用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种在摩擦搅拌操作期间使用有源控制器(610)的多级嵌套式控制回路(图15)对来自主轴驱动器(710)的输出作用力进行调节从而向摩擦搅拌区提供恒定功率的系统(图6A或图6B)和方法。假设恒定功率有利于所述摩擦搅拌区内的温度控制，从而改善所述操作，诸如焊接的结果。
【专利说明】用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用力调制
[0001] 相关申请
[0002] 本发明本申请要求授予Kenneth Alec Ross和Carl D. Sorensen的提交于2012 年3 月 30 日的标题为"TORQUE MODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING"（用于摩擦搅拌操作的过程控制的力矩调制）的美国临时申请61/618, 266和 授予Kenneth A. Ross等人的提交于2013年2月27日的标题为"EFFORT MODULATION FOR PROCESS CONTROL OF FRICTION STIR PROCESSING"（用于摩擦搅拌操作的过程控制的作用 力调制）的美国临时申请61/769, 920的优先权。上述申请中的每一个全文以引用方式并 入本文中。
【背景技术】
【技术领域】 [0003] :本发明整体涉及摩擦搅拌操作，诸如摩擦搅拌焊接（FSW)、摩擦搅拌处 理（FSP)、摩擦搅拌混合（FSM)、摩擦堆焊、摩擦液柱成形、摩擦搅拌成型、摩擦挤出和摩擦 搅拌点焊（FSSW)(在下文中统称为"摩擦搅拌操作"）。更具体地讲，本发明涉及控制算法 的使用，该算法利用对作用力（例如，力矩）的控制来改善对摩擦搅拌操作的控制。
[0004] 相关领域说明：摩擦搅拌焊接是已经开发出的用于焊接金属和金属合金的技术。 FSW处理通常涉及通过旋转搅拌销轴在接头的任一侧接合两个邻接工件的材料。施加力以 迫使销轴和工件在一起，并且由销轴、肩部和工件之间的相互作用而产生的摩擦热导致接 头任一侧的材料的塑化。销轴和肩部的组合或"FSW顶端"沿着接头横越，在其前进时使材 料塑化，并且留在前进的FSW顶端的尾迹中的塑化材料冷却以形成焊缝。FSW顶端也可以是 没有销轴而只有肩部的工具，用于通过FSP来处理另一种材料。
[0005] 图1为正在用于摩擦搅拌焊接的工具的透视图，其特征在于，大致圆柱形工具10 具有柄部8、肩部12和从肩部向外延伸的销轴14。销轴14紧靠工件16旋转，直至产生足 够的热，此时工具的销轴插入塑化的工件材料中。通常，销轴14插入工件16中，直至到达 肩部12,肩部12防止进一步穿入工件中。工件16通常为在接合线18处对接在一起的两个 片材或板材。在这个例子中，销轴14在接合线18处插入工件16中。
[0006] 图2为典型工具10的剖视图，但不应被视为限制性的。轴环32被示出为紧握柄 部8和FSW顶端24,其中FSW顶端包括肩部12和销轴14。当工具10旋转时，将力矩（即， 作用力）从旋转的柄部8传递至轴环22,然后传递至FSW顶端24。
[0007] 参见图1，由销轴14紧靠工件材料16的旋转运动产生的摩擦热使得工件材料在未 达到熔点的情况下就被软化。工具10沿着接合线18横向移动，从而在塑化材料围绕销轴 14从前缘流至后缘时形成焊缝。与使用其他常规技术的焊缝相比，结果是在接合线18处产 生通常与工件材料16本身难以区分的固相粘结20。由于发生了混合，固相粘结20还可能 优于初始工件材料16。另外，如果工件材料由不同的材料组成，则所得的混合材料也可优于 两种初始工件材料中的任一种。
[0008] 可以观察到，当肩部12接触工件的表面时，其旋转产生另外的摩擦热，该摩擦热 使插入的销轴14周围的较大圆柱形柱材塑化。肩部12提供了锻造力，其包括由旋转的工 具销轴14形成的向上的金属流。
[0009] 在摩擦搅拌焊接过程中，待焊接的区域和工具10相对于彼此移动，使得工具横越 期望的焊缝长度。旋转的摩擦搅拌焊接工具10提供连续的热加工作用，在它沿着工件材料 16横向移动时使窄区内的金属塑化，同时将金属从销轴14的前缘传送至它的后缘。焊接区 冷却时，由于在工具10通过时不产生液体，所以通常不存在固化。通常，所得的焊缝是在焊 接区域内形成的无缺陷的、再结晶的细晶粒的微观结构，但不总是这样。
