CN109570729A - 一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对于搅拌摩擦焊焊缝质量动态监测的方法。首先用力学测试装置以及采样装置和示波器对扭矩进行高频采样，通过对扭矩进行高频采样，用示波器对扭矩变化进行展示，然后将两个波峰之间的扭矩定义为一个周期，对扭矩每个周期的变化情况进行采样分析,每个周期分为两部分，波峰降到波谷时间为A与波谷升到波峰为B，最后对A/B进行计算分析，对关系式0.8<A/B<1.3进行分析，从而判断焊缝是否产生缺陷。本发明是基于扭矩变化对搅拌摩擦焊缝质量进行动态监测，方法简易；成本低廉，无需大型监测设备投入；无需进行破坏性实验。

Description

一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检测的方法

技术领域

本发明属于搅拌摩擦焊焊缝质量分析领域，具体提供了一种基于扭矩变化情况对搅拌摩擦焊焊缝质量实时监测的方法。

背景技术

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产生热量，摩擦热使该部位金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。与传统的焊接方法相比，搅拌摩擦焊有接头质量高、焊接变形小、残余应力小、焊接过程无污染等优点，是铝、镁等轻合金的优选焊接方法，因此自1991年英国焊接研究所(The WeldingInstitute)发明这一固相焊接技术以来，搅拌摩擦焊广泛用于航空航天，轨道运输，海洋船舶等领域。搅拌摩擦焊有熔焊不可比拟的工艺稳定性优势，但当工艺参数等出现差错时会导致缺陷的产生。

目前，搅拌摩擦焊缺陷常见的被分为表面缺陷和内部缺陷。表面缺陷具有直观、易于观察的特点，能够通过肉眼直接的检测出来，而对于内部缺陷的检测比较繁琐。当前对内部缺陷的检测有破坏性检测和无损检测，破坏性检测需要通过对焊件进行损坏来进行检测在实际生产中并不可取。因此，无损检验就对搅拌摩擦焊的实际生产运用就具有重要意义。当前无损检验的手段有目视检测、射线检测、涡流检测、渗透检测、超声检测。但是这些检测方法都有着各自的缺陷，涡流和渗透检测可以有效检测焊缝表面缺陷，但不适用于检测焊缝内部缺陷(如隧道型缺陷、疏松等)。射线检测对尺寸较大的隧道型缺陷检测效果较好，但是不能检测细微的疏松、未焊透和紧贴型缺陷。超声无损检测可以检测出隧道型缺陷、未焊透缺陷以及细微的疏松，但是设备较为昂贵(参见卢佳,徐薇,郑兴伟.搅拌摩擦焊焊缝缺陷检测研究进展[J].热加工工艺，2017 (13):23-25.)。而且，以上提到的检测方法都是只能在焊接完成后才能对焊缝进行检测，并不能对焊接过程进行一个动态的实时监控。

因此针对于目前的情况发明一种能够在焊接过程中对焊缝进行实时监测的无损检测方法有重要意义。本方法是通过搅拌摩擦焊扭矩周期性特征(参见Xiong J T,Zhang XC,Li P,et al.Characterisation of periodic variation in torque occurred infriction stir welding process[J].Science&Technology of Welding& Joining,2014,19(4):350-354)来进行对其焊接质量实时监测，本发明从缺陷的产生条件来进行判断缺陷是否产生，因此，能够方便和准确检测出缺陷的产生，而且能够在焊接进行的同时对焊缝进行动态监测。

发明内容

针对现有的技术弊端，本发明基于搅拌摩擦焊的周期性特点并根据扭矩等物理参数与表面弧纹和洋葱环等组织的周期性具有高度的一致性这一特点。在搅拌摩擦焊过程中通过对扭矩变化情况进行分析，从而对搅拌摩擦焊焊缝质量进行实时监测，而且扭矩是搅拌摩擦焊接过程众多物理量中便于测量的量。这是根据体积型(孔洞型) 缺陷的产生本质来进行检测。由于搅拌摩擦焊扭矩变化情况在高频采样之下，变化规律形似周期函数图形，因此基于该情况提出了该监测方法

