智能化攪拌摩擦焊接技術(shù)研究進(jìn)展

尤佳慶，林志成，2，趙運(yùn)強(qiáng)，董春林

1.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510650

2.廣東省機(jī)器人數(shù)字化智能制造技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣東廣州 510535

1 序言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是一種先進(jìn)的固態(tài)焊接技術(shù)，由于其具有焊接效率高、焊接熱輸入低及綠色環(huán)保等特點(diǎn)，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于包括航空航天、軌道列車、船舶及新能源汽車等諸多領(lǐng)域[1-3]。在加工制造業(yè)向著智能化快速發(fā)展的背景下，開發(fā)智能化FSW焊接技術(shù)，使其能夠根據(jù)焊接結(jié)構(gòu)、材料、工況等復(fù)雜條件進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，提高焊接質(zhì)量及效率，成為FSW未來發(fā)展的必然趨勢(shì)[4]。目前，智能化FSW技術(shù)主要涉及焊接過程智能化控制、焊接大數(shù)據(jù)、智能化焊接裝備三個(gè)領(lǐng)域。基于此，本文從以上三個(gè)方面進(jìn)行綜述分析，為智能化FSW的后續(xù)發(fā)展提供參考。

2 智能化攪拌摩擦焊控制技術(shù)

焊接過程控制是保證FSW能夠在復(fù)雜路徑下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高精度焊接的關(guān)鍵。焊接過程控制系統(tǒng)通常依靠通信模塊使裝備、系統(tǒng)及傳感器形成閉環(huán)連接。焊接過程中將傳感器采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過系統(tǒng)進(jìn)行分析并形成控制指令，再通過通信模塊輸出該指令到焊接裝備進(jìn)行相關(guān)焊接參數(shù)、焊接路徑的調(diào)節(jié)修正。目前，F(xiàn)SW最主要涉及的控制手段包括力學(xué)控制、焊接軌跡控制及溫度控制。

2.1 力學(xué)控制

FSW過程中的力學(xué)參量主要包括焊接壓力、前進(jìn)阻力及轉(zhuǎn)矩等，其中焊接壓力的穩(wěn)定是保證焊接質(zhì)量的關(guān)鍵。為此，F(xiàn)SW的恒壓力控制技術(shù)得到了發(fā)展及應(yīng)用。恒壓力控制是指將FSW過程中的焊接壓力值作為被控制對(duì)象，以焊接壓力的預(yù)設(shè)值為目標(biāo)，對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的控制方式。一般通過攪拌工具與被焊工件接觸產(chǎn)生的接觸力進(jìn)行反饋，從而產(chǎn)生沿約束任務(wù)方向的位置容差，以確保焊接過程的穩(wěn)定[5]。為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，通常在FSW設(shè)備工作端安裝壓力傳感器，對(duì)Z軸方向的下壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將下壓力信號(hào)上傳至計(jì)算機(jī)。通過計(jì)算機(jī)上的壓力控制軟件對(duì)壓力信號(hào)進(jìn)行分析判斷，并向設(shè)備數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令，控制FSW設(shè)備工作端在Z軸方向的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接壓力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[6]。

壓力控制技術(shù)可應(yīng)用于龍門式、機(jī)器人等多形式的FSW裝備。例如，李晗等[6]利用自主搭建的恒壓力閉環(huán)控制系統(tǒng)完成了對(duì)傳統(tǒng)龍門式FSW專機(jī)的升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了焊接過程的恒壓力控制，所得到的壓力控制精度約為7%。MENDES等[7]通過將機(jī)器人第六軸、力學(xué)傳感器及電主軸同軸裝配，搭建了一套FSW壓力控制系統(tǒng)，如圖1a所示。利用該系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)，結(jié)果表明，在焊接初始階段，攪拌針下扎導(dǎo)致軸向力發(fā)生輕微過沖現(xiàn)象，下扎結(jié)束后恢復(fù)到壓力設(shè)定值，攪拌針行走階段機(jī)器人軸向受力較為穩(wěn)定，波動(dòng)較小，獲得了高質(zhì)量的焊縫，如圖1b所示。LONGHURST等[5]建立了下壓量和下壓力的函數(shù)關(guān)系，基于此開發(fā)了FSW壓力控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)焊接過程軸向力的穩(wěn)定控制。廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所在1000kg級(jí)重載FSW機(jī)器人上基于OPC協(xié)議開發(fā)了重載FSW恒壓力控制系統(tǒng)。通過采用恒壓力控制模式與常規(guī)恒位置控制模式進(jìn)行機(jī)器人FSW工藝對(duì)比試驗(yàn)，焊接壓力曲線如圖2所示。結(jié)果表明，恒壓力控制可顯著降低焊接過程的壓力波動(dòng)，提高焊接穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接缺陷的抑制[8，9]。

