本发明专利属于金属材料固相焊接领域，涉及铝合金薄板板厚不均条件下一种搅拌摩擦焊接方法。
背景技术：
搅拌摩擦焊是新型固相焊接方法，自1991年发明以来已经被广泛应用于铝合金、镁合金、铜合金等轻质合金连接技术之中。搅拌摩擦焊具有焊缝质量高，无常规熔焊产生的气孔、裂纹等缺陷，焊接应力与变形小等优点，焊接质量稳定性高，搅拌摩擦焊设备具有可操作性强，采用数控系统能够有效减少人为因素对焊接质量产生的影响。
目前，搅拌摩擦焊在焊接铝合金薄板方面，无论是焊接厚度还是在焊接复杂结构方面均取得了较为成功的应用案例。“一种适用于薄板的随焊下压搅拌摩擦焊焊具及其焊接方法”（申请号201210168918.8），介绍了一种防止薄板焊接焊缝周边变形的控制方法；“用于贮箱环缝搅拌摩擦焊接的定位支撑装置”（授权公告号CN 202804474 U），介绍了一种适应大型薄壁构件环缝搅拌摩擦焊接的支撑装置，该装置满足薄壁构件环缝搅拌摩擦焊的焊接尺寸公差和形状公差的要求，实现薄壁筒段环缝的搅拌摩擦焊。这些案例的实施都是在被焊材料等厚的条件下进行的，或者是在焊接长度上材料厚度变化的幅度很小(如0.05mm/m)，并没有考虑到薄板材料厚度的变化。
常规搅拌摩擦焊焊接的前提条件是认定在整个焊接长度上，被焊部位材料厚度的变化应在允许的变化范围内。如对于2mm板厚的材料，材料厚度的变化不应该超过0.05mm。对于宽幅铝合金薄板，以下两种工况可能会导致被焊长度上板厚的变化：
板材局部冲压成型，导致与其相邻的需焊接部位板厚变薄，而远离冲压成型的部位厚度不变，这就导致在整个焊接长度上，远离冲压成型的部位与原材料原厚度一致，而位于冲压成型附近的部位，材料减薄现象明显；
热轧工艺不稳定，导致板材两端厚度一致，而中间部位板厚变薄；或者是中间部位厚度变厚，而两端厚度变薄。
上述两种工况条件下，材料厚薄的变化幅度超过了搅拌摩擦焊对被焊材料厚度一致性要求的工艺裕度，若采用现有常规搅拌摩擦焊技术，将会产生以下两类缺陷：
1）在整个焊接长度上，若局部位置材料厚度大于板厚原始标准厚度，常规搅拌摩擦焊在焊接到此位置时可能会产生未焊透或弱连接（或“吻接”）等焊接缺陷；而且焊接此位置时，可能会导致搅拌工具下切量过大，产生较大飞边，易产生隧道缺陷；
（2）若有局部位置材料厚度小于板厚原始标准厚度，常规搅拌摩擦焊在焊接到此位置时，无法形成表面成型美观的焊接接头，易产生表面沟槽、犁沟等焊接缺陷；若在焊接过程中，人为干预焊接下压量，则会造成搅拌工具搅拌针与垫板相摩擦，造成搅拌针长度的缩短和垫板的损伤，直接影响后续焊接。
为克服技术背景中常规搅拌摩擦焊技术对变厚度铝合金薄板焊接中不足，本发明专利提出了采用激光跟踪仪自动跟踪实时测量焊接长度上材料厚度的变化，并将测量数据实时反馈给搅拌摩擦焊设备数控系统，数控系统实时驱动搅拌摩擦焊机械轴，实现对分体式搅拌工具搅拌轴肩和搅拌针的单独控制，从而实现搅拌工具焊接深度的实时控制。
技术实现要素：
本发明的目的是针对变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊时焊接质量难以有效稳定的控制，设计一种能够适应变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊的焊接方法。
采用的技术方案是：
