一种用于挤压成型的高频焊接模拟实验装置及方法

本发明涉及高频挤压焊接，具体而言，尤其涉及一种用于挤压成型的高频焊接模拟实验装置及方法。

背景技术：

1、高频挤压焊接具有速度快、热影响区小、焊缝强度高等优点，被广泛应用于各种金属焊接领域，包括用于汽车、油井管、飞机和船舶等行业。

2、高频挤压焊接是一个涉及温度场、电磁场、速度场和应力场相互耦合的过程，焊接工艺参数不易控制，温度升高迅速，容易产生极大的温度梯度，冷却降温后产生较大的残余应力，并且焊接过程中的焊接温度过高会导致金属组织氧化过烧，焊接温度不足则会造成冷焊。

3、在实际生产中，通常为高速连续生产，快速且调整合适的工艺参数费时费力，成本极高，并且缺少温度场数据作为参数调整依据，容易因温度分布不均匀导致焊缝质量不达标。

4、现有技术在温度采集时，存在隐秘位置温度难以测量，无法判断温度分布是否达到焊接要求的技术难题，因此，有必要提供一种模拟实验装置及方法，用于解决上述问题。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种用于挤压成型的高频焊接实验的装置及方法，通过图像采集装置采集图像信息后控制夹紧装置对板坯位置进行自动调整，并采用测温仪与图像采集装置，可获取板坯感应加热温度场分布，提出了难测温点的温度估算方法，解决了难测温点的温度不易测量的问题，快速灵活地对焊接工艺参数进行调整，防止出现冷焊或过烧现象。

2、本发明采用的技术手段如下：

3、一种用于挤压成型的高频焊接模拟实验装置，包括：

4、挤压装置，用于为板坯挤压成型过程提供挤压力，包括第一电机、减速器和双向丝杆导轨机构；所述第一电机与所述减速器输入端连接，所述减速器输出端与所述双向丝杆导轨机构输入端连接；

5、夹紧装置，用于夹紧板坯，使板坯在焊接过程中保持稳定，包括对称安装在所述双向丝杆导轨机构上的第一夹紧台和第二夹紧台，以及固定在所述双向丝杆导轨机构中间位置的固定台，所述夹紧台上设有水平夹紧机构和垂直夹紧机构，所述固定台上设有焊接端夹紧机构；

6、所述双向丝杆导轨机构带动所述第一夹紧台和所述第二夹紧台沿y轴方向同时相向或相反方向移动，完成挤压成型的高频焊接。

7、进一步地，所述第一夹紧台的上、下板各安装一个所述垂直夹紧机构，所述第一夹紧台的俩侧板各安装一个所述水平夹紧机构，所述垂直夹紧机构和所述水平夹紧机构在所述第二夹紧台和所述第一夹紧台上安装位置相同，所述固定台的两侧板各对称安装两个所述焊接端夹紧机构；所述第一夹紧台和所述第二夹紧台上还分别安装有定位挡板。

8、进一步地，所述垂直夹紧机构包括固定板ⅰ、液压缸ⅰ、推杆ⅰ和夹紧板，所述液压缸ⅰ一端安装在所述固定板ⅰ上，另一端与所述推杆ⅰ滑动连接，所述夹紧板与所述推杆ⅰ的伸缩端连接；所述水平夹紧机构与所述垂直夹紧机构结构相同；

9、所述焊接端夹紧机构包括固定板ⅱ、液压缸ⅱ、推杆ⅱ、圆柱滚轮架、多个圆柱滚轮，所述液压缸ⅱ一端安装在所述固定板ⅱ上，另一端与所述推杆ⅱ滑动连接，所述圆柱滚轮架与所述推杆ⅱ的伸缩端连接，所述圆柱滚轮为多个，通过轴承排列安装在所述圆柱滚轮架上，所述圆柱滚轮可绕轴线转动。

10、进一步地，还包括移动装置，通过滑台安装在所述挤压装置下方，用于实现所述挤压装置和所述夹紧装置的整体移动，包括第二电机、单向丝杆导轨机构、滑台，所述滑台安装在所述第一丝杆导轨机构上，所述第二电机输出端与单向丝杆导轨机构输入端连接。

11、进一步地，还包括图像采集装置、测温仪、加热线圈和总控台，所述图像采集装置对称安装在所述固定台底板上，所述图像采集装置前端可以上下左右摆动，所述测温仪安装在所述图像采集装置上，用于采集所述板坯对接处温度，所述板坯穿过所述加热线圈，所述总控台与所述第一电机、第二电机、所述垂直/水平夹紧机构的液压缸ⅰ、所述焊接端夹紧机构的液压缸ⅱ、测温仪、图像采集装置无线连接。