圖1 機(jī)器人FSW示意

圖2 焊接壓力曲線[8]

以恒壓力控制為代表的力學(xué)控制技術(shù)手段可顯著提高FSW穩(wěn)定性及產(chǎn)品質(zhì)量，證明了其可行性。未來的研究可在提升控制精度的同時(shí)，向著焊接壓力、扭矩、前進(jìn)阻力等多維度力學(xué)參量協(xié)同控制的方向發(fā)展，以進(jìn)一步提升FSW質(zhì)量及智能化程度。

2.2 焊接軌跡控制

在FSW生產(chǎn)中往往需要進(jìn)行長距離連續(xù)焊接，被焊工件形狀與尺寸的不均勻以及設(shè)備剛度不足均會(huì)導(dǎo)致焊縫發(fā)生偏移。針對(duì)上述問題，目前主要通過光學(xué)傳感器識(shí)別焊接軌跡并實(shí)時(shí)判斷焊縫偏差，進(jìn)而對(duì)焊接軌跡進(jìn)行在線修正[10]。例如德隆大學(xué)KARLSSON等[11]將外部激光焊縫跟蹤器安裝在主軸上，并使激光束置于攪拌工具前端3cm處（見圖3）。通過這種方法，將靜軸肩FSW的焊接軌跡精度控制在0.5mm，解決了由于焊接變形導(dǎo)致的焊縫偏移問題。BACKER等[12]基于LabVIEW開發(fā)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過采集激光傳感器和攝像機(jī)的數(shù)據(jù)來判斷焊接工具實(shí)時(shí)位置并進(jìn)行路徑補(bǔ)償。

圖3 焊縫跟蹤試驗(yàn)過程[11]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)高永卓團(tuán)隊(duì)[13]提出了一種基于Graph-Cut的焊縫點(diǎn)云提取方法，用以解決焊接過程中由于過度下扎造成的飛邊缺陷。如圖4所示，其工作原理是通過線性激光傳感器進(jìn)行高精度測(cè)量并完成焊縫的點(diǎn)云重構(gòu)，分析焊縫位移變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)下壓深度，最終實(shí)現(xiàn)了焊縫無飛邊的效果。

圖4 Graph-Cut機(jī)器人FSW系統(tǒng)示意[13]

除了光學(xué)手段外，利用力學(xué)信息也能實(shí)現(xiàn)焊接軌跡的控制。例如，F(xiàn)LEMING等[14，15]通過檢測(cè)力和扭矩信號(hào)的方式實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人FSW搭接接頭及T形接頭自動(dòng)跟蹤尋縫，獲得了較高質(zhì)量的焊縫。

目前，采用激光跟蹤進(jìn)行焊縫軌跡修正的方法更多集中在一維及二維平面焊接，隨著被焊工件形狀的復(fù)雜化，三維曲面的焊縫跟蹤也逐漸得到關(guān)注。例如，KARLSSON等[11]開發(fā)出了6D姿態(tài)預(yù)估粒子濾波算法，用于二維、三維曲面焊縫跟蹤，通過基于機(jī)器人關(guān)節(jié)編碼器、激光焊縫跟蹤器和6D力/扭矩傳感器協(xié)同完成，這種方法已經(jīng)在模擬仿真中得到了驗(yàn)證，但尚未在實(shí)際系統(tǒng)中進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.3 焊接溫度控制