本发明的技术方案是：在进行搅拌摩擦焊时将工作台置于力学测试装置上，然后将示波器与力学测试装置相连接，使搅拌头的扭矩变化情况展示出来，然后对示波器中扭矩的变化情况进行分析，将两个波峰之间的区域定义为一个周期，每个周期分为从峰值下降到谷值的A部分以及谷值到峰值的B部分，并对A/B的比值进行计算分析，当0.8<A/B<1.3时则认为焊缝质量是合格的，从而对焊缝质量进行实时监测。

对于扭矩的分析其原理在于一个周期的过程可以被分解成两个 阶段(如图3)：从时间上t₀-t₂为阶段A，t₂-t₄为阶段B，t₀是搅拌针 刚接触到母材的时刻，A阶段是随温度增加的，前进作用力随搅拌针 前进趋势的增加而增加，进而扭矩也随时间增加。t₂是母材粘塑性流 动的开始时刻，B阶段是处于粘塑性流动的母材被搅拌针带动随着搅 拌针以相同的速度一起向搅拌针后侧转移，该阶段搅拌针与母材的摩 擦消失，但母材仍然被高应变速率剪切变形加热，因此，扭矩随材料 的加热软化而减小。t₄时刻则是搅拌针旋转完一个周期，并向前前进 了一段距离，即将开始下个周期。

具体地说，所述的一种基于扭矩变化情况对搅拌摩擦焊焊缝质量实时监测方法的具体实现步骤如下：

(1)将搅拌摩擦焊的工作台置于力学测试装置上，本力学测试装置是利用压电式传感器进行测量，通过扭矩桥路测量扭矩

(2)通过转速ω对周期进行预测T＝1/ω,使扭矩一个周期内的变化情况清晰的展示。

(3)通过扭矩采样装置对扭矩进行高频采样，其采样频率为 1000Hz。

(4)通过示波器提取扭矩高频采样信号Y，将信号Y进行分区间，区间长度为T₁,区间间隔为T，T<T₁<1.5T。

(5)对每个区间进行分析，搜索每个区间的峰值和谷值，峰值下降到谷值所占时间为A，谷值到峰值所占时间为B。

(6)对一个区间内A与B的比值进行计算，当A与B的比值满足关系式0.8<A/B<1.3时则认为该区间不存在缺陷。反之，A与 B不满足关系式时，则认为该区间存在缺陷并记录。

(7)进入下一个区间并判断Y信号是否已经全部搜索完毕，信号Y搜索完毕则进行数据整理得出结果，信号Y没有搜索完毕则再次进入第5步。

本发明的方法适用于正常匀速焊接稳定阶段,在搅拌摩擦焊开始阶段, 搅拌头与母材刚接触有一个”***-停留”的过程,导致扭矩信号不稳定,而在将要结束的时候由于焊缝将会形成”匙孔”,扭矩也会因此变得不稳定,所以该检测方法在这两阶段无法使用。

本发明与其它检测方法不同，本发明能够在搅拌摩擦焊进行的过程中进行检测，而且并不需要进行破坏性的实验，所以能够达到一种实时动态监测的程度，甚至于能够通过检测结果来对焊接参数进行一个实时的调整。

第2步中对周期进行预测是因为扭矩变化的时间周期与组织，位移变化的时间周期1/ω一致，而且对周期进行一个预测能够在对示波器进行调节时更加的方便，并且能够快速的进行分区。

第3步中对扭矩进行高频采样,是为了能够将扭矩的周期型展现出来, 如果是低频采样则不能呈现扭矩的周期性。

第4步中进行分区处理，且区间宽度T₁，T<T₁<1.5T能够让一个周期内的两个峰值和谷值能够完整的包含在内，不出现遗漏或数据不完整。

第5步与第6步中对A与B的比值进行处理，判断其比值与0.8和 1.3的关系，当关系式0.8<A/B<1.3满足时则认为焊缝是合格的，从而对每个区间进行相同计算与判断，该关系式是通过对孔洞型缺陷产生本质进行判断，能够更加准确和快速的判断缺陷的产生，从而因此能对整个搅拌摩擦焊焊缝进行实时监测。

本发明具有以下优点：

1)能够对搅拌摩擦焊接过程进行实时监测。

2)基于扭矩的变化情况进行监测，方法简便且准确。

3)该方法不需要对焊缝进行破坏性实验。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为前进速度为v＝300mm/min,转速ω＝600rpm时搅拌摩擦焊过程中扭矩的周期变化情况

