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備的發展現狀，系統分析了這些設備的特點，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進行了概述。分析表明：攪拌摩擦焊接裝備經歷了銑床改裝攪拌摩擦焊接設備、攪拌摩擦焊接專機、攪拌摩擦焊接機器人的發展過程；攪拌摩擦焊接機器人憑借高度柔韌性、多種模式過程控制、高度智能化的優勢，將被廣泛應用于多種工業制造領域，成為近期的研究熱點；攪拌摩擦焊接過程控制技術目前主要側重于壓力監控、位移控制和焊縫跟蹤，但是控制精度和穩定性均無法滿足實際生產需求，因此高精度、高可靠性的多過程耦合控制技術是今后的重點研究內容。

金屬材料其他學科；攪拌摩擦焊；焊接設備；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年發明的一種新型、節能、環保、高效的固相連接技術[1-3]。該技術開發之初主要應用于鋁合金、鎂合金等低熔點輕質金屬材料的連接，以解決常規熔焊方法焊接該類材料時常出現的氣孔、接頭強度弱化、接頭質量不穩定等問題。而隨著研究的深入和技術的成熟，攪拌摩擦焊已推廣應用于一些高熔點、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、應力小、強度弱化不明顯等諸多優勢，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、船舶制造、汽車制造、核電能源、數碼產品等多個工業制造領域，圖1為經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部并高速旋轉，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生塑性流動而結合在一起。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，這就對設備的剛度、負載、精度、控制系統等方面都提出了更高的要求，由此造成攪拌摩擦焊接設備結構復雜。隨著工業技術的發展，越來越多的大型、三維的曲面結構需要采用攪拌摩擦焊接技術進行焊接，因此開發高精度、高柔性、大負載的攪拌摩擦焊接設備，對于推廣應用攪拌摩擦焊接技術、提升國內制造業技術水平均具有重要的意義。

1 攪拌摩擦焊接裝備特點及發展現狀

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組成，其中硬件部分包括機械結構和電氣系統[1]。

由圖2可知，焊接過程中攪拌頭會受到軸向力Fz、側向力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，攪拌摩擦焊接設備應當具有較大的負載能力。同時，為了保證大負載下機械結構不發生彎曲變形，要求焊接設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部，而肉眼無法直接觀察焊接區域的變化，亦無法直接確定壓入深度、壓力大小等過程參數，只能通過位移傳感、壓力傳感、溫度傳感等技術將其可視化，結合相應的控制方法實現焊接過程的控制，故需要攪拌摩擦焊接設備具有一定的智能控制功能和較高的自動化程度。

由于產品的應用領域、尺寸、結構形狀、材料等差異較大，對攪拌摩擦焊接設備的性能要求也參差不齊。總體而言，攪拌摩擦焊接設備結構復雜，若不加甄別地增加設備的負載能力、剛度和精度，會造成設備體積龐大，成本過高，體現不出攪拌摩擦焊接技術的成本優勢。因此，需要根據加工件的尺寸、結構形狀、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展現狀

僅僅20余年，對攪拌摩擦焊接技術的研究已涉及到焊接工藝、接頭性能、過程模擬、設備研制等多個方面。此前對于焊接設備的研究更多集中在攪拌頭的優化設計，近幾年則開始對攪拌摩擦焊接設備的結構設計[15]、數控系統開發[16]廣泛關注。目前使用的攪拌摩擦焊接設備主要包括傳統攪拌摩擦焊機、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備改裝而成[17-19]。圖3為典型的傳統攪拌摩擦焊接設備[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]，傳統攪拌摩擦焊接設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，為了提高設備的負載能力、剛度，還需要對攪拌摩擦焊接設備的結構、過程控制進行優化設計[23-24]。

攪拌摩擦焊接專機是為攪拌摩擦焊接過程專門設計的，在負載能力、結構剛度、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出了攪拌摩擦焊接專機產品，如圖4所示。為了進一步提高設備的剛度和精度，簡化結構，OKAWA等[15]和SHI等[25]設計了五軸聯動三維龍門式攪拌摩擦焊接專機，可以實現復雜曲面結構的高精度、高質量攪拌摩擦焊接。國內學者對攪拌摩擦焊接機床3-PRS并聯加工頭進行了優化設計，并分析了結構的剛度和精度[23,26]。由于該類設備一般具有很好的柔性加工能力，通過五軸聯動可以實現復雜三維曲面結構的加工，可焊板厚和材料范圍大，一般應用于大型復雜結構件的焊接[9]，但是也存在一次投入過大、生產周期長、體積龐大等不足之處。雖然已有學者開始研究小型化、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，未見成熟產品的報道。

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

工業機器人具有非常高的柔韌性，可以實現空間任意軌跡的加工，這正是其他2種攪拌摩擦焊接設備所欠缺的，機器人攪拌摩擦焊接技術與裝備已成為焊接領域的重要發展方向。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用的原因所在。而隨著ABB，KUKA，FANUC等公司重載機器人的相繼開發，工業機器人已經開始應用于復雜三維曲面結構的攪拌摩擦焊接。目前攪拌摩擦焊接機器人主要有2種類型：串聯關節型機器人和并聯結構機器人，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，并根據攪拌摩擦焊工藝開發了人性化界面[31]。德國IGM公司和日本川崎重工也相繼開發了分別基于KUKA機器人和FANUC機器人系統的攪拌摩擦焊接機器人設備。中航工業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，開始從事攪拌摩擦焊接機器人設備的探索性研究[11,32-34]。

