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（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050001；2.北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心，北京100024）

0 前言

全球變暖和能源枯竭對工業(yè)產(chǎn)品提出更高的要求，采用輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料，制造技術(shù)朝著整體結(jié)構(gòu)輕量化、長壽命、短周期、低成本及綠色先進(jìn)制造技術(shù)方向發(fā)展。鋁合金具有質(zhì)量輕、比強度高、抗腐蝕性好、加工成形好、回收再生性好等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域。航空航天中鋁合金的連接方式主要是電阻點焊和鉚接，由于鋁及鋁合金的特性，電阻點焊需要的能量大、焊點損耗大、工件變形大、工作環(huán)境差，而鉚接消耗大量材料的同時結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加、工作量大、噪聲和污染問題嚴(yán)重[1-2]，制約了鋁及鋁合金的應(yīng)用。

攪拌摩擦點焊（FSSW）是根據(jù)攪拌摩擦焊原理設(shè)計的一種新型點焊方法，系統(tǒng)采用回填式攪拌裝置，攪拌頭較為復(fù)雜，由套筒、攪拌針和軸套（肩）三部分組成，其焊接過程如圖1所示。焊接時首先套筒與工件緊密結(jié)合，以防止焊點金屬溢出，同時，軸套與攪拌針同時旋轉(zhuǎn)并向下運動，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置后，軸套繼續(xù)向下運動，攪拌針開始上移，當(dāng)軸套運動到設(shè)定深度時，軸套開始上移，而攪拌針開始向下移動，將軸套內(nèi)的金屬回填至焊點中，當(dāng)二者到達(dá)被焊件表面時，解除套筒的下壓力，攪拌頭整體提升，形成焊點。軸套和攪拌針的相對運動使得攪拌摩擦點焊的焊點表面成形美觀、無退出孔，焊點具有較強的機械性能和抗腐蝕性[3-4]。

圖1 攪拌摩擦點焊焊接過程示意Fig.1 Schematic diagram of friction stir welding

傳統(tǒng)龍門式攪拌摩擦焊對點焊設(shè)備要求相對較高，且焊接設(shè)備較復(fù)雜，焊接位置具有局限性，焊接通用性較差，焊接工件結(jié)構(gòu)單一，對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求高的工件，焊接過程中容易產(chǎn)生偏差，焊點成形效果差，導(dǎo)致工件的機械性能下降，從而影響攪拌摩擦點焊工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

機器人焊接是焊接發(fā)展的重要方向之一，機器人具有靈活性好、精度高、柔性好等優(yōu)點，并且可減小惡劣環(huán)境對焊接工人的傷害[5-7]。本研究的主要任務(wù)是設(shè)計一套機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)，將焊接機器人與攪拌摩擦點焊相結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢，實現(xiàn)復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦點焊。

1 機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)設(shè)計

1.1 機器人攪拌摩擦點焊結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了提高焊接過程的靈活性和系統(tǒng)的可達(dá)性，選用工作半徑較大的6自由度機器人。由于攪拌摩擦點焊需要極高的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對機器人提出了較高的要求，因此選用抓重力較大的機器人以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用KUKA KR500型6自由度機器人，其重復(fù)定位精度為±0.08mm，負(fù)載能力500kg，工作半徑約為2.83 mm。攪拌點焊裝置Z方向增加TOX氣液增壓缸驅(qū)動，以保證焊接過程中具有較高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和安全性。機器人優(yōu)越的靈活性也使得焊接過程的操作更加簡單化。

傳統(tǒng)龍門式攪拌摩擦點焊是固定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較強，但是其焊接位置具有局限性。機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)將攪拌頭裝置與機器人相結(jié)合，如圖2所示，用焊接機器人取代操作龍門式機床，通過選取剛性較好的結(jié)構(gòu)型鋼架裝卡攪拌設(shè)備來保證焊接的穩(wěn)定性以及提供攪拌摩擦點焊設(shè)備下壓時所需的強度（10～20 kN）。將攪拌裝置設(shè)計安裝在機器人的第6軸上，選用數(shù)控系統(tǒng)（華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-210BM）與KUKA機器人控制系統(tǒng)協(xié)同控制，使其可進(jìn)行多方向以及多種角度的自動焊接。

圖2 機器人攪拌摩擦點焊結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of friction stir spot welding robot system

機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)與龍門式攪拌摩擦點焊系統(tǒng)性能對比如表1所示。機器人攪拌摩擦點焊的復(fù)雜構(gòu)件與龍門式點焊試件表面均無明顯缺陷，其力學(xué)性能基本持平。運用機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)焊接復(fù)雜構(gòu)件如圖3所示，工件中有凹槽，且焊點位置較深，傳統(tǒng)的龍門式攪拌摩擦點焊系統(tǒng)無法焊接全部焊點。焊接機器人手臂的延展性和靈活性使得攪拌裝置能夠無阻礙地進(jìn)行焊接，不僅節(jié)省加工時間，降低了成本，還提高了焊接復(fù)雜構(gòu)件的成形效果。