[0010] 摩擦搅拌工具的行进速度取决于正在进行的摩擦搅拌操作的具体类型、应用和正 在处理的材料。行进速度的一些例子为lm/min以上，其中旋转速率为200至3000rpm。这 些速率仅是示例性的，并且不应被视为限制本发明的操作。达到的温度通常接近但低于固 相线温度。摩擦搅拌焊接参数为材料的热性能、高温流动应力和穿透深度的函数。
[0011] 与熔焊相比，摩擦搅拌焊接具有若干优点，因为1)不存在填充金属，2)过程可以 完全自动化，从而对操作者的技术水平的要求较低，3)因为加热全部发生在工具/工件的 界面处，所以能量输入是高效的，4)由于FSW的固态性质和极大的可重复性，所以只需要最 少的焊后检测，5)FSW允许存在界面间隙，并因此所要求的焊前准备很少，6)通常不存在要 移除的焊接飞溅，7)焊后表面光洁度可格外平滑，几乎没有闪光，8)通常不存在气孔和氧 污染，9)周围材料畸变很小或不畸变，10)因为不存在有害排放物，所以不需要对操作者进 行保护，以及11)通常改善了焊接特性。在本文中，摩擦搅拌操作将被视为包括可以用摩擦 搅拌工具进行的所有过程，包括但不限于摩擦搅拌焊接、摩擦搅拌处理、摩擦搅拌点焊和摩 擦搅拌混合。
[0012] 在摩擦搅拌焊接中，处理区或摩擦搅拌区的温度影响所得的焊缝的特性，并对工 具寿命具有很大影响，诸如PCBN(多晶立方氮化硼）工具。该工具例子不应被视为限制性 的。所需的是改变工艺参数以控制焊接温度的有源控制系统。
[0013] 控制整个焊接长度上的焊接温度是重要的保证，因为焊接特性（诸如断裂韧性和 耐腐蚀性）随焊接温度而变化。如果在整个焊接过程中需要特定特性，则焊接温度必须是 可调的并且在整个焊接长度上是可控制的。
[0014] PCBN工具的短使用寿命限制了摩擦搅拌处理（FSP)在钢和其他高软化温度（或高 熔融温度）材料中的应用。控制工具温度应增加 PCBN工具的工具寿命，因为一些温度问题 会造成损坏。例如，如果温度过低，工具会因随工具温度降低而增大的力而受力过度。相比 之下，如果工具温度过高，PCBN工具会因为化学磨损而很快失效。高温还会导致锁定轴环 中的蠕变，从而允许PCBN插入物旋转。然后在冷却时在插入物的拐角处可能存在点应力， 这会导致破裂和失效。
[0015] 控制焊接温度的第一作用力使用无源控制技术。研究人员考虑到，焊接温度与焊 接间距（主轴速度V(行进速度）或为主轴速度和行进速度的函数的各个"伪热指数"成 比例。无源控制技术假设该过程已经达到了自限制平衡条件。
[0016] 无源控制技术不适合温度控制，因为沿着焊接长度可能不存在平衡条件。温度沿 着焊接长度改变的原因包括：工具或垫板冷却不足；热边界条件改变；以及达到平衡的时 间不足。无源控制技术不是通用的，因为它们不能针对过程扰动进行调节。
[0017] 图3为摩擦搅拌焊接机的有源控制系统的框图。摩擦搅拌焊接机包括联接到主轴 上的摩擦搅拌焊接工具，主轴继而联接到主轴电机上。摩擦搅拌焊接机还包括用于夹紧或 支承待摩擦搅拌焊接的工件的表面。可以通过有源控制系统来控制摩擦搅拌焊接机，从而 进行摩擦搅拌焊接。
[0018] 图4示出了现有技术也提出两级控制模式，所述两级控制模式包括控制主轴速度 以保持功率恒定的内回路和用于根据焊接温度设置所需的功率的外回路。图4为示出图3 的内回路的特写的框图。
[0019] 图3示出了温度控制算法，其中T为温度，ω为主轴速度，M为力矩，并且P为功 率。
[0020] 图5为图3和图4的搅拌区的特写视图的框图。设备为主轴电机和搅拌区的组合。 对于外回路而言，基准为所需的温度，受控变量为温度，并且操纵变量为功率。对于内回路 而言，基准为所命令的功率，并且受控变量为功率。
[0021] 图3中所示的现有技术提出了内回路调节主轴速度，以维持恒定功率。对于本发 明而言，理解现有技术的这个方面是很重要的。内回路的目的是维持提供给搅拌区的所需 功率。
[0022] 功率与主轴速度之间的关系由下式给出：
[0023] P= ωΜ 公式（1)
