雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究

陳書(shū)錦，胡曉晴，蘆 笙，高延敏，王 宇

（江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

摩擦焊接實(shí)驗(yàn)是焊接技術(shù)與工程專業(yè)、材料成型專業(yè)本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要實(shí)驗(yàn)。目前關(guān)于摩擦焊實(shí)驗(yàn)裝置有：連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊、慣性摩擦焊、常規(guī)單軸肩攪拌摩擦焊等［1－5］，而作為最新發(fā)展的雙軸肩（bobbin tool），也有稱為SRPT（self reactive pin tool）攪拌摩擦焊接技術(shù)，目前高校實(shí)驗(yàn)室鮮有相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝備［6－7］。如果在常規(guī)攪拌摩擦焊機(jī)上進(jìn)行改裝，則只能做一些工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)，無(wú)法有效揭示焊接過(guò)程中的參數(shù)變化規(guī)律，滿足不了當(dāng)前專業(yè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要。當(dāng)前，市面上很難購(gòu)買(mǎi)合乎要求的雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)，因此本研究基于數(shù)字化控制技術(shù)，研制了雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)［8］。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用工控機(jī)、可編程邏輯控制器為核心，基于專用運(yùn)動(dòng)控制模塊、單片機(jī)控制板構(gòu)成曲線焊接控制系統(tǒng)，以完成學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；以溫度測(cè)量、攪拌頭受力測(cè)量裝置為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了焊接數(shù)據(jù)測(cè)控平臺(tái)，旨在培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題的能力［9－11］。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(shù)是一種新型的焊接方法［12］，與常規(guī)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(shí)對(duì)工件摩擦生熱，所以能夠消除未焊透等缺陷，這一改進(jìn)大大降低了焊接過(guò)程中的鍛壓力，提高了狹小空腔及筒體等復(fù)雜結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接的可操作性，同時(shí)節(jié)省了制造剛性裝置的成本，因而備受?chē)?guó)內(nèi)外關(guān)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(gè)共用的攪拌針連接上、下軸肩，這2個(gè)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(dāng)攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿著焊縫方向行進(jìn)時(shí)，所產(chǎn)生的熱量使被焊工件塑化，在攪拌針和上下軸肩的同時(shí)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(jī)結(jié)構(gòu)及原理

如圖2所示，雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)主要由機(jī)械本體、攪拌摩擦頭、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及其控制系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)組成。機(jī)械本體包括工作臺(tái)、機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)及控制系統(tǒng)主要用于實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦頭旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)的平面移動(dòng)等焊接動(dòng)作。

整個(gè)焊接裝置安裝在機(jī)頭上，機(jī)頭輸出軸通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞給從動(dòng)齒輪，為攪拌頭旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力。攪拌針與中心軸連接，中心軸由上而下，穿過(guò)壓力傳感器、平面軸承、上軸肩，在電機(jī)和燕尾槽滑動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下，中心軸可產(chǎn)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(chǎn)生相對(duì)軸向位移。

攪拌頭設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)是整個(gè)焊機(jī)的核心之一。本研究提出了一種分體式雙向可調(diào)節(jié)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(shè)計(jì)，攪拌針與上軸肩、攪拌針與下軸肩都通過(guò)緊定螺釘進(jìn)行固定以防止相對(duì)旋轉(zhuǎn)。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(gè)螺母即可阻止上下軸肩向攪拌針的兩端運(yùn)動(dòng)，而松開(kāi)緊定螺釘、旋轉(zhuǎn)螺母即可雙向調(diào)節(jié)上下軸肩間距。本設(shè)計(jì)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(shí)攪拌針與上下軸肩彼此獨(dú)立，拆裝方便，部分組件出現(xiàn)損壞可輕松替換，不會(huì)造成整體損失，從而節(jié)約材料。

圖2 雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 可調(diào)節(jié)雙軸肩攪拌摩擦頭

1.3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖4?？刂葡到y(tǒng)的核心控制部件是工控機(jī)（研華610L）和PLC（FX3U－48MT＋FX2N20GM），工控機(jī)用于控制算法運(yùn)行，PLC在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)工作臺(tái)x、y向電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制和主軸電機(jī)的旋轉(zhuǎn)控制。輸入到主控制器的焊接參數(shù)有：焊接速度、主軸旋轉(zhuǎn)速度、軸向力、平面受力、前導(dǎo)區(qū)溫度等焊接參數(shù)。