表1 攪拌摩擦點焊焊接設(shè)備特點Table 1 Characteristics of friction stir welding equipment

1.2 攪拌摩擦點焊裝置設(shè)計

攪拌摩擦點焊裝置是機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，其主要性能指標(biāo)是結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、控制精度高，其性能優(yōu)劣影響焊點質(zhì)量。

圖3 攪拌摩擦點焊復(fù)雜試件Fig.3 Friction stir spot welding of complex parts

攪拌摩擦點焊驅(qū)動裝置主要包含W1軸（軸肩）電機、W2軸（攪拌針）電機、Z軸電機和主軸電機、數(shù)控系統(tǒng)、PC機及接口卡等，如圖4所示。W1、W2軸設(shè)計采用蝸輪蝸桿的傳動方式實現(xiàn)軸肩、攪拌針上下運動，Z軸設(shè)計采用滾珠絲桿方式實現(xiàn)C型槽Z向運動，通過壓力裝置實現(xiàn)焊接過程中對焊點所需壓緊力的調(diào)控。通過Z向伺服電機驅(qū)動使點焊攪拌頭裝置向零件運動并壓緊零件，壓力傳感器可根據(jù)預(yù)設(shè)壓力值實現(xiàn)對零件的壓緊，保證焊接過程的穩(wěn)定性。為了保證點焊攪拌頭裝置Z向的移動空間，設(shè)計安裝法蘭和支架實現(xiàn)機器人的側(cè)向安裝，提高系統(tǒng)的靈活性。

頂端設(shè)計主軸電機來實現(xiàn)軸肩與攪拌針的旋轉(zhuǎn)運動?？紤]到點焊設(shè)備所需的焊接支撐面較小，在無需提供較大工裝支撐的情況下，設(shè)計增加C型槽，以減少裝卡的復(fù)雜性，減小點焊裝置對機器人的負(fù)重。針對剛度較大的焊接結(jié)構(gòu)件，可以去除C型槽，實現(xiàn)無背部支撐的攪拌摩擦點焊。攪拌頭結(jié)構(gòu)見圖5。

圖4 攪拌頭裝置示意Fig.4 Schematic diagram of the stirring device

1.3 機器人攪拌摩擦點焊控制系統(tǒng)設(shè)計

機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)與傳統(tǒng)龍門式攪拌摩擦點焊系統(tǒng)相比，其控制參數(shù)多，控制系統(tǒng)相對復(fù)雜。為了實現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制和良好的交互功能,攪拌摩擦點焊控制系統(tǒng)選取華中數(shù)控HNC-818B，機器人控制系統(tǒng)選取KUKA KR500機器人控制系統(tǒng)。

攪拌摩擦點焊裝置的控制系統(tǒng)通過PC機來實現(xiàn)開放式的人機控制，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核控制功能由CNC（Computer number control）完成，控制核心功能主要由運動控制卡來實現(xiàn)，運動控制卡根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)對各軸進(jìn)行控制，機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。焊接前首先通過人機交互控制界面預(yù)置焊件的下壓力和所需焊接參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、下扎深度等）。機器人到達(dá)待焊工件的焊接位置后，將信號傳送到操作面板進(jìn)行攪拌摩擦點焊，焊接過程中壓力裝置測定焊接過程的壓力以及同時實時反饋攪拌摩擦點焊裝置各軸的運動位置并在PC和數(shù)控面板上顯示。焊接結(jié)束時，攪拌摩擦點焊裝置將焊接結(jié)束的信號反饋給機器人，機器人回到控制系統(tǒng)程序設(shè)定的指定位置，完成焊接任務(wù)。本系統(tǒng)將機器人控制系統(tǒng)與攪拌摩擦點焊系統(tǒng)相結(jié)合，實現(xiàn)無間斷循環(huán)焊接。

圖5 攪拌頭裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the stirring device

圖6 機器人攪拌摩擦焊接點焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of friction stir welding spot welding system

通過機器人與控制操作面板的通信和控制，從而實現(xiàn)攪拌摩擦點焊裝置與機器人協(xié)同的工作模式，系統(tǒng)傳輸示意如圖7所示。機器人攪拌摩擦點焊控制系統(tǒng)由CNC系統(tǒng)控制步進(jìn)電機驅(qū)動齒輪傳動傳遞給滾珠絲杠（滾珠絲杠的末端裝有點焊工具和C型壓緊裝置）從而實現(xiàn)精確控制，控制精度達(dá)到0.001 mm?？刂葡到y(tǒng)良好的交互功能主要表現(xiàn)在系統(tǒng)完全漢化，選用CNC數(shù)控加工語言進(jìn)行編程控制（G代碼），便于學(xué)習(xí)和操作。同時系統(tǒng)能夠顯示焊接所在位置及焊接壓力，兼具可以訪問歷史數(shù)據(jù)，以便以后檢查、維護(hù)以及功能的可擴展性。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意Fig.7 Structure diagram of data transmission system

