用于摩擦攪拌操作的過程控制的作用力調制制造技術

本發明專利技術公開了一種在摩擦攪拌操作期間使用有源控制器(610)的多級嵌套式控制回路(圖15)對來自主軸驅動器(710)的輸出作用力進行調節從而向摩擦攪拌區提供恒定功率的系統(圖6A或圖6B)和方法。假設恒定功率有利于所述摩擦攪拌區內的溫度控制，從而改善所述操作，諸如焊接的結果。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】用于摩擦攪拌操作的過程控制的作用力調制相關申請本專利技術本申請要求授予KennethAlecRoss和CarlD.Sorensen的提交于2012年3月30日的標題為“TORQUEMODULATIONFORPROCESSCONTROLOFFRICTIONSTIRPROCESSING”(用于摩擦攪拌操作的過程控制的力矩調制)的美國臨時申請61/618,266和授予KennethA.Ross等人的提交于2013年2月27日的標題為“EFFORTMODULATIONFORPROCESSCONTROLOFFRICTIONSTIRPROCESSING”(用于摩擦攪拌操作的過程控制的作用力調制)的美國臨時申請61/769,920的優先權。上述申請中的每一個全文以引用方式并入本文中。
技術介紹

：本專利技術整體涉及摩擦攪拌操作，諸如摩擦攪拌焊接(FSW)、摩擦攪拌處理(FSP)、摩擦攪拌混合(FSM)、摩擦堆焊、摩擦液柱成形、摩擦攪拌成型、摩擦擠出和摩擦攪拌點焊(FSSW)(在下文中統稱為“摩擦攪拌操作”)。更具體地講，本專利技術涉及控制算法的使用，該算法利用對作用力(例如，力矩)的控制來改善對摩擦攪拌操作的控制。相關領域說明：摩擦攪拌焊接是已經開發出的用于焊接金屬和金屬合金的技術。FSW處理通常涉及通過旋轉攪拌銷軸在接頭的任一側接合兩個鄰接工件的材料。施加力以迫使銷軸和工件在一起，并且由銷軸、肩部和工件之間的相互作用而產生的摩擦熱導致接頭任一側的材料的塑化。銷軸和肩部的組合或“FSW頂端”沿著接頭橫越，在其前進時使材料塑化，并且留在前進的FSW頂端的尾跡中的塑化材料冷卻以形成焊縫。FSW頂端也可以是沒有銷軸而只有肩部的工具，用于通過FSP來處理另一種材料。圖1為正在用于摩擦攪拌焊接的工具的透視圖，其特征在于，大致圓柱形工具10具有柄部8、肩部12和從肩部向外延伸的銷軸14。銷軸14緊靠工件16旋轉，直至產生足夠的熱，此時工具的銷軸插入塑化的工件材料中。通常，銷軸14插入工件16中，直至到達肩部12，肩部12防止進一步穿入工件中。工件16通常為在接合線18處對接在一起的兩個片材或板材。在這個例子中，銷軸14在接合線18處插入工件16中。圖2為典型工具10的剖視圖，但不應被視為限制性的。軸環32被示出為緊握柄部8和FSW頂端24，其中FSW頂端包括肩部12和銷軸14。當工具10旋轉時，將力矩(即，作用力)從旋轉的柄部8傳遞至軸環22，然后傳遞至FSW頂端24。參見圖1，由銷軸14緊靠工件材料16的旋轉運動產生的摩擦熱使得工件材料在未達到熔點的情況下就被軟化。工具10沿著接合線18橫向移動，從而在塑化材料圍繞銷軸14從前緣流至后緣時形成焊縫。與使用其他常規技術的焊縫相比，結果是在接合線18處產生通常與工件材料16本身難以區分的固相粘結20。由于發生了混合，固相粘結20還可能優于初始工件材料16。另外，如果工件材料由不同的材料組成，則所得的混合材料也可優于兩種初始工件材料中的任一種。可以觀察到，當肩部12接觸工件的表面時，其旋轉產生另外的摩擦熱，該摩擦熱使插入的銷軸14周圍的較大圓柱形柱材塑化。