一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具的制作方法

1.本实用新型属于搅拌摩擦焊技术领域，尤其涉及一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具。


背景技术：

2.搅拌摩擦焊利用搅拌针或轴肩伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转摩擦产生的摩擦热与材料塑性变形热作为焊接热源，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊接。搅拌摩擦焊是一种先进的固相焊接方式，固相焊接没有金属的熔化，因此搅拌摩擦焊热输入较低，具有焊接强度高、绿色无污染等优点。但是在铝合金焊接尤其是铝/铜或铝/钛等异种材料焊接过程中，因材料性质不同，焊接难度大，只能增加热输入来达到所需的焊接效果，又难以通过改变焊接参数来调控热输入大小，导致温度仍然会超过共晶温度；而由于较大的性能差异，低熔点金属在焊接中容易发生较大程度的软化，甚至出现液化现象，当温度较高时，还会产生较多的金属间化合物，金属间化合物具有硬脆的特点，在剪切拉伸实验中容易成为裂纹源，并且裂纹沿着金属间化合物层发生断裂，会使得接头失效。为了减轻甚至解决上述问题，需要在搅拌摩擦焊过程中进行随焊冷却，以达到降温、控制应力及变形的目的。
3.现有的随焊冷却技术，有的采用在搅拌头内通入水等冷却介质对搅拌头进行冷却，其从焊具的角度考虑，通过降低搅拌头的温度来减轻上述问题，但是该方式只能实现搅拌头的冷却，通水开孔会降低搅拌针强度，且经常通水增加主轴的腐蚀程度，反而降低主轴/搅拌头的使用寿命；也有的在搅拌头上设置冷却孔，通过直接在焊缝处喷洒冷却剂对待焊板材进行激冷，直接对焊缝处进行冷却，以避免因热输入过大而造成晶粒快速增大和元素烧损的问题，增加焊接性能，但是该方式只能对焊缝区进行统一的冷却，而因焊接有其倾角，且焊接方向不断变化，导致单一方向冷却装置不能实现前进侧优先冷却，对异种材料焊接的帮助有限。
4.需要说明的是，上述内容属于发明人的技术认知范畴，并不必然构成现有技术。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本实用新型的目的是提供一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具，能够实现分区降温，并能够智能化、自动化及简洁化地平衡焊接热输入，有效调控接头中沉淀强化相的状态，抑制工件晶粒的长大和时效强化相的粗化，减少焊接接头的热软化效应，减少焊后工件力学性能的降低，有利于提高焊缝强度，增强焊缝力学性能，还能够避免元素烧损和减少搅拌头的磨损，增加搅拌头本体的使用寿命。
6.为实现上述目的，本实用新型提出了一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具，其特征在于，所述具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具包括：安装盘；搅拌头本体，所述搅拌头本体同轴设置于所述安装盘底部；姿态感应装置，所述姿态感应装置凸出设置于所述安装盘，所述姿态感应装置能够检测所述搅拌头本体的运动方向；喷洒装置，所
述喷洒装置设置于所述安装盘底部，并位于所述姿态感应装置下方，所述喷洒装置能够喷洒冷却水；控制器，所述控制器与所述姿态感应装置电连接，所述控制器能够根据所述姿态感应装置的电信号判断所述搅拌头本体的运动方向，并结合设定的喷水量与喷水方向控制所述喷洒装置进行局部喷洒冷却水。
7.在一个示例中，所述喷洒装置包括花洒，所述花洒的内部空腔绕自身轴线等角度分隔为多个独立的水道，所述水道内设置有控制水流通断的阀门，所述阀门能够独立开启或关闭。
8.在一个示例中，所述喷洒装置包括环绕移动式喷头，所述环绕式移动喷头的底部的一侧设置有出水孔，所述环绕式移动喷头能够绕所述搅拌头本体的轴线旋转运动。
9.在一个示例中，所述姿态感应装置包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘和姿态处理器，所述姿态处理器能够分析处理所述三轴陀螺仪、所述三轴加速度计和所述三轴电子罗盘的电信号数据，并判断所述搅拌头本体的运动方向。
10.在一个示例中，所述具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具还包括温度传感器，所述温度传感器能够监测焊缝处的温度和所述搅拌头本体的温度。
11.在一个示例中，所述具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具还包括红外传感器，所述红外传感器能够监测焊缝处的温度和与该处的距离。
12.在一个示例中，所述具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具还包括超声波传感器，所述超声波传感器能够监测焊缝处的温度和与该处的距离。
