雙軸肩攪拌摩擦焊接實驗系統研究

陳書錦，胡曉晴，蘆 笙，高延敏，王 宇

（江蘇科技大學 材料科學與工程學院，江蘇 鎮江 212003）

摩擦焊接實驗是焊接技術與工程專業、材料成型專業本科實驗教學的重要實驗。目前關于摩擦焊實驗裝置有：連續驅動摩擦焊、慣性摩擦焊、常規單軸肩攪拌摩擦焊等［1－5］，而作為最新發展的雙軸肩（bobbin tool），也有稱為SRPT（self reactive pin tool）攪拌摩擦焊接技術，目前高校實驗室鮮有相關實驗裝備［6－7］。如果在常規攪拌摩擦焊機上進行改裝，則只能做一些工藝參數實驗，無法有效揭示焊接過程中的參數變化規律，滿足不了當前專業技術實驗教學的需要。當前，市面上很難購買合乎要求的雙軸肩攪拌摩擦焊機，因此本研究基于數字化控制技術，研制了雙軸肩攪拌摩擦焊接實驗系統［8］。

本實驗系統采用工控機、可編程邏輯控制器為核心，基于專用運動控制模塊、單片機控制板構成曲線焊接控制系統，以完成學生的基本實驗內容；以溫度測量、攪拌頭受力測量裝置為基礎，設計了焊接數據測控平臺，旨在培養學生分析問題的能力［9－11］。

1 系統結構及原理

1.1 雙軸肩攪拌摩擦焊接原理

雙軸肩攪拌摩擦焊接技術是一種新型的焊接方法［12］，與常規單軸肩攪拌摩擦焊接相比，由于取消了墊板并且上下軸肩同時對工件摩擦生熱，所以能夠消除未焊透等缺陷，這一改進大大降低了焊接過程中的鍛壓力，提高了狹小空腔及筒體等復雜結構攪拌摩擦焊接的可操作性，同時節省了制造剛性裝置的成本，因而備受國內外關注。雙軸肩攪拌摩擦焊接原理如圖1所示。

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊接原理

圖1所示，在雙軸肩攪拌摩擦頭中，由一個共用的攪拌針連接上、下軸肩，這2個軸肩分別與被焊工件的上下表面接觸，由于上下軸肩的距離略小于工件厚度，因此當攪拌頭高速旋轉的同時沿著焊縫方向行進時，所產生的熱量使被焊工件塑化，在攪拌針和上下軸肩的同時作用下不斷被攪拌、擠壓成形，最后形成焊縫。

1.2 雙軸肩攪拌摩擦焊機結構及原理

如圖2所示，雙軸肩攪拌摩擦焊機主要由機械本體、攪拌摩擦頭、電機驅動及其控制系統、測控系統組成。機械本體包括工作臺、機頭、焊接工裝等部分；攪拌摩擦頭則用于直接作用于工件，電機驅動及控制系統主要用于實現攪拌摩擦頭旋轉、工作臺的平面移動等焊接動作。

整個焊接裝置安裝在機頭上，機頭輸出軸通過齒輪將動力傳遞給從動齒輪，為攪拌頭旋轉提供動力。攪拌針與中心軸連接，中心軸由上而下，穿過壓力傳感器、平面軸承、上軸肩，在電機和燕尾槽滑動機構的作用下，中心軸可產生軸向位移；中心軸與上軸肩之間采用鍵和鍵槽連接，它們之間只能產生相對軸向位移。

攪拌頭設計環節是整個焊機的核心之一。本研究提出了一種分體式雙向可調節的雙軸肩攪拌摩擦頭，如圖3所示。攪拌針、上軸肩、下軸肩相互分體設計，攪拌針與上軸肩、攪拌針與下軸肩都通過緊定螺釘進行固定以防止相對旋轉。攪拌針的上端伸出上軸肩的部分和下端伸出下軸肩的部分均具有螺紋，使用2個螺母即可阻止上下軸肩向攪拌針的兩端運動，而松開緊定螺釘、旋轉螺母即可雙向調節上下軸肩間距。本設計符合雙軸肩攪拌摩擦焊工藝要求，可以滿足不同厚度試板的雙軸肩攪拌摩擦焊，同時攪拌針與上下軸肩彼此獨立，拆裝方便，部分組件出現損壞可輕松替換，不會造成整體損失，從而節約材料。

圖2 雙軸肩攪拌摩擦焊機機械結構示意圖

圖3 可調節雙軸肩攪拌摩擦頭

1.3 控制系統結構

雙軸肩攪拌摩擦焊機控制結構框圖見圖4。控制系統的核心控制部件是工控機（研華610L）和PLC（FX3U－48MT＋FX2N20GM），工控機用于控制算法運行，PLC在本系統中負責工作臺x、y向電機驅動的控制和主軸電機的旋轉控制。輸入到主控制器的焊接參數有：焊接速度、主軸旋轉速度、軸向力、平面受力、前導區溫度等焊接參數。

圖4 雙軸肩攪拌摩擦焊機控制結構框圖

首先以MCGS觸摸屏為人機交互界面，以工控機為焊接參數采集、計算單元，A／D采集模塊采集x、y方向的阻力、攪拌針所承受的軸向力、焊接區域溫度，然后傳送至工控機進行運算，最后將動作指令傳送至PLC；PLC通過專用運動模塊FX2N20GM，控制3臺驅動電機，從而控制工作臺x、y方向和機頭z方向的位移；同時通過串口與變頻器通信，間接控制主電機，實現控制攪拌頭的轉速，從而完成整個焊接過程。

