攪拌摩擦焊焊接過程多維力測試研究*

劉一川，任宗金，張 軍，佟 生

(大連理工大學機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

攪拌摩擦焊[1]具有優良的焊接性能，在航空航天制造中獲得了越來越多的關注與應用。由于攪拌摩擦焊是一個非常復雜的焊接過程，它涉及溫度的急劇變化和金屬熔化流動等過程，因此影響攪拌摩擦焊焊接質量的因素[2]存在很多。經分析，焊接過程中多維力對焊接質量存在較大的影響，且焊接工藝參數可通過獲取焊接過程作用力的方式來進行研究。所以設計出一種壓電式跨尺度多維力高精度實時在線測量系統具有重要意義。

南京航空航天大學王吉勝[3]采用應變式雙向延伸四耳八角環結構，研究了FSW焊接過程中的受力特點，找出并分析了多種結構方法的八角環測力儀的特點，綜合這些優缺點解決了八角環測力儀的結構設計問題。此后采用Hyperworks結構優化分析軟件對測力儀的部分具體尺寸進行了優化，完成了八角環的最佳尺寸設計，實現了其固有頻率高的特點。最后設計出的八角環測力儀主向量程為40 kN，側向量程為6 kN。印度古瓦哈提工業技術學院[4]研制了一種應變式測力儀，其采用彎曲型八角環作為彈性構件，將應變片安裝在專門設計的八角形構件中，以支撐焊接板。當焊接力施加在板上時，載荷轉移到八角形構件上，并在構件產生應變。為了在FSW過程中接收電荷信號，設計了一個數據采集系統，該系統具有必要的硬件和軟件，并連接到開發的裝置上。所開發的裝置在實際焊接操作中進行了測試。結果表明，所提出的裝置可用于FSW焊接。最后測力儀主向力量程15 kN，側向力量程5 kN。

基于壓電測力儀固有頻率高、靜態性能好(線性度和重復度誤差小)的優點[5]。本文針對焊接過程中主向力較大、側向力較小的特征，設計出了適用于攪拌摩擦焊動態測量的壓電測力單元，并通過標定試驗驗證了測力單元靜、動態性能[6]。

1 FSW多維力仿真分析

焊裝過程多維力測量裝置的開發，首先需要確定力的特征。采用ABAQUS仿真軟件對其進行分析，所建立的攪拌頭幾何模型尺寸參考實際加工所用攪拌頭的幾何尺寸，鋁板的幾何模型定為厚度18 mm的長方體，仿真模型如圖1所示。選取2219鋁合金來作為焊接材料，攪拌頭選用H-13工具鋼，采用CEL創建歐拉區域模擬金屬流動的方法，設置約束以及焊接工藝參數。最后模擬出攪拌摩擦焊的焊接過程，輸出了攪拌頭所受到的三向力，包括頂鍛力、進給力以及側向力的大小。

圖1 FSW仿真模型

由圖2曲線可知，得出穩定狀態頂鍛力輸出為82 kN，進給力為8 kN，側向力為7 kN，為測力儀量程的確定提供依據。

圖2 三向力值仿真曲線

2 壓電式測力單元的設計

考慮到測力單元安裝跨距、力作用點位置變化等因素，選擇四點支撐式測量方法，形成四個測力單元正方形布置的測力平臺。根據三向力仿真結果，測力單元的量程初步設計為Fz為50 kN，Fx、Fy為5 kN。通過改變加載點位置來模擬頂鍛力作用點的變化規律，分析加載點變化時四個測力單元的受力情況，模擬加載中主向加載取100 kN、側向取12 kN和10 kN，如圖3所示，取三個特征點ABC，其中極端點C點受三向力值數據如表1所示。

圖3 測力單元受力分布

表1 C點加載

分析結果得出四個測力單元所受主向力和側向力均不超過其主向量程50 kN以及側向量程5 kN。

圖4 石英晶片表面基本尺寸

基于壓電石英晶體的壓電效應原理與壓電系數矩陣[7-8]，大尺寸晶片承載、籽晶與幾何研究[9]，確定滿足特定測量要求與預緊要求的晶片三維尺寸。壓電晶片設計的關鍵尺寸有外徑D、內孔直徑d，如圖4所示。

由環形面積公式可得石英晶片的受力面積為：

(1)

晶組的極限載荷與軸向力和預緊力的關系由式(2)、式(3)計算。

Fl=εFz+Fp+Δ

(2)

(3)

同時，石英晶組所能承受的極限載荷和晶片的表面積存在一定關系：

Fl=σp·S

(4)

根據螺栓強度計算公式：

(5)

由此可得石英晶片的關鍵尺寸為：內徑24 mm，外徑42 mm。

3 標定實驗

3.1 標定實驗系統

標定系統示意圖如圖5所示，在液壓力源的作用下，石英晶片出現壓電效應，產生的電荷輸入電荷放大器并放大為電壓信號，數據采集卡將電荷放大器放大的電壓信號傳遞到計算機里，由DEWEsoft軟件進行計算并顯示，液壓加載的具體力值由應變式標準力傳感器來檢測控制。標定裝置由標定實驗臺、加載板、標定下板和液壓力源發生裝置組成。如圖6所示，由3個液壓力源完成頂鍛力Fz、進給力Fx和側向力Fy三維載荷加載。

圖5 標定系統示意圖

圖6 測力單元三向標定

3.2 靜態標定試驗結果

進行靜態標定實驗可以得到線性度、重復度以及向間干擾等靜態精度指標。線性度是指測力單元通過標定實驗得出的實際曲線與理論曲線的差異性，重復度是指在相同的實驗工作環境下，往同一方向進行多次加載時，輸出結果的不差異性。向間干擾[10]是指被干擾方向的載荷輸出與加載方向的載荷輸出之比。根據壓電測力單元頂鍛力Fz、進給力Fx和側向力Fy標定量程，采用階梯加載法對4個測力單元進行標定，標定結果如表2、表3、表4所示。

表2

表3

表4 Fy標定試驗數據

從此實驗結果可以得出，單個測力單元的非線性度最大為0.15%，重復性最大為0.37%，向間干擾最大為1.50%。

3.3 動態標定試驗結果

壓電測力單元還需要進行動態標定實驗，從而獲得其固有頻率。這是由于測力單元在焊接過程中受到的是隨時間變化的動態載荷，所以測力單元必須具有良好的動態性能，才能在測量過程中對多維力進行準確的測量。采用敲擊法，使用銅棒對測力單元上表面進行敲擊來產生電荷信號，信號由石英晶片連接電荷放大器和數據采集卡傳輸到計算機上，通過計算機里DEWEsoft軟件內部的傅里葉變換算法獲得測力單元三向幅頻特性曲線，如圖7所示。

圖7 三向固有頻率

從以上3個曲線可以看出，測力單元的三向固有頻率均較高，具有良好的測試性能。

4 結論

針對攪拌摩擦焊焊接過程多維力在線測量的難題，通過ABAQUS分析得到了三向力(頂鍛力、進給力和側向力)的仿真大小，采用四點支撐式測量方法得到單個測力單元所受三向力的大小和關系。根據ANSYS仿真分析結果，進行了石英晶片和測力單元的結構設計。通過靜、動態標定實驗得出測力單元的非線性度為0.15%以內、重復性為0.4%以內以及向間干擾最大控制在1.50%左右。該測力單元具有精度高且固有頻率較高(8 kHz)的特點，可實現攪拌摩擦焊跨尺度多維力在線測量。