在FSW過程中，由于工件不同位置散熱條件的差異，因此會(huì)導(dǎo)致焊接熱循環(huán)不一致，從而影響焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。為解決該問題，F(xiàn)SW過程溫度控制技術(shù)得到開發(fā)和應(yīng)用。目前，獲得FSW熱循環(huán)主要依賴于將熱電偶嵌入焊接工具或工件進(jìn)行直接測(cè)量。但是，嵌入熱電偶法要求在焊接工具或被焊工件上預(yù)置具有緊密精確公差的鉆孔，這極大地增加了工具成本和工作重復(fù)性。同時(shí)，嵌入熱電偶法采集頻率較低、溫度變化梯度較大，且焊接過程中熱電偶位置的變化也會(huì)極大地影響其對(duì)熱變化的反應(yīng)。因此，利用此方法進(jìn)行溫度控制僅適用于工作環(huán)境較好，方式簡(jiǎn)單的平面焊接[16，17]。為克服該問題，BACKER等[18]基于工具和工件之間的熱電效應(yīng)提出了一種通過溫度控制焊接參數(shù)的方法，用以保證焊接過程中的溫度穩(wěn)定，即TWT法。TWT原理如圖5所示。由圖5可知，利用FSW焊接工具和被焊工件之間的熱電特性差異，通過將焊接工具和被焊工件之間產(chǎn)生的熱梯度轉(zhuǎn)化為可測(cè)量的電壓梯度，然后利用熱電系數(shù)將測(cè)得的電壓轉(zhuǎn)化為溫度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)測(cè)量和控制。BACKER等[18]的試驗(yàn)結(jié)果表明，利用此溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行焊接時(shí)，扎入和穩(wěn)定焊接過程都近于系統(tǒng)所設(shè)定的溫度，不受位置及工件幾何形狀等因素的影響，溫度波動(dòng)范圍＜10℃。此外，SILVA-MAGALHAES等[19]利用TWT方法成功實(shí)現(xiàn)了AA6092零件與46000高壓氣缸的FSW焊接，進(jìn)一步證明了利用溫度控制來實(shí)現(xiàn)FSW對(duì)高度復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)件的焊接能力。

圖5 TWT原理

除了采用傳感器測(cè)量的方式外，江蘇科技大學(xué)張喆[20]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將位移、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度與前進(jìn)方向溫度建立相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)焊接過程中的溫度預(yù)測(cè)，并解決了溫度延遲反饋的問題。該方法通過模糊控制器以及模型預(yù)測(cè)控制器建立FSW溫度雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，輸入設(shè)定溫度并監(jiān)測(cè)輸入溫度與實(shí)際溫度的差值，利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)處理該數(shù)據(jù)并輸出調(diào)節(jié)攪拌工具轉(zhuǎn)速變化的指令，完成對(duì)焊接溫度的有效控制。該方法預(yù)測(cè)的溫度誤差及變化率小，溫度跟蹤性能較好，具有較高的執(zhí)行率。

綜上所述，提升FSW智能化控制水平是實(shí)現(xiàn)FSW智能化的關(guān)鍵。通過采用焊接力學(xué)，視覺及溫度等控制手段，能夠有效地提升焊接精度，增強(qiáng)FSW焊接過程的自適應(yīng)能力，進(jìn)一步拓展了FSW的應(yīng)用范圍。

3 攪拌摩擦焊大數(shù)據(jù)技術(shù)

隨著工業(yè)4.0和大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來，將大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)與FSW結(jié)合逐漸成為研究熱點(diǎn)。將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)與FSW進(jìn)行結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)焊接質(zhì)量的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，降低焊接工藝開發(fā)成本[21，22]。在上述領(lǐng)域，HARTL等[23]采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）方法對(duì)6082-T6鋁合金FSW焊縫表面質(zhì)量進(jìn)行了預(yù)測(cè)，該研究記錄了包括力、主軸扭矩、焊接溫度等9個(gè)不同變量對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，CNN非常適合預(yù)測(cè)FSW的表面質(zhì)量，預(yù)測(cè)精度可達(dá) 99.1%。DEHABADI等[24]用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)測(cè)了AA6061鋁合金FSW接頭的顯微硬度，通過真實(shí)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，平均誤差為5%～7.5%，表明該方法可以節(jié)省大量的時(shí)間、材料及成本。OKUYUCU等[25]基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)鋁合金FSW工藝數(shù)據(jù)挖掘軟件，用來預(yù)測(cè)焊接接頭質(zhì)量。軟件輸入端為焊接速度及工具轉(zhuǎn)速，輸出端為接頭屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷后伸長率和焊接接頭顯微硬度。其預(yù)測(cè)值和實(shí)際值誤差率均＜1%。此外，天津大學(xué)DU等[26，27]利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹方式構(gòu)建了機(jī)器學(xué)習(xí)模型，對(duì)FSW接頭孔洞缺陷和攪拌工具使用壽命進(jìn)行了研究。焊接孔洞缺陷預(yù)測(cè)模型（見圖6中A部分）的輸入端包括4種變量，分別為溫度、應(yīng)變率、扭矩和最大剪切應(yīng)力，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，最終孔洞缺陷預(yù)測(cè)分析的準(zhǔn)確性可達(dá)96.6%[26]。焊接工具失效預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)（見圖6中B部分）采用溫度、橫向力、最大剪切應(yīng)力、流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變率及扭矩等6個(gè)特征參量作為輸入端對(duì)攪拌頭失效進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，上述特征參量在攪拌頭失效分析中表現(xiàn)出較高的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性，最高可達(dá)98%。6個(gè)特征參量對(duì)攪拌頭破壞影響的重要性依次為最大剪切應(yīng)力、流動(dòng)應(yīng)力、應(yīng)變率、橫向力、扭矩及峰值溫度[27]。