2 焊接參數檢測與控制

焊接過程中，在專用拉桿的作用下，攪拌針、上軸肩、下軸肩同步高速旋轉，盡管實現了焊接，但是攪拌針承受了巨大、不均勻的拉力，同時在焊接方向上承受了行進阻力，因此在雙軸肩攪拌摩擦焊接過程中，與常規攪拌摩擦焊相比需要增加參數測控。

2.1 攪拌針軸向力檢測

在焊接過程中，由于攪拌摩擦頭處于高速旋轉狀態，因此難以采用傳統方法檢測軸向力，本研究采用無線傳輸的方法解決這個問題，如圖5所示。

圖5 軸向力信號檢測模塊結構框圖

壓力傳感器安裝在墊片與平面軸承之間。為了提高檢測精確度和安裝方便，在軸心對稱放置了3個壓力傳感器，同時對3個傳感器進行采樣。

壓力傳感器采用具有高彈性、抗沖擊和振動特性的CPS182陶瓷壓阻壓力傳感器，其響應時間1ms，量程100kPa～60Mpa，線性度0.2～0.4%，外形尺寸18mm×5.25mm×8.05mm。壓力檢測及無線傳輸電路安裝在平面軸承上方的開放式空腔中。軸向力無線信號送入相應的接收模塊后，最后通過串口送入工控機。圖6為測得的軸向力信號曲線。

圖6 軸向力信號曲線

2.2 攪拌摩擦頭平面受力檢測

由于在焊接過程中攪拌摩擦頭承受了很大的行進阻力，如果參數設置不當，極有可能導致攪拌針斷裂，因此為了保證攪拌頭的安全，本系統中通過專用力傳感器采集攪拌針所受的平面力的大小，在被焊工件上的四周安放測力夾具，如圖7所示。通過檢測A、B、C、D、E、F、G、H這8個位置所受到的力，即可計算出攪拌針所受到的合力。

圖7 測力夾具

各點的受力信號通過放大線路后，送入數據采集卡，最后由工控機進行存儲和顯示。平面力信號如圖8所示。

2.3 曲線雙軸肩攪拌摩擦焊接

雙軸肩攪拌摩擦焊接的優勢在于可以焊接曲線構件，為了體現這一特點，設計了曲線雙軸肩攪拌摩擦焊接實驗。曲線焊接的關鍵執行部件是定位模塊（FX2N20GM）和驅動裝置SGDV伺服單元，兩者之間的接線如圖9所示。

圖8 平面力信號曲線

以完成正弦曲線焊接為例，首先固定好焊材，確定平面坐標系xoy及焊縫零點（起始點）；將待焊縫在x方向上平均分成若干份（可根據經驗確定），在各個等分點繪制平行于y軸的虛線，得到交匯點，然后分別計算出各交匯點在此坐標系中的坐標值（0，0）、（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）……，如圖10所示；最后編寫程序，將上述獲得的各坐標值寫給20GM定位模塊，并給定各圓弧段的半徑r，調用定位指令cod02（cw）或者cod03（ccw），由20GM 進行連續圓弧插補，驅動x、y軸伺服電機，完成曲線焊縫的焊接。

圖9 定位模塊與伺服單元之間的接線圖

圖10 正弦曲線焊縫示意圖

2.4 前導區溫度閉環控制方法

在焊接過程中，攪拌摩擦頭前方的金屬塑化程度直接影響著焊接質量，而溫度則是金屬塑化的重要標志，因此對焊接前方區域溫度即前導區溫度進行監控具有重要意義。

選取前方某位置為目標點，焊接過程中，以該點溫度為反饋，建立的溫度閉環控制系統見圖11。由于溫度是緩變量，因此必須采用滯后控制補償措施，以期將滯后部分影響控制在環路之外。

圖11 溫度控制框圖

如圖12所示，對前導區溫度進行控制時，采用常規PID控制器與Smith預估器相結合的方法，用以避免系統產生振蕩、保證系統的穩定性。

以一階慣性環節和純滯后環節串聯來表示焊接溫度模型，則預估器的輸出V′（k）可表示為

圖12 Smith預估器結構

V′（k）＝aV′（k－1）＋b［v（k－1）－v（k－N－1）］

式中，a＝eT／Tf，b＝kf（1－eT／Tf），Tf為焊接溫度時間常數，kf為溫度模型放大系數，τ為純滯后時間。

通過設計PID控制器和預估器，可以實現焊接前導區溫度閉環反饋控制。

3 可進行的教學實驗

本系統實驗原理直觀清晰，可開設以下實驗：

（1）雙軸肩攪拌摩擦焊常規實驗；

（2）攪拌針的軸向受力檢測與分析；

（3）攪拌摩擦頭平面受力檢測與分析；

（4）雙軸肩攪拌摩擦焊曲線焊接實驗；

（5）焊接前導區溫度閉環控制系統實驗。

4 結束語

開展雙軸肩攪拌磨擦焊接實驗系統的自制工作，促進了我校攪拌摩擦焊接技術的新發展，促進了我院本科、研究生教學和教師科研水平的提升。雙軸肩攪拌摩擦焊接實驗系統為更好地提高學生的綜合素質、培養學生的實踐創新能力和工程素養提供了平臺。針對本科生、研究生已開設了一系列實驗選修課程。

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