圖4 雙軸肩攪拌摩擦焊機(jī)控制結(jié)構(gòu)框圖

首先以MCGS觸摸屏為人機(jī)交互界面，以工控機(jī)為焊接參數(shù)采集、計(jì)算單元，A／D采集模塊采集x、y方向的阻力、攪拌針?biāo)惺艿妮S向力、焊接區(qū)域溫度，然后傳送至工控機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，最后將動(dòng)作指令傳送至PLC；PLC通過(guò)專用運(yùn)動(dòng)模塊FX2N20GM，控制3臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而控制工作臺(tái)x、y方向和機(jī)頭z方向的位移；同時(shí)通過(guò)串口與變頻器通信，間接控制主電機(jī)，實(shí)現(xiàn)控制攪拌頭的轉(zhuǎn)速，從而完成整個(gè)焊接過(guò)程。

2 焊接參數(shù)檢測(cè)與控制

焊接過(guò)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(zhuǎn)，盡管實(shí)現(xiàn)了焊接，但是攪拌針承受了巨大、不均勻的拉力，同時(shí)在焊接方向上承受了行進(jìn)阻力，因此在雙軸肩攪拌摩擦焊接過(guò)程中，與常規(guī)攪拌摩擦焊相比需要增加參數(shù)測(cè)控。

2.1 攪拌針軸向力檢測(cè)

在焊接過(guò)程中，由于攪拌摩擦頭處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此難以采用傳統(tǒng)方法檢測(cè)軸向力，本研究采用無(wú)線傳輸?shù)姆椒ń鉀Q這個(gè)問(wèn)題，如圖5所示。

圖5 軸向力信號(hào)檢測(cè)模塊結(jié)構(gòu)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(cè)精確度和安裝方便，在軸心對(duì)稱放置了3個(gè)壓力傳感器，同時(shí)對(duì)3個(gè)傳感器進(jìn)行采樣。

壓力傳感器采用具有高彈性、抗沖擊和振動(dòng)特性的CPS182陶瓷壓阻壓力傳感器，其響應(yīng)時(shí)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(cè)及無(wú)線傳輸電路安裝在平面軸承上方的開(kāi)放式空腔中。軸向力無(wú)線信號(hào)送入相應(yīng)的接收模塊后，最后通過(guò)串口送入工控機(jī)。圖6為測(cè)得的軸向力信號(hào)曲線。

圖6 軸向力信號(hào)曲線

2.2 攪拌摩擦頭平面受力檢測(cè)

由于在焊接過(guò)程中攪拌摩擦頭承受了很大的行進(jìn)阻力，如果參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，極有可能導(dǎo)致攪拌針斷裂，因此為了保證攪拌頭的安全，本系統(tǒng)中通過(guò)專用力傳感器采集攪拌針?biāo)艿钠矫媪Φ拇笮。诒缓腹ぜ系乃闹馨卜艤y(cè)力夾具，如圖7所示。通過(guò)檢測(cè)A、B、C、D、E、F、G、H這8個(gè)位置所受到的力，即可計(jì)算出攪拌針?biāo)艿降暮狭Α?/p>

圖7 測(cè)力夾具

各點(diǎn)的受力信號(hào)通過(guò)放大線路后，送入數(shù)據(jù)采集卡，最后由工控機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)和顯示。平面力信號(hào)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(yōu)勢(shì)在于可以焊接曲線構(gòu)件，為了體現(xiàn)這一特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了曲線雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)。曲線焊接的關(guān)鍵執(zhí)行部件是定位模塊（FX2N20GM）和驅(qū)動(dòng)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(hào)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(biāo)系xoy及焊縫零點(diǎn)（起始點(diǎn)）；將待焊縫在x方向上平均分成若干份（可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定），在各個(gè)等分點(diǎn)繪制平行于y軸的虛線，得到交匯點(diǎn)，然后分別計(jì)算出各交匯點(diǎn)在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值（0，0）、（x1，y1）、（x2，y2）、（x3，y3）……，如圖10所示；最后編寫(xiě)程序，將上述獲得的各坐標(biāo)值寫(xiě)給20GM定位模塊，并給定各圓弧段的半徑r，調(diào)用定位指令cod02（cw）或者cod03（ccw），由20GM 進(jìn)行連續(xù)圓弧插補(bǔ)，驅(qū)動(dòng)x、y軸伺服電機(jī)，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(dǎo)區(qū)溫度閉環(huán)控制方法