圖6 焊縫孔洞缺陷及焊具壽命預(yù)測(cè)計(jì)算模型[26，27]

SURYANARAYANAN等[28]開發(fā)了基于云計(jì)算的自動(dòng)數(shù)控FSW模塊。采集數(shù)據(jù)包括工具材料、工具幾何形狀、工具轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸向力和工具傾斜角度。該自動(dòng)數(shù)控FSW模塊包括一個(gè)專家系統(tǒng)，可以通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，遺傳算法等方式在基于焊接效率和攪拌頭壽命的基礎(chǔ)上選取最佳焊接參數(shù)。

總之，通過與大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)結(jié)合，可以極大地提高FSW工藝開發(fā)效率，降低制造成本。其中，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能技術(shù)因其強(qiáng)大的多維非線性擬合和泛化能力，具有高效精準(zhǔn)的顯著優(yōu)勢(shì)。但這種方法對(duì)于數(shù)據(jù)量的依賴性較強(qiáng)，需要進(jìn)行大量的工藝試驗(yàn)并進(jìn)行整合訓(xùn)練，同時(shí)對(duì)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，因此需要一定時(shí)間來進(jìn)行數(shù)據(jù)的豐富與完善。

4 智能化焊接裝備

FSW設(shè)備是實(shí)現(xiàn)智能化FSW的關(guān)鍵，將工業(yè)機(jī)器人與FSW技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)機(jī)器人攪拌摩擦焊高端裝備是實(shí)現(xiàn)FSW智能化的必要手段。從1996年起，一些企業(yè)開始著手研發(fā)基于機(jī)器人的FSW技術(shù)，主要分為串聯(lián)式和并聯(lián)式兩種機(jī)器人FSW設(shè)備，其中具有代表性的是美國的Tower Automotive以及德國的GKSS公司[29，30]。如圖7a所示，Tower Automotive基于ABB IRB 6400機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的串聯(lián)式機(jī)器人FSW設(shè)備，由于研發(fā)較早，該設(shè)備的系統(tǒng)采用20世紀(jì)90年代早期計(jì)算機(jī)技術(shù)，致使控制系統(tǒng)響應(yīng)較慢，并且FSW焊接過程中機(jī)器人所受到的扭矩是根據(jù)機(jī)器人6個(gè)電動(dòng)機(jī)扭矩?cái)?shù)值計(jì)算得出的，因此無法準(zhǔn)確且迅速地計(jì)算出實(shí)際工作狀態(tài)下的力，僅適用于3mm以下的薄板鋁合金焊接。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，該型號(hào)的機(jī)器人設(shè)備已經(jīng)改進(jìn)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)并開發(fā)出具有積分力測(cè)量功能的電主軸，現(xiàn)已逐步應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。然而，由于機(jī)器人剛度較差，復(fù)雜的焊接路徑及厚板焊接仍然存在困難。GKSS公司考慮了機(jī)器人的剛度問題，采取Neos Tricept并聯(lián)型號(hào)的機(jī)器人作為本體（見圖7b）。與串聯(lián)機(jī)器人相比，并聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，變形小，可以承受更高的載荷及扭矩，但工作范圍有限且成本較高，多用于實(shí)驗(yàn)室研究。

圖7 機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備[30]

