所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于搅拌摩擦焊的空间曲线焊缝铣焊一体化连接方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）装夹待焊毛坯件；
（2）提升所述待焊毛坯件；
（3）对待焊毛坯件焊缝边进行切边粗加工；
（4）获取切边轮廓，并进行补偿；
（5）对焊缝进行切边精加工；
重复上述步骤，完成所有零件的拼接。
2.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（1）和（2）中，分别采用铣焊一体化工装进行装夹和提升。
3.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（3）完成后，切割侧留有1-2mm的余量。
4.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（4）中，利用线激光扫描仪获取切边轮廓。
5.根据权利要求1 所述的方法，其特征在于，步骤（5）完成后，对焊缝装配质量进行评判，最终利用搅拌摩擦焊工艺实现零件的焊接。
6.根据权利要求5 所述的方法，其特征在于，利用线激光扫描仪对焊缝装配质量进行评判。
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