肩部12提供了鍛造力，其包括由旋轉的工具銷軸14形成的向上的金屬流。在摩擦攪拌焊接過程中，待焊接的區域和工具10相對于彼此移動，使得工具橫越期望的焊縫長度。旋轉的摩擦攪拌焊接工具10提供連續的熱加工作用，在它沿著工件材料16橫向移動時使窄區內的金屬塑化，同時將金屬從銷軸14的前緣傳送至它的后緣。焊接區冷卻時，由于在工具10通過時不產生液體，所以通常不存在固化。通常，所得的焊縫是在焊接區域內形成的無缺陷的、再結晶的細晶粒的微觀結構，但不總是這樣。摩擦攪拌工具的行進速度取決于正在進行的摩擦攪拌操作的具體類型、應用和正在處理的材料。行進速度的一些例子為1m/min以上，其中旋轉速率為200至3000rpm。這些速率僅是示例性的，并且不應被視為限制本專利技術的操作。達到的溫度通常接近但低于固相線溫度。摩擦攪拌焊接參數為材料的熱性能、高溫流動應力和穿透深度的函數。與熔焊相比，摩擦攪拌焊接具有若干優點，因為1)不存在填充金屬，2)過程可以完全自動化，從而對操作者的技術水平的要求較低，3)因為加熱全部發生在工具/工件的界面處，所以能量輸入是高效的，4)由于FSW的固態性質和極大的可重復性，所以只需要最少的焊后檢測，5)FSW允許存在界面間隙，并因此所要求的焊前準備很少，6)通常不存在要移除的焊接飛濺，7)焊后表面光潔度可格外平滑，幾乎沒有閃光，8)通常不存在氣孔和氧污染，9)周圍材料畸變很小或不畸變，10)因為不存在有害排放物，所以不需要對操作者進行保護，以及11)通常改善了焊接特性。在本文中，摩擦攪拌操作將被視為包括可以用摩擦攪拌工具進行的所有過程，包括但不限于摩擦攪拌焊接、摩擦攪拌處理、摩擦攪拌點焊和摩擦攪拌混合。在摩擦攪拌焊接中，處理區或摩擦攪拌區的溫度影響所得的焊縫的特性，并對工具壽命具有很大影響，諸如PCBN(多晶立方氮化硼)工具。該工具例子不應被視為限制性的。所需的是改變工藝參數以控制焊接溫度的有源控制系統。控制整個焊接長度上的焊接溫度是重要的保證，因為焊接特性(諸如斷裂韌性和耐腐蝕性)隨焊接溫度而變化。如果在整個焊接過程中需要特定特性，則焊接溫度必須是可調的并且在整個焊接長度上是可控制的。PCBN工具的短使用壽命限制了摩擦攪拌處理(FSP)在鋼和其他高軟化溫度(或高熔融溫度)材料中的應用。控制工具溫度應增加PCBN工具的工具壽命，因為一些溫度問題會造成損壞。例如，如果溫度過低，工具會因隨工具溫度降低而增大的力而受力過度。相比之下，如果工具溫度過高，PCBN工具會因為化學磨損而很快失效。高溫還會導致鎖定軸環中的蠕變，從而允許PCBN插入物旋轉。然后在冷卻時在插入物的拐角處可能存在點應力，這會導致破裂和失效。控制焊接溫度的第一作用力使用無源控制技術。研究人員考慮到，焊接溫度與焊接間距(主軸速度)/(行進速度)或為主軸速度和行進速度的函數的各個“偽熱指數”成比例。無源控制技術假設該過程已經達到了自限制平衡條件。無源控制技術不適合溫度控制，因為沿著焊接長度可能不存在平衡條件。溫度沿著焊接長度改變的原因包括：工具或墊板冷卻不足；熱邊界條件改變；以及達到平衡的時間不足。無源控制技術不是通用的，因為它們不能針對過程擾動進行調節。圖3為摩擦攪拌焊接機的有源控制系統的框圖。摩擦攪拌焊接機包括聯接到主軸上的摩擦攪拌焊接工具，主軸繼而聯接到主軸電機上。摩擦攪拌焊接機還包括用于夾緊或支承待摩擦攪拌焊接的工件的表面。可以通過有源控制系統來控制摩擦攪拌焊接機，從而進行摩擦攪拌焊接。圖4示出了現有技術也提出兩級控制模式，所述兩級控制模式包括控制主軸速度以保持功率恒定的內回路和用于根據焊接溫度設置所需的功率的外回路。