在焊接過(guò)程中，攪拌摩擦頭前方的金屬塑化程度直接影響著焊接質(zhì)量，而溫度則是金屬塑化的重要標(biāo)志，因此對(duì)焊接前方區(qū)域溫度即前導(dǎo)區(qū)溫度進(jìn)行監(jiān)控具有重要意義。

選取前方某位置為目標(biāo)點(diǎn)，焊接過(guò)程中，以該點(diǎn)溫度為反饋，建立的溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)見(jiàn)圖11。由于溫度是緩變量，因此必須采用滯后控制補(bǔ)償措施，以期將滯后部分影響控制在環(huán)路之外。

圖11 溫度控制框圖

如圖12所示，對(duì)前導(dǎo)區(qū)溫度進(jìn)行控制時(shí)，采用常規(guī)PID控制器與Smith預(yù)估器相結(jié)合的方法，用以避免系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩、保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

以一階慣性環(huán)節(jié)和純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)來(lái)表示焊接溫度模型，則預(yù)估器的輸出V′（k）可表示為

圖12 Smith預(yù)估器結(jié)構(gòu)

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(shí)間常數(shù)，kf為溫度模型放大系數(shù)，τ為純滯后時(shí)間。

通過(guò)設(shè)計(jì)PID控制器和預(yù)估器，可以實(shí)現(xiàn)焊接前導(dǎo)區(qū)溫度閉環(huán)反饋控制。

3 可進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)

本系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理直觀清晰，可開(kāi)設(shè)以下實(shí)驗(yàn)：

（1）雙軸肩攪拌摩擦焊常規(guī)實(shí)驗(yàn)；

（2）攪拌針的軸向受力檢測(cè)與分析；

（3）攪拌摩擦頭平面受力檢測(cè)與分析；

（4）雙軸肩攪拌摩擦焊曲線焊接實(shí)驗(yàn)；

（5）焊接前導(dǎo)區(qū)溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

開(kāi)展雙軸肩攪拌磨擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的自制工作，促進(jìn)了我校攪拌摩擦焊接技術(shù)的新發(fā)展，促進(jìn)了我院本科、研究生教學(xué)和教師科研水平的提升。雙軸肩攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為更好地提高學(xué)生的綜合素質(zhì)、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力和工程素養(yǎng)提供了平臺(tái)。針對(duì)本科生、研究生已開(kāi)設(shè)了一系列實(shí)驗(yàn)選修課程。

（

）

［1］王敬和，曲伸，祝文卉.現(xiàn)代摩擦焊技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展［J］.航空制造技術(shù)，2006（5）：14－15.

［2］Jeong H S，Cho J R，Oh J S.et a1.Inertia friction welding process analysis and mechanical properties evaluation of large rotor shaft in marine turbo charger［J］.International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2010，11（1）：83－88.

［3］Posadam，Nguyenjp，F(xiàn)orrest D R，et al.Friction stir welding advanced joining technology［J］.Amptiac Quarterly，2003（7）：13－20.

［4］欒國(guó)紅，關(guān)橋.攪拌摩擦焊：革命性的宇航制造新技術(shù)［J］.航天制造技術(shù)，2003，4（8）：16－23.

［5］侯曉鵬，楊新岐，崔雷，等.6061－T4鋁合金T型接頭攪拌摩擦焊工藝［J］.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào)，2013（11）：3048－3055.

［6］韓文妥，許鴻吉，李光，等.幾種新型攪拌摩擦焊技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2008（21）：48－51.

［7］Edwards R，ssrlva G.Recent advances in welding of aluminumalloys using a self reacting pin tool（SRPT）approach with application examples［C］／／Proceedings of 7th International Con－ference on trends in Welding Research，Georgia，USA，2005.

［8］吳開(kāi)源，黃石生，李陽(yáng)，等.弧焊電源的數(shù)字化控制技術(shù)［J］.半導(dǎo)體技術(shù)，2005（1）：13－20.

［9］李全利.PLC運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)踐［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009（8）：1－9.

［10］秦忠基.一種適用的單片機(jī)和變頻器的接口［J］.微計(jì)算機(jī)信息，1999（2）：69－70.

［11］白日午.焊接溫度的測(cè)量與控制［J］.焊管，1995，19（5）：50－53.

［12］Thomas W M，Wiesner C S，Marksetc D J.Conventional and bobbion friction stir welding of 12%chrominum alloy steel using composite refractory tool materials［J］.Science and Technology of welding and Joining.2009 ，14（3）：247－253.