13.在一个示例中，所述具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具还包括超声波传感器，所述超声波传感器能够监测焊缝处的温度和与该处的距离。
14.在一个示例中，所述喷洒装置和所述搅拌头与所述安装盘之间通过螺纹可拆卸连接。
15.在一个示例中，所述具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具还包括液压控制器，所述液压控制器能够调控通入所述喷洒装置内冷却水的液压，以保证出水速度恒定。
16.通过本实用新型提出的一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具能够带来如下有益效果：
17.1、本实用新型的具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具，通过设置姿态感应装置和喷洒装置，能够实现分区降温，并能够智能化、自动化及简洁化地平衡焊接热输入，有效调控接头中沉淀强化相的状态，抑制工件晶粒的长大和时效强化相的粗化，减少焊接接头的热软化效应，减少焊后工件力学性能的降低，有利于提高焊缝强度，增强焊缝力学性能，还能够避免元素烧损和减少搅拌头的磨损，增加搅拌头本体的使用寿命。
18.2、通过设置具有独立水道和阀门的花洒，通过控制阀门的开关，能够实现局部喷洒冷却液，且自动化程度高，控制精准，能够有效的冷却焊接接头，提高焊接品质，实用性强。
19.3、通过设置环绕式移动喷头，能够绕搅拌头本体旋转以调节喷洒冷却水的位置，以实现局部喷洒冷却液，且自动化程度高，控制精准，能够有效的冷却焊接接头，提高焊接品质，实用性强。
20.4、通过设置三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘和姿态处理器，能够分析处理搅拌头本体的运动数据，从而判断搅拌头本体的运动方向，为喷洒装置的工作提供依据，
保证喷洒冷却水的位置准确，提高冷却效果，提高产品品质，实用性强。
21.5、通过设置温度传感器，能够实时监测搅拌头和焊缝处的温度，并根据设定的温度判断是否需要进行冷却，避免过度冷却，提高冷却效果，提高焊接品质，实用性强。
22.6、通过设置红外传感器和/或超声波传感器，能够检测温度和距离，从而判断搅拌头本体的运动方向，且结构简单，可靠性高，成本低，易于实现，实用性强。
23.7、通过设置可拆卸连接，便于拆卸更换与清洗，降低使用成本，且便于加工制造，降低加工难度，降低设备成本，实用性强。
24.8、通过设置液压控制器，能够控制喷洒装置内液压的恒定，保证持续稳定的出水速度，避免出水过量或过少而影响冷却效果，提高焊接品质，实用性强。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
26.图1为本实用新型的一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具的结构示意图。
具体实施方式
27.为了更清楚的阐释本实用新型的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。
28.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
29.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
30.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
31.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。在本说明书的描述中，参考术语“一个方案”、“一些方案”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该方案或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个方案或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的方案或
示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个方案或示例中以合适的方式结合。
32.如图1所示，本实用新型的实施例提出了一种具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100，其包括安装盘1、搅拌头本体2、姿态感应装置3、喷洒装置4和控制器，其中，搅拌头本体2同轴设置于安装盘1底部；姿态感应装置3凸出设置于安装盘1，姿态感应装置3能够检测搅拌头本体2的运动方向；喷洒装置4设置于安装盘1底部，并位于姿态感应装置3下方，喷洒装置4能够喷洒冷却水；控制器与姿态感应装置3电连接，控制器能够根据姿态感应装置3的电信号判断搅拌头本体2的运动方向，并结合设定的喷水量与喷水方向控制喷洒装置4进行局部喷洒冷却水。本实用新型的具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100，通过设置姿态感应装置3和喷洒装置4，能够实现分区降温，并能够智能化、自动化及简洁化地平衡焊接热输入，有效调控接头中沉淀强化相的状态，抑制工件晶粒的长大和时效强化相的粗化，减少焊接接头的热软化效应，减少焊后工件力学性能的降低，有利于提高焊缝强度，增强焊缝力学性能，还能够避免元素烧损和减少搅拌头的磨损，增加搅拌头本体2的使用寿命。