[0024] 其中P为功率，ω为主轴速度（弧度/秒），并且M为力矩。通过调节主轴速度进 行的功率控制使用力矩反馈和公式（1)以解决产生所需功率所需的主轴速度。图4示出了 通过调节主轴速度进行功率控制的框图，其中M(筛选的）为所报告的力矩的筛选值。该控 制方案假设力矩在每个PLC时间步长期间是恒定的。转换限制限定主轴的最大加速度。转 换限制用于防止系统由于力矩反馈中的噪声而变得不稳定。如果转换限制设定得过高，则 系统将放大力矩反馈中的噪声并变得不稳定。
[0025] 图6示出了通过调节主轴速度进行功率控制的结果，转换速率为0. 83RPM/S。当 启用功率控制时，力矩高，并且RPM低。当焊接继续进行时，板发热和软化，从而导致力矩减 小。当力矩减小时，RPM增大,从而维持恒定的功率。如图所示,在整个焊接中功率都保持 大的峰值。出现功率峰值是因为主轴电机尝试使主轴瞬间加速，以实现所命令的RPM。调节 主轴速度以控制功率会导致整个焊接中的大的功率峰值。这些功率峰值的平均值为所需的 功率值。
[0026] 与现有技术相比，提供不使用主轴速度来控制功率的改善的有源控制系统将是有 利的。
【发明内容】
[0027] 本发明为用于对来自主轴驱动器的作用力进行调节以在摩擦搅拌操作过程中为 摩擦搅拌区提供恒定功率并控制摩擦搅拌区内的温度，从而改善摩擦搅拌操作的焊接或其 他结果的系统和方法。在某些实施例中，通过调制响应于流量变量反馈的作用力变量获得 命令或要求的功率。可以测量或估计流量反馈变量。
[0028] 另外，如本文所公开，用于控制在摩擦搅拌操作过程中提供给摩擦搅拌区的功率 的摩擦搅拌系统可以包括摩擦搅拌工具、联接到摩擦搅拌工具上的主轴、联接到主轴上从 而使摩擦搅拌工具旋转的主轴驱动器，以及用于控制摩擦搅拌工具的操作的有源控制器， 其中有源控制器调节用于驱动摩擦搅拌工具的主轴驱动器的输出作用力，从而控制提供给 摩擦搅拌区的功率。
[0029] 用于在摩擦搅拌操作过程中使用有源控制器控制焊接温度的相应方法可以包括 提供用于控制摩擦搅拌工具的操作的有源控制器，使用有源控制器控制摩擦搅拌工具向摩 擦搅拌区的功率输入，以控制摩擦搅拌区的温度，其中通过对用于驱动摩擦搅拌工具的主 轴驱动器的输出作用力进行调节来控制功率输入。
[0030] 通过对下述结合附图描述的【具体实施方式】的理解，本发明的这些和其他目的、特 征、优点和替代方面对于本领域的技术人员而言将变得显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1为现有技术中提出的用于摩擦搅拌焊接的工具的透视图；
[0032] 图2为现有技术的FSW顶端、锁定轴环和柄部的剖视图；
[0033] 图3为现有技术中提出的用于温度控制的有源控制系统的简化框图；
[0034] 图4为图3中提出的主轴速度功率控制系统的框图；
[0035] 图5为用于现有技术的控制模型的设备的特写的框图；
[0036] 图6A和图6B为系统框图，示出了通过作用力调制进行的功率控制；
[0037] 图6C为曲线图，示出了通过调节主轴速度进行的功率控制；
[0038] 图7示出了恒定的主轴速度焊接包含功率和温度的变化；
[0039] 图8为有源控制器的内回路的框图；
[0040] 图9为曲线图，示出了当调节力矩（S卩，作用力）以保持功率恒定时的结果；
[0041] 图10为曲线图，示出了恒定的主轴速度焊接包含功率和温度的变化；
[0042] 图11为温度响应的曲线图；
[0043] 图12为曲线图，示出了未报告的力矩动力学中所报告的较差的力矩分辨率结果；
[0044] 图13为曲线图，示出了用于比较主轴速度控制与力矩（S卩，作用力）控制的线性 力矩-主轴速度假设；
[0045] 图14a为曲线图，示出了调节主轴速度的功率的逐步增大；
[0046] 图14b为曲线图，示出了调节力矩的功率的逐步增大；以及
[0047] 图15为框图，示出了有源控制器的内回路和外回路。
【具体实施方式】
[0048] 现在将参照附图，在附图中本发明的各个元件将被给予数字编号，并且其中将对 本发明进行讨论，以使本领域的技术人员能够制备和使用本发明。应当了解的是，以下描述 只是本发明原理的示例性描述，不应被视为使随后的权利要求的范围变窄。
[0049] 如本文所公开，根据流量反馈调制摩擦搅拌系统的作用力。根据系统动力学的系 统相似性原理，功率P被定义为流量f乘以作用力e。这一关系示于公式（2)中：
