徐望輝，李 雙，譚錦紅，董春林，鄧 軍，趙運強

(廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東廣州 510651)

攪拌摩擦焊接裝備及其過程控制研究進展

徐望輝，李 雙，譚錦紅，董春林，鄧 軍，趙運強

(廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東廣州 510651)

綜述了攪拌摩擦焊接設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，系統(tǒng)分析了這些設(shè)備的特點，并對攪拌摩擦焊接中位移控制、壓力控制、焊縫跟蹤等過程控制技術(shù)進行了概述。分析表明：攪拌摩擦焊接裝備經(jīng)歷了銑床改裝攪拌摩擦焊接設(shè)備、攪拌摩擦焊接專機、攪拌摩擦焊接機器人的發(fā)展過程；攪拌摩擦焊接機器人憑借高度柔韌性、多種模式過程控制、高度智能化的優(yōu)勢，將被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)制造領(lǐng)域，成為近期的研究熱點；攪拌摩擦焊接過程控制技術(shù)目前主要側(cè)重于壓力監(jiān)控、位移控制和焊縫跟蹤，但是控制精度和穩(wěn)定性均無法滿足實際生產(chǎn)需求，因此高精度、高可靠性的多過程耦合控制技術(shù)是今后的重點研究內(nèi)容。

金屬材料其他學(xué)科；攪拌摩擦焊；焊接設(shè)備；過程控制；研究進展

攪拌摩擦焊(friction stir welding，簡稱FSW)，是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型、節(jié)能、環(huán)保、高效的固相連接技術(shù)[1-3]。該技術(shù)開發(fā)之初主要應(yīng)用于鋁合金、鎂合金等低熔點輕質(zhì)金屬材料的連接，以解決常規(guī)熔焊方法焊接該類材料時常出現(xiàn)的氣孔、接頭強度弱化、接頭質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。而隨著研究的深入和技術(shù)的成熟，攪拌摩擦焊已推廣應(yīng)用于一些高熔點、異種材料的連接，比如鈦合金、鋁合金與不銹鋼異種材料的連接[4-5]。由于攪拌摩擦焊接過程中母材溫度低于熔點，為固相連接，因此能夠得到無氣孔和裂紋缺陷的焊縫。同時，攪拌摩擦焊接還具有變形小、應(yīng)力小、強度弱化不明顯等諸多優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、船舶制造、汽車制造、核電能源、數(shù)碼產(chǎn)品等多個工業(yè)制造領(lǐng)域，圖1為經(jīng)攪拌摩擦焊焊接的火箭儲箱實物圖[6-11]。

圖1 攪拌摩擦焊火箭儲箱Fig.1 FSW rocket storage tank

攪拌摩擦焊需采用特制的攪拌頭，依靠攪拌針的高速旋轉(zhuǎn)促使母材被加熱、攪拌、擠壓，直至形成可靠連接并獲得攪拌摩擦焊接接頭。圖2為攪拌摩擦焊接過程原理示意圖。在焊接過程中，攪拌針在下壓力作用下進入母材內(nèi)部并高速旋轉(zhuǎn)，攪拌針與母材界面摩擦并生成大量熱量使母材軟化，軟化的母材在攪拌針的攪動作用下產(chǎn)生塑性流動而結(jié)合在一起。同時，與母材表面緊密接觸的軸肩也會因摩擦而產(chǎn)生大量熱量，其在焊接過程中還不斷地將母材金屬由攪拌頭的前方擠壓至后方形成焊縫。另外，軸肩還具有向下擠壓焊縫以保證焊縫表面光滑、避免焊縫不成形的作用。

圖2 攪拌摩擦焊接過程原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of welding process principle in FSW

從工藝過程可以看出，與傳統(tǒng)焊接方法相比，攪拌摩擦焊焊具(攪拌頭)與母材是直接接觸的，需要克服很大阻力，這就對設(shè)備的剛度、負載、精度、控制系統(tǒng)等方面都提出了更高的要求，由此造成攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜。隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的大型、三維的曲面結(jié)構(gòu)需要采用攪拌摩擦焊接技術(shù)進行焊接，因此開發(fā)高精度、高柔性、大負載的攪拌摩擦焊接設(shè)備，對于推廣應(yīng)用攪拌摩擦焊接技術(shù)、提升國內(nèi)制造業(yè)技術(shù)水平均具有重要的意義。

