劉一川，任宗金，張 軍，佟 生

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

攪拌摩擦焊[1]具有優(yōu)良的焊接性能，在航空航天制造中獲得了越來(lái)越多的關(guān)注與應(yīng)用。由于攪拌摩擦焊是一個(gè)非常復(fù)雜的焊接過(guò)程，它涉及溫度的急劇變化和金屬熔化流動(dòng)等過(guò)程，因此影響攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量的因素[2]存在很多。經(jīng)分析，焊接過(guò)程中多維力對(duì)焊接質(zhì)量存在較大的影響，且焊接工藝參數(shù)可通過(guò)獲取焊接過(guò)程作用力的方式來(lái)進(jìn)行研究。所以設(shè)計(jì)出一種壓電式跨尺度多維力高精度實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)具有重要意義。

南京航空航天大學(xué)王吉?jiǎng)賉3]采用應(yīng)變式雙向延伸四耳八角環(huán)結(jié)構(gòu)，研究了FSW焊接過(guò)程中的受力特點(diǎn)，找出并分析了多種結(jié)構(gòu)方法的八角環(huán)測(cè)力儀的特點(diǎn)，綜合這些優(yōu)缺點(diǎn)解決了八角環(huán)測(cè)力儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題。此后采用Hyperworks結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析軟件對(duì)測(cè)力儀的部分具體尺寸進(jìn)行了優(yōu)化，完成了八角環(huán)的最佳尺寸設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了其固有頻率高的特點(diǎn)。最后設(shè)計(jì)出的八角環(huán)測(cè)力儀主向量程為40 kN，側(cè)向量程為6 kN。印度古瓦哈提工業(yè)技術(shù)學(xué)院[4]研制了一種應(yīng)變式測(cè)力儀，其采用彎曲型八角環(huán)作為彈性構(gòu)件，將應(yīng)變片安裝在專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的八角形構(gòu)件中，以支撐焊接板。當(dāng)焊接力施加在板上時(shí)，載荷轉(zhuǎn)移到八角形構(gòu)件上，并在構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變。為了在FSW過(guò)程中接收電荷信號(hào)，設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有必要的硬件和軟件，并連接到開(kāi)發(fā)的裝置上。所開(kāi)發(fā)的裝置在實(shí)際焊接操作中進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，所提出的裝置可用于FSW焊接。最后測(cè)力儀主向力量程15 kN，側(cè)向力量程5 kN。

基于壓電測(cè)力儀固有頻率高、靜態(tài)性能好(線(xiàn)性度和重復(fù)度誤差小)的優(yōu)點(diǎn)[5]。本文針對(duì)焊接過(guò)程中主向力較大、側(cè)向力較小的特征，設(shè)計(jì)出了適用于攪拌摩擦焊動(dòng)態(tài)測(cè)量的壓電測(cè)力單元，并通過(guò)標(biāo)定試驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)力單元靜、動(dòng)態(tài)性能[6]。

1 FSW多維力仿真分析

焊裝過(guò)程多維力測(cè)量裝置的開(kāi)發(fā)，首先需要確定力的特征。采用ABAQUS仿真軟件對(duì)其進(jìn)行分析，所建立的攪拌頭幾何模型尺寸參考實(shí)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(zhǎng)方體，仿真模型如圖1所示。選取2219鋁合金來(lái)作為焊接材料，攪拌頭選用H-13工具鋼，采用CEL創(chuàng)建歐拉區(qū)域模擬金屬流動(dòng)的方法，設(shè)置約束以及焊接工藝參數(shù)。最后模擬出攪拌摩擦焊的焊接過(guò)程，輸出了攪拌頭所受到的三向力，包括頂鍛力、進(jìn)給力以及側(cè)向力的大小。

圖1 FSW仿真模型

由圖2曲線(xiàn)可知，得出穩(wěn)定狀態(tài)頂鍛力輸出為82 kN，進(jìn)給力為8 kN，側(cè)向力為7 kN，為測(cè)力儀量程的確定提供依據(jù)。

圖2 三向力值仿真曲線(xiàn)

2 壓電式測(cè)力單元的設(shè)計(jì)

考慮到測(cè)力單元安裝跨距、力作用點(diǎn)位置變化等因素，選擇四點(diǎn)支撐式測(cè)量方法，形成四個(gè)測(cè)力單元正方形布置的測(cè)力平臺(tái)。根據(jù)三向力仿真結(jié)果，測(cè)力單元的量程初步設(shè)計(jì)為Fz為50 kN，F(xiàn)x、Fy為5 kN。通過(guò)改變加載點(diǎn)位置來(lái)模擬頂鍛力作用點(diǎn)的變化規(guī)律，分析加載點(diǎn)變化時(shí)四個(gè)測(cè)力單元的受力情況，模擬加載中主向加載取100 kN、側(cè)向取12 kN和10 kN，如圖3所示，取三個(gè)特征點(diǎn)ABC，其中極端點(diǎn)C點(diǎn)受三向力值數(shù)據(jù)如表1所示。