33.在一个具体实施例中，焊接前，对喷水量和喷洒方向进行设定，可以保持喷洒搅拌头后方。
34.在一个具体实施例中，控制喷洒量，以恰好冷却液蒸发为宜，可局部有效降温50℃以上。
35.具体地，喷洒装置4包括花洒，花洒的内部空腔绕自身轴线等角度分隔为多个独立的水道，水道内设置有控制水流通断的阀门，阀门能够独立开启或关闭。通过设置具有独立水道和阀门的花洒，通过控制阀门的开关，能够实现局部喷洒冷却液，且自动化程度高，控制精准，能够有效的冷却焊接接头，提高焊接品质，实用性强。
36.在一个具体实施例中，焊接时，通过姿态感应装置3感受焊接姿态，并将姿态传输到控制器中；通过分析焊接姿态判断焊接方向，结合设定喷洒方向，向喷洒装置4发出信号，对应区域的阀门打开，对该区域进行冷却，实现局部冷却。循环该步骤，实现局部冷却控制。
37.具体地，喷洒装置4包括环绕移动式喷头，环绕式移动喷头的底部的一侧设置有出水孔，环绕式移动喷头能够绕搅拌头本体2的轴线旋转运动。通过设置环绕式移动喷头，能够绕搅拌头本体2旋转以调节喷洒冷却水的位置，以实现局部喷洒冷却液，且自动化程度高，控制精准，能够有效的冷却焊接接头，提高焊接品质，实用性强。
38.具体地，姿态感应装置3包括三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘和姿态处理器，姿态处理器能够分析处理三轴陀螺仪、三轴加速度计和三轴电子罗盘的电信号数据，并判断搅拌头本体2的运动方向。通过设置三轴陀螺仪、三轴加速度计、三轴电子罗盘和姿态处理器，能够分析处理搅拌头本体2的运动数据，从而判断搅拌头本体2的运动方向，为喷洒装置4的工作提供依据，保证喷洒冷却水的位置准确，提高冷却效果，提高产品品质，实用性强。
39.在一个具体实施例中，姿态处理器为内嵌低功耗arm处理器，通过经过处理的三维姿态与方位等数据，利用基于四元数的三维算法和特殊数据融合技术，实时输出以四元数、欧拉角表示的零漂移三维姿态方位数据，并据此判断焊接时搅拌头本体2的运动方向。
40.具体地，具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100还包括温度传感器，温度
传感器能够监测焊缝处的温度和搅拌头本体2的温度。通过设置温度传感器，能够实时监测搅拌头和焊缝处的温度，并根据设定的温度判断是否需要进行冷却，避免过度冷却，提高冷却效果，提高焊接品质，实用性强。
41.具体地，具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100还包括红外传感器，红外传感器能够监测焊缝处的温度和与该处的距离。通过设置红外传感器，能够检测温度和距离，从而判断搅拌头本体2的运动方向，且结构简单，可靠性高，成本低，易于实现，实用性强。
42.具体地，具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100还包括超声波传感器，超声波传感器能够监测焊缝处的温度和与该处的距离。通过设置超声波传感器，能够检测温度和距离，从而判断搅拌头本体2的运动方向，且结构简单，可靠性高，成本低，易于实现，实用性强。
43.具体地，具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100还包括超声波传感器，超声波传感器能够监测焊缝处的温度和与该处的距离。通过设置超声波传感器，能够检测温度和距离，从而判断搅拌头本体2的运动方向，且结构简单，可靠性高，成本低，易于实现，实用性强。
44.具体地，喷洒装置4和搅拌头与安装盘1之间通过螺纹可拆卸连接。通过设置可拆卸连接，便于拆卸更换与清洗，降低使用成本，且便于加工制造，降低加工难度，降低设备成本，实用性强。
45.具体地，具有姿态感应方向可控随焊冷却系统的焊具100还包括液压控制器，液压控制器能够调控通入喷洒装置4内冷却水的液压，以保证出水速度恒定。通过设置液压控制器，能够控制喷洒装置4内液压的恒定，保证持续稳定的出水速度，避免出水过量或过少而影响冷却效果，提高焊接品质，实用性强。
46.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
47.以上所述仅为本实用新型的实施例而已，并不用于限制本实用新型。对于本领域技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内。