1 攪拌摩擦焊接裝備特點及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 攪拌摩擦焊接裝備特點

攪拌摩擦焊的工藝特性決定了攪拌摩擦焊接設(shè)備負載大、剛度高、精度高、自動化程度高的特點。攪拌摩擦焊接裝備一般由硬件部分和控制系統(tǒng)組成，其中硬件部分包括機械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)[1]。

由圖2可知，焊接過程中攪拌頭會受到軸向力Fz、側(cè)向力Fx、前進力Fy、扭矩Mz的作用。其中，軸向力和扭矩負載較大，且受力隨著板厚及材料的不同而發(fā)生變化[12-14]。因此，為了保證焊接過程的正常實施，攪拌摩擦焊接設(shè)備應(yīng)當具有較大的負載能力。同時，為了保證大負載下機械結(jié)構(gòu)不發(fā)生彎曲變形，要求焊接設(shè)備具有很高的剛度及精度。此外，在攪拌摩擦焊接過程中，需要將攪拌針壓入母材內(nèi)部，而肉眼無法直接觀察焊接區(qū)域的變化，亦無法直接確定壓入深度、壓力大小等過程參數(shù)，只能通過位移傳感、壓力傳感、溫度傳感等技術(shù)將其可視化，結(jié)合相應(yīng)的控制方法實現(xiàn)焊接過程的控制，故需要攪拌摩擦焊接設(shè)備具有一定的智能控制功能和較高的自動化程度。

由于產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域、尺寸、結(jié)構(gòu)形狀、材料等差異較大，對攪拌摩擦焊接設(shè)備的性能要求也參差不齊?？傮w而言，攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若不加甄別地增加設(shè)備的負載能力、剛度和精度，會造成設(shè)備體積龐大，成本過高，體現(xiàn)不出攪拌摩擦焊接技術(shù)的成本優(yōu)勢。因此，需要根據(jù)加工件的尺寸、結(jié)構(gòu)形狀、材料等來配備合適的攪拌摩擦焊機。

1.2 攪拌摩擦焊接裝備發(fā)展現(xiàn)狀

僅僅20余年，對攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究已涉及到焊接工藝、接頭性能、過程模擬、設(shè)備研制等多個方面。此前對于焊接設(shè)備的研究更多集中在攪拌頭的優(yōu)化設(shè)計，近幾年則開始對攪拌摩擦焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計[15]、數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)[16]廣泛關(guān)注。目前使用的攪拌摩擦焊接設(shè)備主要包括傳統(tǒng)攪拌摩擦焊機、攪拌摩擦焊接專機和攪拌摩擦焊接機器人3種類型。

攪拌摩擦焊接技術(shù)的提出是從機加工原理獲得的靈感，因此早期的攪拌摩擦焊機都是由銑床等機械加工設(shè)備改裝而成[17-19]。圖3為典型的傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接設(shè)備[1,20]。

圖3 銑床改裝的攪拌摩擦焊機Fig.3 Friction stir welding machine adapted from milling machine

這些加工設(shè)備一般具有一定的負載能力，同時具備二維、三維加工能力，能夠滿足低強度、薄板材料的攪拌摩擦焊接。然而，攪拌摩擦焊接過程中所需的載荷要大于磨削、銑削過程[21]，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接設(shè)備都存在載荷能力不高的問題，其最高只能提供20 kN的載荷，鋁合金材料可焊板厚的上限為15 mm[22]。因此，為了提高設(shè)備的負載能力、剛度，還需要對攪拌摩擦焊接設(shè)備的結(jié)構(gòu)、過程控制進行優(yōu)化設(shè)計[23-24]。

