機器人攪拌摩擦點焊系統設計

，，，，，

（1.河北科技大學材料科學與工程學院，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產品提出更高的要求，采用輕質材料替代傳統材料，制造技術朝著整體結構輕量化、長壽命、短周期、低成本及綠色先進制造技術方向發展。鋁合金具有質量輕、比強度高、抗腐蝕性好、加工成形好、回收再生性好等優點，廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域。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、工作環境差，而鉚接消耗大量材料的同時結構質量增加、工作量大、噪聲和污染問題嚴重[1-2]，制約了鋁及鋁合金的應用。

攪拌摩擦點焊（FSSW）是根據攪拌摩擦焊原理設計的一種新型點焊方法，系統采用回填式攪拌裝置，攪拌頭較為復雜，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合，以防止焊點金屬溢出，同時，軸套與攪拌針同時旋轉并向下運動，當到達指定位置后，軸套繼續向下運動，攪拌針開始上移，當軸套運動到設定深度時，軸套開始上移，而攪拌針開始向下移動，將軸套內的金屬回填至焊點中，當二者到達被焊件表面時，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

傳統龍門式攪拌摩擦焊對點焊設備要求相對較高，且焊接設備較復雜，焊接位置具有局限性，焊接通用性較差，焊接工件結構單一，對于結構較復雜、精度要求高的工件，焊接過程中容易產生偏差，焊點成形效果差，導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生產中的應用。

機器人焊接是焊接發展的重要方向之一，機器人具有靈活性好、精度高、柔性好等優點，并且可減小惡劣環境對焊接工人的傷害[5-7]。本研究的主要任務是設計一套機器人攪拌摩擦點焊系統，將焊接機器人與攪拌摩擦點焊相結合，充分發揮二者的優勢，實現復雜薄板結構件的攪拌摩擦點焊。

1 機器人攪拌摩擦點焊系統設計

1.1 機器人攪拌摩擦點焊結構設計

為了提高焊接過程的靈活性和系統的可達性，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定性、準確性，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的穩定性。采用KUKA KR500型6自由度機器人，其重復定位精度為±0.08mm，負載能力500kg，工作半徑約為2.83 mm。攪拌點焊裝置Z方向增加TOX氣液增壓缸驅動，以保證焊接過程中具有較高的準確性、穩定性和安全性。機器人優越的靈活性也使得焊接過程的操作更加簡單化。

傳統龍門式攪拌摩擦點焊是固定結構，穩定性較強，但是其焊接位置具有局限性。機器人攪拌摩擦點焊系統將攪拌頭裝置與機器人相結合，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構型鋼架裝卡攪拌設備來保證焊接的穩定性以及提供攪拌摩擦點焊設備下壓時所需的強度（10～20 kN）。將攪拌裝置設計安裝在機器人的第6軸上，選用數控系統（華中數控系統HNC-210BM）與KUKA機器人控制系統協同控制，使其可進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構示意Fig.2 Schematic diagram of friction stir spot welding robot system

機器人攪拌摩擦點焊系統與龍門式攪拌摩擦點焊系統性能對比如表1所示。機器人攪拌摩擦點焊的復雜構件與龍門式點焊試件表面均無明顯缺陷，其力學性能基本持平。運用機器人攪拌摩擦點焊系統焊接復雜構件如圖3所示，工件中有凹槽，且焊點位置較深，傳統的龍門式攪拌摩擦點焊系統無法焊接全部焊點。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行焊接，不僅節省加工時間，降低了成本，還提高了焊接復雜構件的成形效果。

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

1.2 攪拌摩擦點焊裝置設計

攪拌摩擦點焊裝置是機器人攪拌摩擦點焊系統的關鍵零件，其主要性能指標是結構緊湊、性能優良、控制精度高，其性能優劣影響焊點質量。

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

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

頂端設計主軸電機來實現軸肩與攪拌針的旋轉運動。考慮到點焊設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，設計增加C型槽，以減少裝卡的復雜性，減小點焊裝置對機器人的負重。針對剛度較大的焊接結構件，可以去除C型槽，實現無背部支撐的攪拌摩擦點焊。攪拌頭結構見圖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設計

機器人攪拌摩擦點焊系統與傳統龍門式攪拌摩擦點焊系統相比，其控制參數多，控制系統相對復雜。為了實現系統的精確控制和良好的交互功能,攪拌摩擦點焊控制系統選取華中數控HNC-818B，機器人控制系統選取KUKA KR500機器人控制系統。

攪拌摩擦點焊裝置的控制系統通過PC機來實現開放式的人機控制，數控系統內核控制功能由CNC（Computer number control）完成，控制核心功能主要由運動控制卡來實現，運動控制卡根據設定的焊接參數對各軸進行控制，機器人攪拌摩擦點焊系統結構如圖6所示。焊接前首先通過人機交互控制界面預置焊件的下壓力和所需焊接參數（如轉速、下扎深度等）。機器人到達待焊工件的焊接位置后，將信號傳送到操作面板進行攪拌摩擦點焊，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和數控面板上顯示。焊接結束時，攪拌摩擦點焊裝置將焊接結束的信號反饋給機器人，機器人回到控制系統程序設定的指定位置，完成焊接任務。本系統將機器人控制系統與攪拌摩擦點焊系統相結合，實現無間斷循環焊接。