[0050] P = e*f (2)
[0051] 例如，机械旋转域中的功率由力矩（作用力）乘以角速度（流量）来定义。各个 功率域、作用力和流量的例子示于下表1中。
[0052] 表1 :功率域
[0053]
【权利要求】
1. 一种用于使用有源控制器控制摩擦搅拌区的温度的方法，所述方法包括： 提供用于控制摩擦搅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搅拌工具提供给摩擦搅拌区的功率，以控制所述 摩擦搅拌区的温度，其中通过对用于驱动所述摩擦搅拌工具的主轴驱动器的输出作用力进 行调节来控制提供给所述摩擦搅拌区的所述功率。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中控制提供给所述摩擦搅拌区的所述功率还包括使 用所述有源控制器维持所需的功率输入水平。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中使用所述有源控制器维持对摩擦搅拌区的所述功 率输入水平还包括实施多级嵌套式控制回路。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中实施所述多级嵌套式控制回路还包括： 1) 实施内部控制回路，从而通过对所述主轴驱动器的输出作用力的控制来维持所述所 需的功率输入水平；以及 2) 实施调节所述所提供的功率的外部控制回路，从而维持所述摩擦搅拌区的所需温 度。
5. 根据权利要求4所述的方法，其中控制所述主轴驱动器的输出作用力还包括控制至 所述主轴驱动器的输入流量。
6. 根据权利要求4所述的方法，其中控制所述主轴驱动器的输出作用力还包括维持所 需的作用力水平。
7. 根据权利要求4所述的方法，其中控制所述主轴驱动器的输出作用力还包括稳定所 述主轴驱动器的控制。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中稳定所述主轴驱动器的控制还包括使用主轴流量 反馈。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中通过对所述主轴驱动器的输出作用力的控制维持 所述所需的功率输入水平还包括响应于所述主轴流量的减小增加所述主轴驱动器的输出 作用力。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中通过对所述主轴驱动器的输出作用力的控制维 持所述所需的功率输入水平还包括响应于所述主轴流量的增大降低所述主轴驱动器的输 出作用力。
11. 根据权利要求1所述的方法，其中所述摩擦搅拌工具为焊接工具。
12. -种用于控制在摩擦搅拌操作期间提供给摩擦搅拌区的功率的摩擦搅拌系统，所 述系统包括： 摩擦搅拌工具； 联接到所述摩擦搅拌工具上的主轴； 主轴驱动器，所述主轴驱动器联接到所述主轴上，从而使所述摩擦搅拌工具旋转； 用于控制所述摩擦搅拌工具的操作的有源控制器，其中所述有源控制器调节用于驱动 所述摩擦搅拌工具的所述主轴驱动器的输出作用力，从而控制提供给摩擦搅拌区的功率。
13. 根据权利要求12所述的摩擦搅拌焊接系统，其中所述有源控制器还包括用于接收 主轴流量反馈的装置。
14. 根据权利要求12所述的系统，其中所述有源控制器还被构造为达到和维持所述摩 擦搅拌区的所需温度。
15. 根据权利要求12所述的系统，其中所述有源控制器包括多级嵌套式控制回路。
16. 根据权利要求12所述的系统，其中所述摩擦搅拌工具为焊接工具。
17. 根据权利要求15所述的系统，其中所述多级嵌套式控制回路包括内部控制回路和 外部控制回路，所述内部控制回路被构造为通过控制所述主轴驱动器作用力维持所需的功 率输入水平，所述外部控制回路调节所提供的所述功率，从而维持所述摩擦搅拌区中的所 需温度。
【文档编号】B23K20/12GK104245218SQ201380017609
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2013年3月29日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】肯尼斯·亚历克·罗斯, 卡尔·D·瑟伦森 申请人:布莱阿姆青年大学