攪拌摩擦焊接專機是為攪拌摩擦焊接過程專門設(shè)計的，在負載能力、結(jié)構(gòu)剛度、控制精度上都有很大提升。英國焊接研究所、北京625所、ESAB(ESAB Welding and Cutting Products Company Limited)和HITACHILID(Hitachi Company Limited)等科研單位和公司均已開發(fā)出了攪拌摩擦焊接專機產(chǎn)品，如圖4所示。為了進一步提高設(shè)備的剛度和精度，簡化結(jié)構(gòu)，OKAWA等[15]和SHI等[25]設(shè)計了五軸聯(lián)動三維龍門式攪拌摩擦焊接專機，可以實現(xiàn)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的高精度、高質(zhì)量攪拌摩擦焊接。國內(nèi)學(xué)者對攪拌摩擦焊接機床3-PRS并聯(lián)加工頭進行了優(yōu)化設(shè)計，并分析了結(jié)構(gòu)的剛度和精度[23,26]。由于該類設(shè)備一般具有很好的柔性加工能力，通過五軸聯(lián)動可以實現(xiàn)復(fù)雜三維曲面結(jié)構(gòu)的加工，可焊板厚和材料范圍大，一般應(yīng)用于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接[9]，但是也存在一次投入過大、生產(chǎn)周期長、體積龐大等不足之處。雖然已有學(xué)者開始研究小型化、手持式的攪拌摩擦焊機[27-29]，但是到目前為止還處于試驗階段，未見成熟產(chǎn)品的報道。

圖4 攪拌摩擦焊接專機Fig.4 Friction stir welding machine

工業(yè)機器人具有非常高的柔韌性，可以實現(xiàn)空間任意軌跡的加工，這正是其他2種攪拌摩擦焊接設(shè)備所欠缺的，機器人攪拌摩擦焊接技術(shù)與裝備已成為焊接領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。如前所述，攪拌摩擦焊接過程中載荷較大，這也是阻礙機器人在攪拌摩擦焊中應(yīng)用的原因所在。而隨著ABB，KUKA，F(xiàn)ANUC等公司重載機器人的相繼開發(fā)，工業(yè)機器人已經(jīng)開始應(yīng)用于復(fù)雜三維曲面結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接。目前攪拌摩擦焊接機器人主要有2種類型：串聯(lián)關(guān)節(jié)型機器人和并聯(lián)結(jié)構(gòu)機器人，如圖5和圖6所示[30]。美國FSL公司基于ABB機器人開發(fā)了同時集成壓力控制、扭矩控制、位移控制和溫度控制模塊的攪拌摩擦焊接機器人系統(tǒng)，并根據(jù)攪拌摩擦焊工藝開發(fā)了人性化界面[31]。德國IGM公司和日本川崎重工也相繼開發(fā)了分別基于KUKA機器人和FANUC機器人系統(tǒng)的攪拌摩擦焊接機器人設(shè)備。中航工業(yè)北京航空制造工程研究所于2013年首次從國外引進了一臺重載機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)，開始從事攪拌摩擦焊接機器人設(shè)備的探索性研究[11,32-34]。

基于串聯(lián)式機器人承載能力有限、剛度不足的問題，研究人員開發(fā)了并聯(lián)結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接機器人[35]。該類型的設(shè)備無論在承載能力上還是在結(jié)構(gòu)剛度上均要優(yōu)于串聯(lián)式攪拌摩擦焊接機器人，即使是高熔點薄板材料的焊接，該類型的設(shè)備也能滿足要求[25]。

圖5 串聯(lián)關(guān)節(jié)型攪拌摩擦焊接機器人Fig.5 Joint type friction stir welding robot in series

圖6 并聯(lián)結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接機器人Fig.6 Friction stir welding robot with parallel structure

SORON等[36]依據(jù)IRB 7600-500型機器人開發(fā)了攪拌摩擦焊接機器人設(shè)備，該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)3 mm厚、6系鋁合金材料、三維曲面結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接。該研究采用縮短工作臂的方式增加了機器人本身的剛度，解決了機器人TCP漂移問題，利用位移-壓力耦合調(diào)節(jié)方法，較好地實現(xiàn)了恒壓控制。FEHRENBACHER等[37]針對機器人攪拌摩擦焊中容易出現(xiàn)的軸向力過大和熱輸入不穩(wěn)定問題，采用無線傳輸?shù)臏囟群土W(xué)傳感采集技術(shù)，對溫度和力進行了綜合控制。攪拌摩擦焊接機器人相對于其他機器人焊接設(shè)備具有一定的特殊性，因此在設(shè)計系統(tǒng)時需要特別關(guān)注攪拌摩擦焊接工藝過程，YAVUZ[38]根據(jù)這一要求，提出了面向使用功能的攪拌摩擦焊接機器人設(shè)計理念，并開發(fā)了包含壓力控制、位移控制等技術(shù)的攪拌摩擦焊接機器人系統(tǒng)。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所(簡稱沈陽自動化研究所)研制的攪拌摩擦焊接機器人為例，通過數(shù)值模擬的方法，對不同工況下的攪拌摩擦焊接過程受力進行了分析，計算了攪拌頭以及機器人本身的受載情況，證實了設(shè)備的可靠性[39]。