圖4為示出圖3的內回路的特寫的框圖。圖3示出了溫度控制算法，其中T為溫度，ω為主軸速度，M為力矩，并且P為功率。圖5為圖3和圖4的攪拌區的特寫視圖的框圖。設備為主軸電機和攪拌區的組合。對于外回路而言，基準為所需的溫度，受控變量為溫度，并且操縱變量為功率。對于內回路而言，基準為所命令的功率，并且受控變量為功率。圖3中所示的現有技術提出了內回路調節主本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于使用有源控制器控制摩擦攪拌區的溫度的方法，所述方法包括：提供用于控制摩擦攪拌工具的操作的有源控制器；以及使用所述有源控制器控制由所述摩擦攪拌工具提供給摩擦攪拌區的功率，以控制所述摩擦攪拌區的溫度，其中通過對用于驅動所述摩擦攪拌工具的主軸驅動器的輸出作用力進行調節來控制提供給所述摩擦攪拌區的所述功率。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2012.03.30 US 61/618,266;2013.02.27 US 61/769,9201.一種用于使用有源控制器控制摩擦攪拌區的溫度的方法，所述方法包括：提供用于控制摩擦攪拌工具的操作的有源控制器；感測摩擦攪拌工具的對摩擦攪拌區的流量變量；使用所述有源控制器通過調節由所述摩擦攪拌工具提供給摩擦攪拌區的功率來控制所述摩擦攪拌區的溫度，其中響應于所感測的流量變量反饋，通過控制用于驅動所述摩擦攪拌工具的主軸驅動器的輸出作用力變量來執行控制由所述摩擦攪拌工具提供給所述摩擦攪拌區的所述功率。2.根據權利要求1所述的方法，其中使用所述有源控制器調節由所述摩擦攪拌工具提供給摩擦攪拌區的功率還包括實施多級嵌套式控制回路。3.根據權利要求2所述的方法，其中實施所述多級嵌套式控制回路還包括：1)實施內部控制回路，從而通過感測摩擦攪拌工具的流量變量以及對所述主軸驅動器的輸出作用力變量的控制來維持所述功率；以及2)實施調節所提供的功率的外部控制回路，從而維持所述摩擦攪拌區的所述溫度。4.根據權利要求3所述的方法，其中控制所述主軸驅動器的輸出作用力變量還包括控制輸入至所述主軸驅動器的輸入流量。5.根據權利要求3所述的方法，其中控制所述主軸驅動器的輸出作用力變量還包括控制所述摩擦攪拌工具的力矩。6.根據權利要求3所述的方法，其中控制由所述摩擦攪拌工具提供給所述摩擦攪拌區的功率包括響應于所述摩擦攪拌工具的所述流量變量的變化來控制所述主軸驅動器的輸出作用力變量，所述流量變量包括所述摩擦攪拌工具的角速度。7.根據權利要求1所述的方法，其中控制由所述摩擦攪拌工具提供給摩擦攪拌區的功率包括使用主軸流量變量反饋，其中功率、所述作用力變量以及所述流量變量由以下公式關聯：P＝e*f其中：P為由所述摩擦攪拌工具提供給摩擦攪拌區的功率；e為所述主軸驅動器的輸出作用力變量；以及f為所述摩擦攪拌工具的流量變量。8.根據權利要求7所述的方法，其中通過對所述主軸驅動器的輸出作用力的控制維持所述功率還包括響應于所述主軸流量變量的減小而增加所述主軸驅動器的輸出作用力變量。9.根據權利要求7所述的方法，其中通過對所述主軸驅動器的輸出作用力的控制維持所述功率還包括響應于所述主軸流量變量的增大而降低所述主軸驅動器的輸出作用力變量。10.根據權利要求3所述的方法，其中...

【專利技術屬性】
技術研發人員：肯尼斯·亞歷克·羅斯，卡爾·D·瑟倫森，
申請(專利權)人：布萊阿姆青年大學，
類型：發明
國別省市：美國;US