【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及攪拌摩擦焊接頭后處理強化，更具體地說，涉及一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置及方法。
技術介紹
1、高強鋁合金由于具有比強度高、質量輕等優點，被廣泛應用于制造航空航天及軌道交通等領域中的中、大型構件。鋁合金生產過程中需要通過精細的熱處理流程調控強化相分布，以獲得分布廣泛的納米級強化相提高強度。但是納米級析出相極易受到外部熱輸入發生球化或長大，導致性能下降。因此，傳統熔化焊由于熱輸入過高會導致焊接接頭嚴重軟化。攪拌摩擦焊作為一種固相焊方法，相較于熔化焊可以極大的減少焊接熱輸入，并且可以完全消除熔焊中不可避免的氣孔缺陷，可以獲得高性能焊接接頭，目前已經廣泛應用于高強鋁合金結構的連接和生產。
2、攪拌摩擦焊技術的基本原理是將帶有攪拌針的攪拌頭在外力作用下插入需要連接的材料邊緣，在下壓力作用下攪拌針旋轉使得兩側金屬材料發生塑性變形，同時產生摩擦熱促進金屬融合完成連接。由于其技術特點，會有部分材料不可避免從攪拌頭邊緣被擠出堆積，在焊縫兩側形成飛邊，影響焊縫美觀度和后續涂裝工。并且下壓力會導致攪拌頭軸肩向材料內部下沉一定距離，最終焊縫攪拌區出現凹陷臺階，造成構件表面不連續，服役過程中容易造成應力集中發生破壞。因此在實際生產過程中，焊后需要通過磨削加工焊接接頭表面，去除飛邊及凹陷臺階。此外，攪拌摩擦焊過程中在焊接熱和攪拌塑性變形作用下高強鋁合金的微觀結構會發生顯著變化，例如攪拌區析出相的大量溶解、熱機影響區晶粒和析出相的粗化，最終的接頭強度仍然低于母材。針對中、大型焊接構件通常難以使用焊后熱處理進行整體強化
3、激光噴丸技術利用高能脈沖激光產生的沖擊波對材料表面進行轟擊，誘導表面以高應變速率發生劇烈塑性變形，從而產生晶粒細化、高密度位錯和高幅值殘余壓應力，以被大量研究證明可以顯著提高焊接接頭的綜合力學性能。常規的激光噴丸技術需要在材料表面張貼吸收層和約束層以增加沖擊波向材料內部的傳遞效率從而提高強化效果。但是，應用于中、大型攪拌摩擦焊構件時，布置吸收層和約束層會極大的降低生產效率。如果直接采用無吸收層和約束層激光噴丸會由于沖擊力不足，在材料表面產生的塑性變形較小，導致表面微觀組織演變不明顯，殘余壓應力影響深度較小，并且對表面產生燒蝕，破壞表面完整性，增加表面粗糙度。實驗證明提高脈沖激光功率密度可以有效增強無吸收層和約束層激光噴丸的強化效果，可獲得接近傳統激光噴丸產生的微觀組織強化效果。但是高能量密度產生的表面燒蝕會在材料表面0～100μm內形成殘余拉應力，并產生數百微米深度的凹坑，顯著降低材料的疲勞性能。
4、此外，現有研究表明在激光噴丸過程中對材料進行同步加熱可使材料軟化，從而增加無吸收層和約束層激光噴丸在材料表面產生的塑性變形量以實現更顯著的微觀組織演變，提高殘余壓應力影響深度。焊后必要的焊縫磨削過程會在磨削位置產生摩擦升溫，可以直接應用該熱量進行同步的無吸收層和約束層激光噴丸強化，但是由于鋁合金的導熱性較好，且打磨量較小，在打磨區域后方難以維持穩定的溫度場用于無吸收層和約束層激光噴丸。同時結合無吸收層和約束層激光噴丸的缺點，后方還需加入打磨流程去除表面燒蝕層和表面殘余拉應力，前、后打磨生熱的溫度場相互耦合產生更為穩定的表面加熱區域進行無吸收層和約束層激光噴丸，可提高工藝流程的集成度和強化效果。但是目前尚未有將磨削工藝與激光噴丸有機結合的復合加工裝置及接頭強化方法。
技術實現思路
1、本專利技術針對現有攪拌摩擦焊高強鋁合金接頭后處理及強化裝置和方法的不足，提出一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置及方法，通過雙砂輪打磨接頭表面產生局部加熱，形成較為穩定的高溫區域，使得接頭表面產生一定的軟化效應，在雙砂輪間同步進行高能量密度的無吸收層和約束層激光噴丸對接頭表面進行強化，通過產生顯著表面塑性變形，改善接頭近表面區域微觀組織，形成高幅值、大深度殘余壓應力，再同步打磨去除以高能量密度的無吸收層和約束層激光噴丸產生的表面燒蝕層及表面殘余拉應力，從而大幅度提高接頭強度與疲勞性能，充分利用了磨削過程的摩擦生熱，同時解決了無吸收層與約束層激光噴丸強化能力不足及強化表面質量差的問題，提高激光噴丸對大型鋁合金攪拌摩擦焊接頭的加工效率。
2、為實現上述目的，本專利技術采用如下技術方案：