2 攪拌摩擦焊接過程控制研究

攪拌摩擦焊接過程中的焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度、下壓量、軸向壓力、扭矩等均會對焊接過程產(chǎn)生影響，進而影響焊接質(zhì)量，比如攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭受力較大，易造成焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致焊接位置出現(xiàn)偏差，因此需要對焊接過程進行控制。而機器人剛度不足，機器人攪拌摩擦焊接的過程控制顯得尤為重要。

2.1 壓力控制

力學(xué)參數(shù)的控制在攪拌摩擦焊接技術(shù)中非常重要，而攪拌頭壓入量、旋轉(zhuǎn)速度、前進速度等均會對軸向壓力產(chǎn)生重要影響[13,18，40-42]。壓入量越大，攪拌頭與母材的接觸面積越大，軸向阻力也就越大。ZHAO等[35]研究結(jié)果也證明了這一結(jié)論。目前有一個經(jīng)驗公式來描述壓入量和軸向力的關(guān)系，即Fz=0.204d1.8，其中d為攪拌針直徑[43]。而旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度均會影響母材的熱入量，旋轉(zhuǎn)速度越大或者焊接速度越慢，單位長度上的產(chǎn)熱越小，母材硬度越低，阻礙母材變形的阻力變小，因此軸向力越小。因此，目前一般通過調(diào)整壓入量、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度等變量來控制軸向力大小[10,42]。將攪拌頭軸向力控制在一定范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)因壓力過大而結(jié)構(gòu)失效變形的情況，因此攪拌摩擦焊接機器人設(shè)備中均配備該類控制。該控制方法也比較適合表面不平整、三維曲面結(jié)構(gòu)的焊接[44]。圖7為受力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其中Fe為受力反饋值，F(xiàn)d為設(shè)定的受力值，通過運動控制調(diào)整壓入量、旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度[24]。

圖7 受力控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of force control system

LONGHURST等[42]采用PID算法，以壓入量作為調(diào)整變量，開發(fā)了受力控制系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)采用軸向力控制方法可以獲得良好的焊縫成形，能夠有效抑制成形缺陷。但是3種控制方式中，以壓入量為調(diào)節(jié)參量的控制精度較差，存在調(diào)節(jié)失效的可能性，但能夠補償工件或者設(shè)備產(chǎn)生的位置誤差；以旋轉(zhuǎn)速度為調(diào)節(jié)參量的控制方式得到接頭拉伸強度最高；而以焊接速度為調(diào)節(jié)參量的控制方式各項指標均處于中間狀態(tài)[21]。

扭矩控制具有成本低、穩(wěn)定性高和適用溫度范圍廣的優(yōu)勢，可作為壓力控制的一種替代方法。一般認為扭矩與切變流應(yīng)力、攪拌頭尺寸有關(guān)[18,45]，但是攪拌摩擦焊接參數(shù)也會對扭矩產(chǎn)生影響，如文獻認為扭矩與壓入深度存在一定的函數(shù)關(guān)系。因此以壓入量作為調(diào)整參數(shù)實現(xiàn)扭矩控制是可以實現(xiàn)的。

2.2 位移控制

位移控制是為了獲得合理的下壓量。由于軸向壓力對于下壓量的變化十分敏感，下壓量稍微增大則有可能造成軸向壓力的巨大變化。因此這種控制方法一般應(yīng)用于剛度較大的焊接設(shè)備中，比如龍門式攪拌摩擦焊接專機，且工件需要平整地固定于工具臺上。文獻[46]分析了壓入速度和壓入深度對軸向壓力的影響，結(jié)果表明壓入速度越大，軸向壓力峰值越大。采用位移控制時，隨著下壓量增大，控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，且容易出現(xiàn)焊接缺陷。

2.3 焊縫跟蹤

離線路徑規(guī)劃技術(shù)雖然可以實現(xiàn)復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)焊接，但是工件焊接變形或設(shè)備剛性不足時容易出現(xiàn)偏離規(guī)劃路徑的問題，因此，在攪拌摩擦焊接中對焊縫偏差進行跟蹤與補償是必不可少的。激光傳感和視覺傳感技術(shù)是常用的焊縫跟蹤手段，而攪拌摩擦焊壓力傳感技術(shù)也可以用來獲取焊縫偏差量，進而實現(xiàn)偏差補償。