图3为前进速度v＝300mm/min,转速ω＝600rpm时搅拌摩擦焊过程中扭矩一个区间内的变化

具体实施方法

下面结和附图和实例对本发明的进一步说明。

以搅拌头的旋转速度ω＝600rpm，前进速度为v＝300mm/min，焊接材料为AA1104铝合金为例，检测流程参见图1。

Strp1:将搅拌摩擦焊工作台置于力学测试装置上。

Strp2:根据预设的搅拌头转速对周期T＝1/ω＝1/(600/60)×0.001＝100ms

Strp3:用扭矩高频采样设备对扭矩进行高频采样，其频率为1000Hz

Strp4:通过示波器提取扭矩高频采样信号Y如图2

Strp5:将信号Y分区处理，区间宽度为T₁,区间间隔为T

Strp6:搜索每个区间的峰值和谷值，峰值降到谷值所占时间为A，谷值升到峰值为B，如图3。

Strp7:判断A与B的比值是否满足0.8<A/B<1.3，如果满足则进入下个区间，不满足则记录缺陷的产生，再进入下个区间。

Strp8:判断信号Y是否全部搜索完成，如果搜索完成则对之前缺陷产生情况进行整理，并对整体缺陷进行评估；搜索没有完成则跳到第6步如此循环，直到结束。

这种检测方法，特别的对扭矩进行一种高频采样的操作，并从缺陷产生的本质进行判断，能够真实全面的反映缺陷的特征，同样该检测方法简单易行。

Claims (6)

1.一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检测的方法，其特征在于，通过力学测试装置对扭矩进行测量，然后对其扭矩情况进行高频采样再通过示波器将搅拌头的扭矩变化情况展示出来，最后通过扭矩变化情况分析来实现对焊缝质量的实时监测,其特征在于包括以下步骤：

（1）将搅拌摩擦焊的工作台置于力学测试装置上，本力学测试装置是利用压电式传感器进行测量，通过扭矩桥路测量扭矩;

（2）通过转速ω对周期进行预测T=1/ω,使扭矩一个周期内的变化情况清晰的展示;

（3）通过扭矩采样装置对扭矩进行高频采样，其采样频率为1000Hz;

（4）通过示波器提取扭矩高频采样信号Y，将信号Y进行分区间，区间长度为T₁,区间间隔为T，T<T₁<1.5T;

（5）对每个区间进行分析，搜索每个区间的峰值和谷值，峰值下降到谷值所占时间为A，谷值到峰值所占时间为B;

（6）对一个区间内A与B的比值进行计算，当A与B的比值满足关系式0.8<A/B<1.3时则认为该区间不存在缺陷。反之，A与B不满足关系式时，则认为该区间存在缺陷并记录;

（7）进入下一个区间判断信号Y是否已经全部搜索完毕，信号Y搜索完毕则进行数据整理得出结果，信号Y没有搜索完毕则再次进入第5步。

2.一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检测的方法，其特征在于：在一个扭矩区间内峰值下降到谷值所占时间为A，谷值到峰值所占时间为B，对一个扭矩区间内A与B的比值进行计算，当A与B的比值满足关系式0.8<A/B<1.3时则认为该区间不存在缺陷,反之，A与B不满足关系式时，则认为该区间存在缺陷。

3.根据权利要求1所述一种基于扭矩对搅拌摩擦焊缝质量动态检查的方法，其特征在于，该方法只适应于焊接匀速稳定焊接状态。

4.根据权利要求1所述的基于扭矩变化情况来对搅拌摩擦焊焊缝质量动态监测的方法，其特征在于：借助T=1/ω来通过搅拌头转速ω来对周期进行预测。

5.根据权利要求1所述述的基于扭矩变化情况来对搅拌摩擦焊焊缝质量动态监测的方法，其特征在于：对扭矩的变化情况进行高频采样。

6.根据权利要求1所述述的基于扭矩变化情况来对搅拌摩擦焊焊缝质量动态监测的方法，其特征在于：对扭矩进行分析时，是将整个扭矩稳定部分进行分区，区间宽度为T₁，T<T₁<1.5T，区间间隔为T,这样不会遗漏峰值和谷值，计算分析更加方便。