[发明专利]一种压力-位移耦合控制搅拌摩擦焊接系统

说明书

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种压力‑位移耦合控制搅拌摩擦焊接系统。通过恒压力伸缩件的机械式压力控制机构，可实时响应焊接过程中压力的变化，压力调节无滞后性；并且通过恒压力伸缩件，实现压力控制搅拌摩擦焊，并可在轴向运动锁定件的配合下通过机械结构的设计实现压力、位移和压力‑位移耦合的多模式搅拌摩擦焊模式，其可应用于动轴肩和静轴肩，龙门和机器人等任何搅拌摩擦焊设备，提高系统的适用范围。

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊接的技术领域，具体涉及一种压力-位移耦合控制搅拌摩擦焊接系统。

背景技术

搅拌摩擦焊接(Friction Stir Welding，FSW)是英国焊接研究所(The WeldingInstitute，TWI)于1991年发明的一种新型固相连接技术，其出现使得铝合金等有色金属的连接技术发生了革命性的进步，被誉为最具革命性的焊接方法。短短二十几年里，搅拌摩擦焊技术已成功应用于航空、航天、船舶、列车、兵器、核能以及汽车等多个工业领域的铝合金、镁合金、铜合金等产品焊接中。

目前应用最多的是恒位移控制模式下的搅拌摩擦焊方法，如专利CN100357055C。但是恒位移控制模式无法满足三维曲面、表面波动较大的复杂零件的焊接。因此出现了恒压力控制模式下的搅拌摩擦焊方法，如专利CN110039171A、CN110102868A、CN205043337U和CN209953993U。专利CN104607795B和CN110666337A可实现搅拌摩擦焊过程中的压力和位移混合控制。以上专利所有压力控制均采用压力传感器进行反馈调节的，压力传感器的信号传输到控制器进行运算，然后控制器再发出指令给驱动器，进行压力的调节，这种方式下的计算及通讯时间较长，因此其压力调节具有滞后性，特别是高速焊接情况下，这种滞后性会导致压力反馈调节失效。

为了解决采用压力传感器进行反馈调节导致的滞后性问题，专利CN109570736A采用在搅拌头上添加碟簧的方式进行压力调节，可以通过弹性元件的组合设计，实现在工件表面上下波动2mm范围内情况下，焊接压力基本维持在一个水平，保持焊接压力的稳定性，同时避免了传感器控制的滞后效应，提升压力反馈的实时性；但这种方式只适用于动轴肩搅拌摩擦焊，无法实现静轴肩搅拌摩擦焊的压力控制。专利CN209698253U通过气液增压缸实现龙门恒压力搅拌摩擦焊，但该方式只适用于龙门搅拌摩擦焊，并不适用于柔性较好的机器人搅拌摩擦焊工况。

发明内容

因此，针对采用压力传感器进行反馈调节导致的滞后性的问题，提出可适用于动轴肩和静轴肩，龙门和机器人等任何搅拌摩擦焊设备和方法工况下的压力-位移耦合控制的搅拌摩擦焊系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供一种压力-位移耦合控制搅拌摩擦焊接系统，其包括：

运动基座和搅拌摩擦焊主轴；

恒压力伸缩件，其分别连接所述运动基座和搅拌摩擦焊主轴；

轴向运动锁定件，其具有锁定状态和自由状态；所述轴向运动锁定件适于根据所述运动基座的运动幅度或所述运动基座各轴电机的扭矩值在锁定状态和自由状态切换；在所述锁定状态下，所述搅拌摩擦焊接系统为位移控制模式，所述轴向运动锁定件限制所述搅拌摩擦焊主轴相对于所述运动基座的轴向运动；在所述自由状态下，所述搅拌摩擦焊接系统为压力控制模式，所述轴向运动锁定件不起作用，所述搅拌摩擦焊主轴可相对于所述运动基座轴向运动，由所述伸缩件为所述搅拌摩擦焊主轴提供轴向的恒压力。

上述的搅拌摩擦焊接系统中，所述运动基座可选择为机器人法兰，或者龙门的Z轴垂滑板。

上述的搅拌摩擦焊接系统中，所述搅拌摩擦焊主轴包括，外壳体，以及设置在所述外壳体内的电机定子、电机转子和芯轴；所述外壳体的两端分别设有主轴后端面法兰和主轴前端面法兰；其中，所述芯轴贯穿于所述外壳体，并穿过所述主轴后端面法兰和主轴前端面法兰。