近年來，機(jī)器人FSW技術(shù)得到快速發(fā)展，KUKA、FANUC和歐宇航（EADS）等公司紛紛推出商業(yè)化機(jī)器人FSW設(shè)備。國內(nèi)對(duì)于機(jī)器人FSW研究起步較晚，2014年，中航工業(yè)賽福斯特公司與KUKA公司聯(lián)合開發(fā)了國內(nèi)第一臺(tái)機(jī)器人FSW設(shè)備，并在機(jī)器人攪拌摩擦焊工程化應(yīng)用方面不斷探索，為機(jī)器人攪拌摩擦焊在中國的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[31]。隨后，哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)等相關(guān)院所相繼開展了機(jī)器人FSW的研究，使機(jī)器人FSW技術(shù)在國內(nèi)迅速推廣，但機(jī)器人剛度及穩(wěn)定性問題依然有待提高[30]。基于此，廣東省科學(xué)院中烏焊接技術(shù)研究所于2017年基于KUKA KR-Titan 1000型重載機(jī)器人自主開發(fā)了機(jī)器人FSW設(shè)備。如圖8所示，該設(shè)備主要包括14個(gè)關(guān)鍵零部件，最大載荷可達(dá)1000kg，大幅度提高了工業(yè)焊接能力，最高可以實(shí)現(xiàn)13mm厚鋁合金的穩(wěn)定焊接[32]。此外，萬洲焊接公司針對(duì)多工況作業(yè)及焊后鋁屑堆積的問題，開發(fā)出了智能工具交換系統(tǒng)及自動(dòng)修磨機(jī)器，相比于人工換刀及清屑，效率可提高20倍以上，可滿足機(jī)械制造柔性化生產(chǎn)和應(yīng)用多樣化需求，提升焊接效率。

圖8 重載機(jī)器人FSW系統(tǒng)[32]

總體來看，機(jī)器人FSW相對(duì)于傳統(tǒng)FSW優(yōu)勢(shì)更為突出，設(shè)備研發(fā)日益成熟，在工程應(yīng)用方面也取得了重大突破，但由于機(jī)器人的剛度較差，如何提升焊接穩(wěn)定性及精度仍有待進(jìn)一步研究。

5 接頭組織與力學(xué)性能

對(duì)焊后工件進(jìn)行微觀組織和力學(xué)性能的相關(guān)性分析，深入研究被焊工件的連接機(jī)理，對(duì)開發(fā)穩(wěn)定的焊接工藝以及推動(dòng)智能化攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。MAGALH?ES等[33]分別采用TWT及常規(guī)FSW方式對(duì)AA7075-T6鋁合金進(jìn)行搭接試驗(yàn)，試驗(yàn)在不同熱導(dǎo)率的墊板上進(jìn)行，焊縫橫截面組織形貌如圖9所示。由圖9可看出，采用TWT溫度控制方法焊接后，在不同熱導(dǎo)率墊板上焊接的接頭前進(jìn)側(cè)Hook線曲率均有一定程度的下降，其中，基于Cu墊板焊接的接頭前進(jìn)側(cè)孔洞缺陷獲得明顯改善，這一現(xiàn)象表明，TWT溫度控制對(duì)FSW的接頭焊接質(zhì)量具有積極作用。董春林等[9，34]采用恒壓力控制模式對(duì)1561鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊焊接試驗(yàn)，獲得性能穩(wěn)定的焊接接頭，并建立了下壓力與焊縫魚鱗紋的特征關(guān)系，即攪拌頭每轉(zhuǎn)5圈，下壓力經(jīng)過一次完整的周期性振動(dòng)。同時(shí)對(duì)焊接過程中的組織演變進(jìn)行了深入分析，母材、熱影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)及攪拌區(qū)的接頭微觀形貌如圖10所示。從圖10可看出，母材經(jīng)過軋制后，晶粒內(nèi)部存在大量亞結(jié)構(gòu)組織，經(jīng)過FSW加工后，在焊接熱循環(huán)的作用下熱影響區(qū)晶粒發(fā)生明顯生長，晶粒內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)逐漸消失，發(fā)生了回復(fù)現(xiàn)象，平均晶粒尺寸由母材的6.0μm長大至10.9μm（見圖10b）。熱機(jī)影響區(qū)晶粒在焊接熱輸入和機(jī)械攪拌的共同作用下沿一定方向拉長，其中部分組織發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象。攪拌區(qū)晶粒發(fā)生完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，組織形貌為細(xì)小的等軸晶，平均晶粒尺寸為4.0μm，晶粒內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)較少（見圖10d）。張炯等[35]基于ABB攪拌摩擦焊機(jī)器人對(duì)5mm厚AZ31B-H24鎂合金進(jìn)行環(huán)縫對(duì)接試驗(yàn)，獲得了表面成形良好、無缺陷的焊縫，不同位置的接頭強(qiáng)度均達(dá)到母材強(qiáng)度的97%以上。基于機(jī)器人控制系統(tǒng)的FSW可以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的鎂合金環(huán)縫對(duì)接，能夠有效地避免常規(guī)FSW過程中控制精度低、焊接參數(shù)難以實(shí)時(shí)調(diào)整的問題。FRATINI等[36，37]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與有限元模擬相結(jié)合，以應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度的局部數(shù)值作為輸入端，平均晶粒尺寸作為輸出端，來預(yù)測(cè)鋁合金攪拌摩擦焊后的最終微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而與接頭的力學(xué)性能建立相關(guān)性。平均晶粒尺寸的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比如圖11所示，表現(xiàn)出非常良好的一致性。