圖5 攪拌頭裝置結構示意Fig.5 Structure of the stirring device

圖6 機器人攪拌摩擦焊接點焊系統結構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，從而實現攪拌摩擦點焊裝置與機器人協同的工作模式，系統傳輸示意如圖7所示。機器人攪拌摩擦點焊控制系統由CNC系統控制步進電機驅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）從而實現精確控制，控制精度達到0.001 mm。控制系統良好的交互功能主要表現在系統完全漢化，選用CNC數控加工語言進行編程控制（G代碼），便于學習和操作。同時系統能夠顯示焊接所在位置及焊接壓力，兼具可以訪問歷史數據，以便以后檢查、維護以及功能的可擴展性。

圖7 數據傳輸系統示意Fig.7 Structure diagram of data transmission system

2 點焊試樣力學性能

2.1 工藝參數對焊接性能的影響

機器人攪拌摩擦點焊系統設計完成后對其功能進行實驗分析，采用1.5 mm厚鋁合金，焊接參數如表2所示。焊點表面和焊點截面宏觀狀態如圖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行了充分的回填，兩個試板結合充分，表面成形效果良好。

表2 焊接工藝參數Table 2 Welding parameters

不同轉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，攪拌針的轉速對焊點的剪切力影響較大；當攪拌針轉速為1 500 r/min時焊點的剪切力達到最大值8.74 kN時，原因是低轉速時攪拌針對工件的熱輸入量隨其轉速增加而增大，在1 500 r/min時焊縫金屬充分達到熱塑性狀態，焊點能夠充分結合，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；隨著攪拌針轉速的繼續增大，焊點的剪切力開始減小，當焊接轉速為2 500 r/min時，由于熱輸入量過大，鋁合金發生動態再結晶，使合金析出相發生時效從而引起材料軟化，導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 不同轉速下的剪切力Fig.9 Shear stress in different rotate speeds

通過以上實驗發現，當轉速為2 000 r/min時焊點的剪切力最低，在此基礎上研究下扎深度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到熱塑性狀態，同時伴有更多的強化相析出，其剪切力值最大；攪拌焊接時間達到6 s時，由于攪拌針和軸肩與工件摩擦時間增長，接頭的熱輸入量增多，塑化金屬的溫度增加，材料發生軟化[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JIS Z 3136-1999、JIS Z 3137-1999和ISO 14270-2000標準制定剪切試樣、十字拉伸試樣和撕裂試樣。在相同參數（轉速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行攪拌摩擦點焊，并測試焊后試件力學性能。對比二者所焊試件的力學性能，如表3所示。兩種不同焊接方式下得到的力學性能相近，相差約5%。可采用機器人焊接復雜構件以及較特殊的焊接位置，機器人攪拌摩擦點焊能夠應用于實際生產。

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

表3 試件的力學性能Table 3 Mechanical properties of specimens

3 結論

（1）采用機器人和攪拌摩擦點焊構成的機器人攪拌摩擦點焊系統實現復雜軌跡運動，使復雜結構件的攪拌摩擦點焊成為可能。機器人攪拌摩擦點焊技術提高了焊接自動化程度和生產效率。

（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，設計完成機器人攪拌摩擦點焊系統。該系統增加了焊接過程的穩定性，提高了焊接精度，同時實現了無間斷循環焊接，加快了焊接過程，提高了生產效率。

（3）運用機器人進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，可應用于實際生產。

[1]趙衍華，張麗娜，劉景鐸，等.攪拌摩擦點焊技術簡介[J]．航天制造技術，2009（4）：1-5.

[2]泰紅珊，楊新岐.攪拌摩擦點焊技術及在汽車工業應用前景[J]．汽車技術，2006（1）：1-5．

[3]秦紅珊，楊新岐.一種替代傳統電阻點焊的創新技術—攪拌摩擦點焊[J]．電焊機，2006，36（7）：27-30.

[4]Buffa G，Fratini L，Piacentini M.On the influence of tool path in friction stir spot welding of aluminum alloys[J]．Journal of materials processing technology，2008（1）：1-9.

[5]李曉輝，汪蘇，劉小輝，等.焊接機器人智能化的發展[J]．電焊機，2005，35（6）：39-41.

[6]王彬.中國焊接生產機械化自動化技術發展回顧[J]．焊接技術，2000（3）：38-41.

[7]譚一炯，周方明，王江超，等.焊接機器人技術現狀與發展趨勢[J]．電焊機，2006，36（3）：6-10.

[8]劉克文，邢麗，柯黎明.LY12鋁合金攪拌摩擦點焊接頭組織及性能[J]．中國有色金屬學報，2008，18（2）：288-293.

[9]劉克文，邢麗，柯黎明.LY12鋁合金摩擦點焊工藝及力學性能[J]．焊接學報，2007，28（9）：l7-21.