3、一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，包括運動組件、焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭；
4、所述運動組件包括加工平臺、六軸機器人，待強化攪拌摩擦焊工件放置并固定于所述加工平臺上，所述六軸機器人的運動端固定所述焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭，并且所述六軸機器人的運動端與所述焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭之間還設有用以監測六軸機器人下壓力的壓力傳感器；
5、所述焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭包括加工頭橫梁、振鏡激光頭、激光全反鏡、前打磨砂輪、后打磨砂輪，所述加工頭橫梁固定于所述六軸機器人的運動端，所述加工頭橫梁的下方由前至后分別固連有所述前打磨砂輪、所述激光全反鏡、所述后打磨砂輪、所述振鏡激光頭，所述激光全反鏡傾斜設置，且正對所述振鏡激光頭的出光口；所述前打磨砂輪與所述后打磨砂輪能夠經驅動并在下壓力的作用下對焊縫表面進行打磨；脈沖激光束通過所述振鏡激光頭進行聚焦產生聚焦激光束，聚焦激光束通過所述激光全反鏡全反射后輻照于焊縫表面并垂直于焊縫進行運動。
6、優選地，所述焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭通過加工頭連接器固定于所述六軸機器人的運動端上；待強化攪拌摩擦焊工件利用安裝于所述加工平臺上的工裝夾具固定于所述加工平臺上。
7、優選地，所述前打磨砂輪通過前打磨砂輪連接桿固定于所述加工頭橫梁上，所述后打磨砂輪通過后打磨砂輪連接桿固定于所述加工頭橫梁上，并且所述前打磨砂輪與所述后打磨砂輪位于同一高度；所述前打磨砂輪由前打磨砂輪驅動電機驅動，所述后打磨砂輪由后打磨砂輪驅動電機驅動；所述振鏡激光頭通過振鏡激光頭連接桿固定于所述加工頭橫梁上，所述激光全反鏡通過激光全反鏡連接桿固定于所述加工頭橫梁上，脈沖激光束通過振鏡激光頭入射孔進入所述振鏡激光頭。
8、一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，應用上述中的基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，具體步驟如下：
9、1)將待強化攪拌摩擦焊工件固定于加工平臺上，根據焊縫寬度選擇前、后打磨砂輪的寬度；
10、2)控制六軸機器人，帶動焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭運動，將前、后打磨砂輪移動至焊縫上方并對準焊縫，驅動前打磨砂輪轉動并調節前打磨砂輪轉速，通過六軸機器人帶動焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭向下運動將前、后打磨砂輪按壓于焊縫表面，通過壓力傳感器實時監測壓力，使前、后打磨砂輪和焊縫表面接觸達到正壓力，然后由前打磨砂輪去除焊縫表面飛邊和凹陷臺階；
11、3)調節進入振鏡激光頭的脈沖激光束的單脈沖能量、脈寬和頻率，振鏡激光頭將脈沖激光束聚焦后形成聚焦激光束照射于激光全反鏡，再反射至前打磨本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，其特征在于，包括運動組件、焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭；
2.根據權利要求1所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，其特征在于，所述焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭通過加工頭連接器固定于所述六軸機器人的運動端上；待強化攪拌摩擦焊工件利用安裝于所述加工平臺上的工裝夾具固定于所述加工平臺上。