2 點焊試樣力學(xué)性能

2.1 工藝參數(shù)對焊接性能的影響

機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)設(shè)計完成后對其功能進(jìn)行實驗分析，采用1.5 mm厚鋁合金，焊接參數(shù)如表2所示。焊點表面和焊點截面宏觀狀態(tài)如圖8所示，焊點表面光滑，無飛邊、凹陷等缺陷。由圖8可知，攪拌過程中對焊縫金屬進(jìn)行了充分的回填，兩個試板結(jié)合充分，表面成形效果良好。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

不同轉(zhuǎn)速下剪切力變化曲線如圖9所示。在焊接時間5s、下扎深度1.8mm、下壓量0.2mm時，攪拌針的轉(zhuǎn)速對焊點的剪切力影響較大；當(dāng)攪拌針轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時焊點的剪切力達(dá)到最大值8.74 kN時，原因是低轉(zhuǎn)速時攪拌針對工件的熱輸入量隨其轉(zhuǎn)速增加而增大，在1 500 r/min時焊縫金屬充分達(dá)到熱塑性狀態(tài)，焊點能夠充分結(jié)合，由于溫度升高，鋁合金組織中合金析出相生成，使試件的剪切力增大；隨著攪拌針轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，焊點的剪切力開始減小，當(dāng)焊接轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時，由于熱輸入量過大，鋁合金發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，使合金析出相發(fā)生時效從而引起材料軟化，導(dǎo)致試件的剪切力降低[8]。

圖8 表面成形及接頭宏觀Fig.8 Surface forming and the joint macroscopic

圖9 不同轉(zhuǎn)速下的剪切力Fig.9 Shear stress in different rotate speeds

通過以上實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時焊點的剪切力最低，在此基礎(chǔ)上研究下扎深度1.8 mm、下壓量0.2 mm時，焊接時間對剪切力的影響。不同焊接時間下的剪切力如圖10所示，焊接時間增加到5 s時，焊縫金屬更加充分地達(dá)到熱塑性狀態(tài)，同時伴有更多的強化相析出，其剪切力值最大；攪拌焊接時間達(dá)到6 s時，由于攪拌針和軸肩與工件摩擦?xí)r間增長，接頭的熱輸入量增多，塑化金屬的溫度增加，材料發(fā)生軟化[9]，從而減小了試件的剪切力。

2.2 機器人點焊與龍門式點焊性能對比

根據(jù)JIS Z 3136-1999、JIS Z 3137-1999和ISO 14270-2000標(biāo)準(zhǔn)制定剪切試樣、十字拉伸試樣和撕裂試樣。在相同參數(shù)（轉(zhuǎn)速2 000 r/min、焊接時間5 s、下扎深度1.8 mm以及下壓量0.2 mm）下，分別用龍門式和機器人進(jìn)行攪拌摩擦點焊，并測試焊后試件力學(xué)性能。對比二者所焊試件的力學(xué)性能，如表3所示。兩種不同焊接方式下得到的力學(xué)性能相近，相差約5%?？刹捎脵C器人焊接復(fù)雜構(gòu)件以及較特殊的焊接位置，機器人攪拌摩擦點焊能夠應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

圖10 不同焊接時間下的剪切力Fig.10 Shear stress in different welding time

表3 試件的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of specimens

3 結(jié)論

（1）采用機器人和攪拌摩擦點焊構(gòu)成的機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)實現(xiàn)復(fù)雜軌跡運動，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦點焊成為可能。機器人攪拌摩擦點焊技術(shù)提高了焊接自動化程度和生產(chǎn)效率。

（2）通過增加機械手臂的抓重力、簡化攪拌摩擦焊接裝置以及增加壓力裝置等方式，設(shè)計完成機器人攪拌摩擦點焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)增加了焊接過程的穩(wěn)定性，提高了焊接精度，同時實現(xiàn)了無間斷循環(huán)焊接，加快了焊接過程，提高了生產(chǎn)效率。

（3）運用機器人進(jìn)行攪拌摩擦點焊實驗，點焊表面成形效果良好。對龍門式攪拌摩擦點焊和機器人攪拌摩擦點焊的試件進(jìn)行性能測試對比，其剪切力、十字拉伸力、撕裂力相差較小，可知機器人攪拌摩擦點焊具有良好的焊接性能，可應(yīng)用于實際生產(chǎn)。

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