GUILLO等[47]根據(jù)采集軸向壓力數(shù)據(jù)，計算出位移偏差，進而實現(xiàn)偏差在線補償。沈陽自動化研究所利用接觸式側(cè)頭進行焊縫曲面測量，進而擬合得到焊縫曲線，并估計其曲面空間法矢，進而實現(xiàn)三維空間曲面的攪拌摩擦焊接[48]。相對于視覺方式，該方法對材料的反光性及表面性能要求低，較穩(wěn)定可靠，但是需要離線試教。攪拌頭處于焊縫不同位置時的軸向壓力值也不一樣，F(xiàn)LEMING等[49-50]根據(jù)這一原理，增加攪拌頭橫向擺動，通過提取軸向壓力信號，實現(xiàn)搭接或者T型接頭的焊縫跟蹤。試驗結(jié)果表明這種來回擺動的攪拌摩擦焊方法不但能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫跟蹤，還可以獲得更為優(yōu)異的焊縫質(zhì)量。

3 結(jié) 論

1)攪拌摩擦焊接裝備經(jīng)歷了由傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接設(shè)備、攪拌摩擦焊接專機到攪拌摩擦焊接機器人3個發(fā)展階段，這3類設(shè)備各具特點。實際工程中需根據(jù)應(yīng)用場合的需要合理地選配不同類型的攪拌摩擦焊接設(shè)備。

2)焊接過程的柔性化、自動化、智能化已成為先進焊接裝備的重要發(fā)展趨勢，攪拌摩擦焊接機器人已經(jīng)成為近年來的研究熱點，并將憑借高度柔韌性、多種模式過程控制、高度智能化等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于多種工業(yè)制造領(lǐng)域。

3)攪拌摩擦焊接的過程控制技術(shù)已經(jīng)取得了一定的研究進展。目前該研究主要側(cè)重于軸向壓力控制、位移控制和焊縫跟蹤，其中壓力控制是研究熱點?，F(xiàn)有控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度均不高，并且更多地采用單輸出的模式，而對多個參量進行綜合控制的研究較少。今后，應(yīng)采取多種控制方法實現(xiàn)多個參數(shù)的綜合控制，來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

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Research progress of friction stir welding equipment and the process control

XU Wanghui, LI Shuang, TAN Jinhong, DONG Chunlin, DENG Jun, ZHAO Yunqiang

(Guangdong Welding Institute (China-Ukaine E.O. Paton Institute of Welding), Guangzhou, Guangdong 510651, China)

The development status of friction stir welding equipments is summarized, the characteristics are systematically described, and the process control techniques, such as position control, force control and seam track, are reviewed. The analysis shows that the friction stir welding equipments have undergone the development of modified milling machine, friction stir welding machine and friction stir welding robot. The friction stir welding robot will be applied to various manufacture fields due to the advantages of being highly flexible, multi-mode process controllable, highly intelligent, which is also a research hotspot in recent years. Friction stir welding process control technology is mainly focused on pressure monitoring, displacement control and seam tracking, but the control precision and stability cannot meet the actual production needs. Therefore, multi-process coupling control technology with high precision and high reliability is the key research content in the future.

metallic materials and other discipline; friction stir welding; welding equipment; process control; research progress

1008-1534(2017)04-0287-07

2016-11-18;

2017-04-27；責(zé)任編輯：王海云

廣東省應(yīng)用型科技研發(fā)專項(2015B090822011)；廣東省科學(xué)院項目(2017GDASCX-0113，2017GDASCX-0847)

徐望輝(1986—)，男，湖南耒陽人，工程師，博士，主要從事先進焊接技術(shù)方面的研究。

E-mail:xuwanghui@126.com

TG439.8

A

10.7535/hbgykj.2017yx04010

徐望輝，李 雙，譚錦紅，等.攪拌摩擦焊接裝備及其過程控制研究進展[J].河北工業(yè)科技,2017,34(4):287-293. XU Wanghui, LI Shuang, TAN Jinhong, et al.Research progress of friction stir welding equipment and the process control[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2017,34(4):287-293.