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

圖5 串聯關節型攪拌摩擦焊接機器人Fig.5 Joint type friction stir welding robot in series

圖6 并聯結構攪拌摩擦焊接機器人Fig.6 Friction stir welding robot with parallel structure

SORON等[36]依據IRB 7600-500型機器人開發了攪拌摩擦焊接機器人設備，該設備能夠實現3 mm厚、6系鋁合金材料、三維曲面結構的攪拌摩擦焊接。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-壓力耦合調節方法，較好地實現了恒壓控制。FEHRENBACHER等[37]針對機器人攪拌摩擦焊中容易出現的軸向力過大和熱輸入不穩定問題，采用無線傳輸的溫度和力學傳感采集技術，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備具有一定的特殊性，因此在設計系統時需要特別關注攪拌摩擦焊接工藝過程，YAVUZ[38]根據這一要求，提出了面向使用功能的攪拌摩擦焊接機器人設計理念，并開發了包含壓力控制、位移控制等技術的攪拌摩擦焊接機器人系統。中國科學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、旋轉速度、下壓量、軸向壓力、扭矩等均會對焊接過程產生影響，進而影響焊接質量，比如攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭受力較大，易造成焊接設備結構變形，導致焊接位置出現偏差，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

力學參數的控制在攪拌摩擦焊接技術中非常重要，而攪拌頭壓入量、旋轉速度、前進速度等均會對軸向壓力產生重要影響[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]研究結果也證明了這一結論。目前有一個經驗公式來描述壓入量和軸向力的關系，即Fz=0.204d1.8，其中d為攪拌針直徑[43]。而旋轉速度和焊接速度均會影響母材的熱入量，旋轉速度越大或者焊接速度越慢，單位長度上的產熱越小，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，目前一般通過調整壓入量、旋轉速度、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，不會出現因壓力過大而結構失效變形的情況，因此攪拌摩擦焊接機器人設備中均配備該類控制。該控制方法也比較適合表面不平整、三維曲面結構的焊接[44]。圖7為受力控制系統結構示意圖，其中Fe為受力反饋值，Fd為設定的受力值，通過運動控制調整壓入量、旋轉速度和焊接速度[24]。

圖7 受力控制系統結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of force control system

LONGHURST等[42]采用PID算法，以壓入量作為調整變量，開發了受力控制系統，發現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，以壓入量為調節參量的控制精度較差，存在調節失效的可能性，但能夠補償工件或者設備產生的位置誤差；以旋轉速度為調節參量的控制方式得到接頭拉伸強度最高；而以焊接速度為調節參量的控制方式各項指標均處于中間狀態[21]。

扭矩控制具有成本低、穩定性高和適用溫度范圍廣的優勢，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力、攪拌頭尺寸有關[18,45]，但是攪拌摩擦焊接參數也會對扭矩產生影響，如文獻認為扭矩與壓入深度存在一定的函數關系。因此以壓入量作為調整參數實現扭矩控制是可以實現的。

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用于剛度較大的焊接設備中，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，控制系統的穩定性下降，且容易出現焊接缺陷。

2.3 焊縫跟蹤

離線路徑規劃技術雖然可以實現復雜曲面結構焊接，但是工件焊接變形或設備剛性不足時容易出現偏離規劃路徑的問題，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是常用的焊縫跟蹤手段，而攪拌摩擦焊壓力傳感技術也可以用來獲取焊縫偏差量，進而實現偏差補償。

GUILLO等[47]根據采集軸向壓力數據，計算出位移偏差，進而實現偏差在線補償。沈陽自動化研究所利用接觸式側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，FLEMING等[49-50]根據這一原理，增加攪拌頭橫向擺動，通過提取軸向壓力信號，實現搭接或者T型接頭的焊縫跟蹤。試驗結果表明這種來回擺動的攪拌摩擦焊方法不但能夠實現焊縫跟蹤，還可以獲得更為優異的焊縫質量。

3 結 論

1)攪拌摩擦焊接裝備經歷了由傳統攪拌摩擦焊接設備、攪拌摩擦焊接專機到攪拌摩擦焊接機器人3個發展階段，這3類設備各具特點。實際工程中需根據應用場合的需要合理地選配不同類型的攪拌摩擦焊接設備。

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展趨勢，攪拌摩擦焊接機器人已經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、高度智能化等優勢，被廣泛應用于多種工業制造領域。

3)攪拌摩擦焊接的過程控制技術已經取得了一定的研究進展。目前該研究主要側重于軸向壓力控制、位移控制和焊縫跟蹤，其中壓力控制是研究熱點。現有控制系統的穩定性、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，應采取多種控制方法實現多個參數的綜合控制，來提高系統的穩定性和可靠性。

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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；責任編輯：王海云

廣東省應用型科技研發專項(2015B090822011)；廣東省科學院項目(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.