3.根據權利要求1所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，其特征在于，所述前打磨砂輪通過前打磨砂輪連接桿固定于所述加工頭橫梁上，所述后打磨砂輪通過后打磨砂輪連接桿固定于所述加工頭橫梁上，并且所述前打磨砂輪與所述后打磨砂輪位于同一高度；所述前打磨砂輪由前打磨砂輪驅動電機驅動，所述后打磨砂輪由后打磨砂輪驅動電機驅動；所述振鏡激光頭通過振鏡激光頭連接桿固定于所述加工頭橫梁上，所述激光全反鏡通過激光全反鏡連接桿固定于所述加工頭橫梁上，脈沖激光束通過振鏡激光頭入射孔進入所述振鏡激光頭。
4.一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，應用權利要求1-3中任意一項所述的一種基于磨削
5.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟1)中，前、后打磨砂輪的寬度需比焊縫寬度大10％～20％。
6.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟2)中，前打磨砂輪設定轉速為800～2000r/min，前、后打磨砂輪與焊縫表面接觸正壓力為100N～500N。
7.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟3)中，進入振鏡激光頭的脈沖激光束的單脈沖能量為15～25J，脈寬為10～15ns，頻率為5～10Hz。
8.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟3)中，聚焦光斑直徑為2～8mm，光斑往復運動速度為5～15mm/s；通過光斑運動速度匹配脈沖激光頻率，控制光斑搭接率為30％～80％；無吸收層和約束層激光噴丸區域寬度與前、后打磨砂輪寬度相同；聚焦光斑照射位置距離前打磨砂輪正在打磨區域10～20mm。
9.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟4)中，后打磨砂輪設定轉速為200～500r/min。
10.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟5)中，當聚焦光斑在已打磨區域完成一行激光噴丸后，焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭由六軸機器人帶動向前作步進運動，運動距離為0.2～5mm。
...【技術特征摘要】
1.一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，其特征在于，包括運動組件、焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭；
2.根據權利要求1所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，其特征在于，所述焊縫磨削與激光噴丸復合強化加工頭通過加工頭連接器固定于所述六軸機器人的運動端上；待強化攪拌摩擦焊工件利用安裝于所述加工平臺上的工裝夾具固定于所述加工平臺上。
3.根據權利要求1所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，其特征在于，所述前打磨砂輪通過前打磨砂輪連接桿固定于所述加工頭橫梁上，所述后打磨砂輪通過后打磨砂輪連接桿固定于所述加工頭橫梁上，并且所述前打磨砂輪與所述后打磨砂輪位于同一高度；所述前打磨砂輪由前打磨砂輪驅動電機驅動，所述后打磨砂輪由后打磨砂輪驅動電機驅動；所述振鏡激光頭通過振鏡激光頭連接桿固定于所述加工頭橫梁上，所述激光全反鏡通過激光全反鏡連接桿固定于所述加工頭橫梁上，脈沖激光束通過振鏡激光頭入射孔進入所述振鏡激光頭。
4.一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，應用權利要求1-3中任意一項所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化裝置，具體步驟如下：
5.根據權利要求4所述的一種基于磨削和激光噴丸的攪拌摩擦焊縫強化方法，其特征在于，步驟1)中，前、后打磨砂輪的寬度需比焊縫寬度...
【專利技術屬性】
技術研發人員：郭偉，戴為，張宏強，舒琛，史佳鑫，朱穎，
申請(專利權)人：北京航空航天大學，
類型：發明
國別省市：
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