一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法，所述变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法采用激光跟踪仪2实时测量变厚度铝合金薄板1的厚度，将测量数据反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统对测量数据进行实时处理分析，数控系统依据反馈的测量数据实时驱动焊接轴，数控系统通过对搅拌工具搅拌针3扎入深度的控制，实现对焊接深度的控制，完成变厚度铝合金薄板1的搅拌摩擦焊焊接。
进一步地，所述搅拌摩擦焊设备安装有X轴、Y轴、Z轴和W轴，所述搅拌工具为分体式结构，包括轴肩4和搅拌针3，所述Z轴驱动轴肩4上下运动，所述W轴驱动搅拌针3上下运动。
进一步地，所述轴肩具有5°-10°的内凹面，焊接时所述搅拌针3长度在0mm-5mm区间内调整，调整精度为±0.001mm。
进一步地，所述焊接方法包括如下步骤：
步骤一：在焊接开始前，设置搅拌工具主轴转速为n，激光跟踪仪2前置于搅拌工具的距离为S，焊接速度为v1，搅拌针伸出轴肩4的长度为h；
步骤二：当激光跟踪仪2开始工作时，设置激光焦距和焊接起始点，经过S/v1时长后，启动搅拌工具；
步骤三：当搅拌工具运动到焊接起始点时，使焊接前进方向暂停，搅拌工具主轴开始旋转，设置Z轴向下运动，通过位移控制Z轴向下运动距离，设置焊接起始段；
步骤四：启动焊接程序，使搅拌工具在转速为n，焊接速度为v1条件下沿着X轴负方向运动，焊接过程中，激光跟踪仪2实时测量变厚度铝合金薄板1的厚度，将测量数据反馈给数控系统，数控系统驱动Z轴和W轴；
步骤五：当激光跟踪仪2运动到终点时，激光跟踪仪2停止工作，搅拌工具沿着焊接方向运行S/v1时长后结束焊接，设置Z轴向上运动，搅拌工具在Z轴驱动下，沿着Z轴正方向向上提升5mm后搅拌工具主轴停机，变厚度铝合金薄板1的搅拌摩擦焊焊接结束。
进一步地，所述步骤三中，当搅拌针3扎入变厚度铝合金薄板1的深度为h+0.1mm至h+0.2mm时，Z轴停止向下运动，等待变厚度铝合金薄板1材料达到塑性流动温度。
进一步地，在焊接过程中：
当激光跟踪仪2测量的变厚度铝合金薄板1的厚度小于标准厚度时，搅拌工具运动S/v1时长后，W轴向上回抽，Z轴向下压入，直至搅拌工具轴肩4低于变厚度铝合金薄板1表面0.1mm-0.2mm时停止；
当激光跟踪仪2测量的变厚度铝合金薄板1的厚度大于标准厚度时，搅拌工具运动S/v1时长后，W轴向下插入，Z轴向上抬起，直至搅拌工具轴肩4低于变厚度铝合金薄板1表面0.1mm-0.2mm时停止。
本发明的有益效果在于：
1）本发明通过对被焊材料厚度的实时测量，并对搅拌针的实时驱动控制，实现了变厚度材料的搅拌摩擦焊。
2）解决了薄板焊接时易产生的未焊透或搅拌针扎到垫板的问题，有效实现了薄板搅拌摩擦焊时焊接质量的一致性。
3）有效扩展了搅拌摩擦焊技术的应用范围，最大程度上实现了材料的充分利用，避免由于材料厚度不均而无法焊接导致的浪费，节省生产成本，提高经济效益。
附图说明
图1为一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法实施示意图。
图中，1为变厚度铝合金薄板，2为激光跟踪仪，3为搅拌针，4为轴肩，S为激光跟踪仪前置于搅拌工具的距离，h1为激光跟踪仪与变厚度铝合金薄板的距离，B为搅拌工具在垂直方向上的焊接倾角，h为搅拌针伸出轴肩面的长度。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