12、进一步地，所述圆柱滚轮表面有隔热涂层。

13、进一步地，所述加热线圈底部设置有陶瓷隔热层，防止融化金属液滴落损坏所述加热线圈。

14、本发明还公开了一种用于挤压成型的高频焊接模拟实验方法，采用上述的模拟实验装置，包括如下步骤：

15、s1、夹紧板坯：向总控台输入板坯尺寸，总控台控制每个水平夹紧机构和垂直夹紧机构将两个板坯进行夹紧，板坯一端与定位挡板接触；

16、s2、调整板坯位置：总控台通过图像采集装置采集的板坯待焊接端面图像信息和板坯与加热线圈相对位置图像信息，判断并调整板坯位置；

17、s3、采集板坯加热阶段温度场分布：加热线圈加热板坯，采集板坯加热阶段温度场分布；具体地，加热线圈通入电流大小为i，电流频率为f的高频电流，对板坯对接处进行加热，测温仪采集板坯在感应加热阶段温度场分布，设板坯居里温度为ta，最低焊接温度tb，最高焊接温度tc，设加热t1秒待焊接端面各顶点合理温度区间(ta，tb)，设高于最低焊接温度tb的区域为基本焊接区域，采集各时刻板坯侧面基本焊接区域中线处宽度为b，设定最小焊接宽度为b0，待焊接端面各顶点温度为t1、t2、t3、t4，待焊接端面两侧边中点温度为t5、t6，待焊接端面中心温度t0，计算各顶点温度平均值为计算两侧边中点温度平均值为

18、s4、估算待焊接端面中心温度：根据有限元仿真模拟温度场估算板坯待焊接端面各时刻待焊接端面中心温度t0，设有限元仿真模拟温度场各时刻待焊接端面中心温度为t0’，待焊接端面两侧边中点温度为t5’、t6’，两侧边中点温度平均值为根据关系式估算出各时刻待焊接端面中心温度t0；

19、s5、板坯温度场可焊接性判定；为了同时保证温度场均匀性和加热效率，将加热t1秒时的值与设定合理温度区间(ta，tb)进行比较，当时，增大电流i；当电流i保持不变；当时，减小电流i；

20、继续加热；

21、当时，将基本焊接区域中线处宽度为b与最小焊接宽度为b0进行比较，待焊接端面中心温度t0与最低焊接温度tb进行比较，当t0<tb，b<b0，减小板坯焊缝间隙d；当t0≥tb，b<b0，减小电流频率f；当t0≥tb，b≥b0，开始挤压；

22、当时，增大板坯焊缝间隙d，设经过t2秒，温度上升最小值为△tmin，温升变化当时，继续增大板坯焊缝间隙d，当时，可以认为温度不再上升，加热线圈不再对板坯对接处进行加热，由于热传导，温度逐渐降低至tc下；

23、s6、挤压装置挤压板坯：总控台控制挤压装置对板坯进行进行挤压，达到设定的挤压量值时停止挤压，总控台记录并输出各时刻电流频率f、电流大小i、焊缝间隙d等焊接工艺参数以及温度场数据。

24、进一步地，所述步骤s2中，首先判断两个板坯待焊接端面是否对齐，若没有对齐，则总控台继续控制每个水平夹紧机构和垂直夹紧机构调整两个板坯在x、z方向的相对位置，使待焊接端面对齐；若对齐，则再判断板坯到加热线圈内侧垂直距离l1和l2是否相等，若不相等，则控制每个水平夹紧机构调整两个板坯在x方向上的位置，使l1＝l2；判断板坯焊接端面到加热线圈两端面距离l3和l4是否相等，若不相等，则控制移动装置的第二电机，调整两个板坯y方向上的位置，使l3＝l4；总控台控制挤压装置的第一电机，驱动第一夹紧台和第二夹紧台运动使板坯焊缝间隙为d，位置调整完毕后，每个焊接端夹紧机构的圆柱滚轮与板坯接触。

25、进一步地，所述步骤s2中调整板坯在x方向上的位置时，垂直夹紧机构与板坯分离；调整板坯在z方向上的位置时，水平夹紧机构与板坯分离。

26、较现有技术相比，本发明具有以下优点：

27、本发明可对焊接工艺参数进行灵活调整，通过图像采集装置采集板坯及加热线圈图像，总控台分析图像信息后控制夹紧装置对板坯位置进行自动调整，可实现板坯在x、y、z方向的移动，并且在挤压过程中焊接端夹紧机构可以保证板坯的稳定。

28、本发明通过测温仪与图像采集装置，可获取板坯感应加热温度场分布，调整感应加热线圈的电流大小，使板坯温升速率达到合理范围，同时保证温度场均匀性和加热效率；当局部温度达到过烧温度时，增大焊缝间隙，使板坯离开加热线圈，高温区域热量主要通过热传导向内部传热，使温度分布更加均匀，防止出现冷焊或过烧现象。

29、本发明通过采集装置采集的温度场与有限元模拟仿真温度场进行比较，提出了难测温点的温度估算方法，解决了难测温点的温度不易测量的问题。

30、本发明可输出加热过程中的电流大小、电流频率、焊缝间隙等工艺参数以及温度场数据，为现场生产工艺参数优化提供的依据。

31、综上，本发明提出了难测温点的温度估算方法，解决了难测温点的温度不易测量的问题；调整工艺参数使得温度场分布更加均匀，防止出现冷焊或过烧现象，为现场生产工艺参数优化提供的依据，可实现工艺参数灵活调整，具有实验效率高，成本低等优点。

32、基于上述理由本发明可在高频挤压焊接领域广泛推广。