圖3 測(cè)力單元受力分布

表1 C點(diǎn)加載

分析結(jié)果得出四個(gè)測(cè)力單元所受主向力和側(cè)向力均不超過(guò)其主向量程50 kN以及側(cè)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(yīng)原理與壓電系數(shù)矩陣[7-8]，大尺寸晶片承載、籽晶與幾何研究[9]，確定滿(mǎn)足特定測(cè)量要求與預(yù)緊要求的晶片三維尺寸。壓電晶片設(shè)計(jì)的關(guān)鍵尺寸有外徑D、內(nèi)孔直徑d，如圖4所示。

由環(huán)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(yù)緊力的關(guān)系由式(2)、式(3)計(jì)算。

Fl=εFz+Fp+Δ

(2)

(3)

同時(shí)，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(guān)系：

Fl=σp·S

(4)

根據(jù)螺栓強(qiáng)度計(jì)算公式：

(5)

由此可得石英晶片的關(guān)鍵尺寸為：內(nèi)徑24 mm，外徑42 mm。

3 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

3.1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

標(biāo)定系統(tǒng)示意圖如圖5所示，在液壓力源的作用下，石英晶片出現(xiàn)壓電效應(yīng)，產(chǎn)生的電荷輸入電荷放大器并放大為電壓信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡將電荷放大器放大的電壓信號(hào)傳遞到計(jì)算機(jī)里，由DEWEsoft軟件進(jìn)行計(jì)算并顯示，液壓加載的具體力值由應(yīng)變式標(biāo)準(zhǔn)力傳感器來(lái)檢測(cè)控制。標(biāo)定裝置由標(biāo)定實(shí)驗(yàn)臺(tái)、加載板、標(biāo)定下板和液壓力源發(fā)生裝置組成。如圖6所示，由3個(gè)液壓力源完成頂鍛力Fz、進(jìn)給力Fx和側(cè)向力Fy三維載荷加載。

圖5 標(biāo)定系統(tǒng)示意圖

圖6 測(cè)力單元三向標(biāo)定

3.2 靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)可以得到線(xiàn)性度、重復(fù)度以及向間干擾等靜態(tài)精度指標(biāo)。線(xiàn)性度是指測(cè)力單元通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)際曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)的差異性，重復(fù)度是指在相同的實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境下，往同一方向進(jìn)行多次加載時(shí)，輸出結(jié)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(jù)壓電測(cè)力單元頂鍛力Fz、進(jìn)給力Fx和側(cè)向力Fy標(biāo)定量程，采用階梯加載法對(duì)4個(gè)測(cè)力單元進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如表2、表3、表4所示。

表2

表3

表4 Fy標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，單個(gè)測(cè)力單元的非線(xiàn)性度最大為0.15%，重復(fù)性最大為0.37%，向間干擾最大為1.50%。

3.3 動(dòng)態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

壓電測(cè)力單元還需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，從而獲得其固有頻率。這是由于測(cè)力單元在焊接過(guò)程中受到的是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)載荷，所以測(cè)力單元必須具有良好的動(dòng)態(tài)性能，才能在測(cè)量過(guò)程中對(duì)多維力進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。采用敲擊法，使用銅棒對(duì)測(cè)力單元上表面進(jìn)行敲擊來(lái)產(chǎn)生電荷信號(hào)，信號(hào)由石英晶片連接電荷放大器和數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)里DEWEsoft軟件內(nèi)部的傅里葉變換算法獲得測(cè)力單元三向幅頻特性曲線(xiàn)，如圖7所示。

圖7 三向固有頻率

從以上3個(gè)曲線(xiàn)可以看出，測(cè)力單元的三向固有頻率均較高，具有良好的測(cè)試性能。

4 結(jié)論

針對(duì)攪拌摩擦焊焊接過(guò)程多維力在線(xiàn)測(cè)量的難題，通過(guò)ABAQUS分析得到了三向力(頂鍛力、進(jìn)給力和側(cè)向力)的仿真大小，采用四點(diǎn)支撐式測(cè)量方法得到單個(gè)測(cè)力單元所受三向力的大小和關(guān)系。根據(jù)ANSYS仿真分析結(jié)果，進(jìn)行了石英晶片和測(cè)力單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)靜、動(dòng)態(tài)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)得出測(cè)力單元的非線(xiàn)性度為0.15%以?xún)?nèi)、重復(fù)性為0.4%以?xún)?nèi)以及向間干擾最大控制在1.50%左右。該測(cè)力單元具有精度高且固有頻率較高(8 kHz)的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊跨尺度多維力在線(xiàn)測(cè)量。