图1为一种变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法实施示意图，激光跟踪仪2的激光测量精度经过高度方向上的距离标定后，可实时测量焊接前进方向铝合金薄板的厚度，将测量数据反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统对测量数据进行实时处理分析，数控系统根据反馈的数据实时驱动焊接轴，实现对分体式搅拌工具的搅拌针3扎入深度的控制，进而实现对焊接深度的控制，实现变厚度铝合金薄板1的搅拌摩擦焊接。
较佳地，所述搅拌摩擦焊设备除了安装有常规的X轴、Y轴和Z轴之外，还安装有W轴，所述搅拌工具为分体式结构，包括轴肩4和搅拌针3，可实现相对轴向运动，其中Z轴能够驱动轴肩上下运动，W轴能够单独驱动搅拌针3上下运动。
较佳地，所述轴肩具有5°-10°的内凹面，焊接时搅拌针3长度能够在0mm-5mm区间内调整，其调整精度可达±0.001mm。
变厚度铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接方法的步骤如下：
在焊接开始前，先设定好搅拌工具主轴转速n、激光跟踪仪2的前置于搅拌工具的距离S、焊接速度v1，激光跟踪仪2开机后设置激光焦距并设置焊接起点。此时激光跟踪仪2测量的厚度反馈给搅拌摩擦焊设备的数控系统，数控系统驱动W轴，根据反馈的数据，实时控制搅拌针3伸出轴肩面4的长度h。
设置焊接导引段。由于激光跟踪仪2与搅拌工具有一定的距离S，当激光跟踪仪2开始工作时，测量点为焊接起始点，此时搅拌工具还未在该起始点处，设置焊接导引段为S，经过S/v1时长后，启动搅拌工具。
设置焊接起始段。当搅拌工具运动到焊接起始点时，使焊接前进方向暂停，开启搅拌工具主轴旋转，并设置Z轴向下运行速度为v2，通过位移控制Z轴向下运动距离，当搅拌针3扎入变厚度铝合金薄板1的深度为h+（0.1-0.2）mm时，停止向下运动，并停留一定时间S1，等待铝合金薄板材料达到塑性流动温度。
设置焊接段。在完成焊接导引段和焊接起始段的设置后，启动焊接程序，使搅拌工具在转速为n，焊接速度为v1条件下沿着X轴负方向运动。在焊接过程中，激光跟踪仪2会根据实时的测量厚度，实时将测量数据反馈给数控系统，数控系统在S/v1时长后实现对Z轴和W轴的驱动，从而实现对焊接深度的实时控制。在焊接过程中，若测量的铝合金薄板的厚度小于板厚的标准厚度，搅拌工具在S/v1后运动到该位置时实现W轴以一定速度向上回抽，Z轴以一定速度向下压入的动作，此动作直至搅拌工具轴肩4面低于铝合金薄板表面0.1mm-0.2mm时停止；若测量的铝合金薄板的厚度大于板厚的标准厚度，搅拌工具在运动到该位置时实现W轴以一定速度向下插入，Z轴以一定的速度向上抬起的动作，此动作直至搅拌工具轴肩4面低于铝合金薄板表面0.1mm-0.2mm时停止。在整个厚度测量及反馈的过程中，测试的数值是连续平缓过渡的，因此W轴驱动的搅拌针3和Z轴驱动的轴肩4的动作也是连续平缓过渡的，这样的连续平缓过渡可以实现整条焊缝的连续焊接。
设置焊接结束段。当激光跟踪仪2沿着X轴负方向移动到终点时，此时激光跟踪仪2测量厚度结束，但焊接长度还未结束，此时搅拌工具继续沿着焊接方向运行S/v1后结束焊接，并设置Z轴向上运行速度为v3，搅拌工具在Z轴的驱动下，沿着Z轴正方向向上提升一定距离h2（5mm）后主轴停机，结束整段焊接。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。