圖9 不同墊板下的AA7075-T6鋁合金搭接接頭橫截面形貌[33]

圖10 接頭微觀形貌[34]

圖11 平均晶粒度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比[36]

此外，沈陽航空航天大學(xué)HU和LIU等[38，39]利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了Al/Mg異種金屬超聲波輔助攪拌摩擦焊接工藝，接頭最高強(qiáng)度可達(dá)160MPa。該研究中最優(yōu)參數(shù)下獲得的接頭微觀組織如圖12所示。由圖12可看出，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化后的焊接接頭具有更復(fù)雜的材料流動(dòng)特征，界面處材料混合更加充分，產(chǎn)生大量機(jī)械互鎖結(jié)構(gòu)，從而提高了接頭的結(jié)合強(qiáng)度。

圖12 最優(yōu)參數(shù)下獲得的接頭微觀組織

上述研究結(jié)果表明，通過智能化手段的運(yùn)用，可以有效地控制FSW接頭組織形態(tài)，使焊接過程更加穩(wěn)定。此外，可極大地縮短焊接工藝的開發(fā)時(shí)間，在保證獲得高質(zhì)量焊接接頭的同時(shí)節(jié)約生產(chǎn)成本，對(duì)推動(dòng)FSW技術(shù)的工程化應(yīng)用具有重要意義。

6 結(jié)束語

在制造業(yè)向智能化發(fā)展的趨勢(shì)下，F(xiàn)SW技術(shù)從焊接過程感知及自適應(yīng)控制、工藝開發(fā)智能決策及質(zhì)量預(yù)測(cè)、焊接裝備多自由度等方面快速發(fā)展，但仍需從以下幾個(gè)方面進(jìn)行深入研究。

1）FSW過程自適應(yīng)控制手段主要涉及壓力控制、焊縫軌跡控制、溫度控制等方面，其中恒壓力控制技術(shù)較為成熟并用于實(shí)際生產(chǎn)。然而，現(xiàn)有的控制過程大多采取單輸出變量模式，多參量混合控制將是進(jìn)一步提升焊接過程智能控制的關(guān)鍵。

2）將大數(shù)據(jù)技術(shù)成功應(yīng)用于FSW工藝開發(fā)及質(zhì)量預(yù)測(cè)。但是，目前的研究還限于特定的工況和焊接工藝，對(duì)于焊接質(zhì)量及過程參量還缺乏統(tǒng)一的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，焊接數(shù)據(jù)數(shù)量還有待提升。

3）將工業(yè)機(jī)器人與FSW技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)機(jī)器人攪拌摩擦焊高端裝備是實(shí)現(xiàn)FSW智能化的必要手段，但仍需克服機(jī)器人剛度低的弱點(diǎn)，如何提升機(jī)器人FSW穩(wěn)定性及精度是后續(xù)研究的重點(diǎn)。

4）通過智能化控制手段改善了焊接接頭的結(jié)晶組織，減少焊接缺陷出現(xiàn)的概率，從而有效地提高焊接接頭的力學(xué)性能。