帶角度偏置功能攪拌焊接機的研制

摘 要：針對湖南晟通汽車有限公司制造的鋁合金廂式運輸半掛車底板型材的焊接，設計研制了帶角度偏置功能龍門式鋁合金攪拌摩擦焊接機。該焊接機采用目前主流的三軸機架為主要運動構件，能實現XYZ方向精確定位。主機采用角度偏置高速攪拌摩擦旋轉頭，能根據前進方向調節焊接角度，實現連續了焊接。攪拌摩擦焊消除了MIG或TIG焊接熔焊過程中接頭部位大范圍的熱塑性變形，焊后接頭的內應力小，變形小，基本可實現板件的低應力無變形焊接。該焊接機自應用以來，有效降低了焊接成本，提高了生產效率及產品質量。

關鍵詞：龍門式；攪拌摩擦焊接；角度偏置。

1.前言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW），是利用一種特殊形式的攪拌頭插入工件的待焊部位，通過攪拌頭與工件間的攪拌摩擦，摩擦熱使該部位金屬處于熱塑性狀態并在拌頭的壓力作用下從其前段向后部塑性流動，從而使待焊件壓焊為一個整體的新的焊接方式

2.攪拌摩擦焊的主要優點

2.1.攪拌摩擦焊接過程中接頭部位不存在金屬的融化，是一種固態焊接過程，故焊接時不存在熔焊時的各種缺憾，可以焊接用熔焊方法難以焊接的材料，如LY、LC系列的硬鋁及超硬鋁，并且可以在任意位置進行焊接。

2.2.由于不存在熔焊過程中接頭部位大范圍的熱塑性變形過程，焊后接頭的內應力小、變形小，基本可實現板件的低應力無變形焊接。

2.3.接頭的機械性能好、無煙塵、無氣孔、無飛濺、節能、無需添加焊絲、焊鋁不需使用保護氣體、對焊工技術要求不高、焊前準備要求低。

英國焊接研究所（The Welding Institute，簡稱TWI）認為，攪拌摩擦焊技術是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法，它的出現將使鋁合金等有色金屬的連接技術發生重大變革。

3.攪拌摩擦焊接機的設計

3.1.焊接工件為圖2所示有多塊5系鋁合金型材拼焊而成，最大程度約14.5米。拼焊后須確保工件平面度控制在±1mm內.圖3紅色圓圈內表示所需搭焊接的型材結構，型材逐一拼接，并由上下兩道焊縫保證結構強度。

3.2.整機由底座、左右立座組件、橫梁、主動力頭五部分組成龍門框架結構如圖4所示，總重量約4.6噸。板件由板厚為20mm的Q235B鋼板焊接，并應用數控銑加工而成，經有限元剛性強度分析，橫梁在受到2.4噸反作用力的情況下，變形量≦0.05mm，滿足剛性要求。部件與部件多采用銷釘、凸臺等定位，保證了整體的裝配精度。XYZ三軸均采用伺服電機滾珠絲桿傳動而非伺服電機齒輪齒條傳動，主要考慮工作載荷因素。

3.3.主動力由功率15KW電機、主軸（含攪拌摩擦頭）、角度偏置系統3部分組成。電機的功率、轉速經過了計算并得到實際效果驗證。主軸由上到下依次為萬向節、摩擦式聯軸器、攪拌摩擦頭如圖5所示。由于在焊接時，攪拌摩擦頭與工件保持一定角度還能很好的提升焊接質量和速度，因此需要設計一套角度偏置系統。

3.4.該角度偏置系統設計方案如圖6所示，主軸通過圓柱滾動軸承與主軸套筒連接安裝。主軸套筒在主軸安裝座上能實現小角度旋轉，并通過其兩側的調節螺母調整偏置角度。由于在實際生產過程中，主軸應根據工件的焊接順序進行180度換向，因此，主軸安裝座上設置了圓軸齒輪，并在圓軸齒輪的一側安裝了與之該嚙合的小齒輪。伺服電機能通過該角度偏置系統實時、精確的控制偏置角度，使得該焊接機能更好的模擬、適應實際工作環境

4.結論

4.1.成本方面：自攪拌摩擦焊接機使用以來，公司減少了高純氬氣和鋁合金焊絲昂貴消耗品方面的投入，僅需要在約1000米焊縫后更換攪拌摩擦頭。

4.2.質量方面：消除熔焊過程中大范圍的熱塑性變形過程。焊頭接頭的內應力小、變形小，實現了的低應力無變形焊接，焊后不再需要整形，極大的提升了產品質量。

4.3.效率方面：焊接產量由原先的一天一臺套提升至現在的一天兩臺套，效率提升50%以上，大大減輕了工人的勞動強度，對焊工技術要求不高，焊前準備要求低。

總之，該焊接機的使用完全滿足公司對于成本、質量、效率方面的要求。

5.改進項目

下階段將進行鋁合金雙面攪拌摩擦焊接的研究

5.1.雙面攪拌摩擦焊比攪拌摩擦焊接的能量更大。

5.2.采用雙面攪拌摩擦焊代替攪拌摩擦焊有利于提高焊接效率，在焊接該型材時，上下兩側焊縫同時焊接。

5.3.由于是上下兩側焊縫同時焊接，消除單側焊容易出現的變形缺陷，改善了焊縫的性能，焊后工件無需整形。

參 考 文 獻

[1] 李維剛.2024.T4Al攪拌摩擦焊焊縫成型工藝及力學性能研究：[碩士學位論文]：哈爾濱：哈爾濱工業大學，2003.

[2] 黃華等.鋁合金雙面攪拌摩擦焊初步研究：[特種鑄造及有色合金]2006年第26卷第7期：湖北汽車工業學院，2006.