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    攪拌摩擦焊接過程控制研究綜述

    2015-09-26 12:34:52陳書錦薛俊榮李浩倪瑞洋周洋
    精密成形工程 2015年5期
    關(guān)鍵詞:扭矩軸向摩擦

    陳書錦,薛俊榮,李浩,倪瑞洋,周洋

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

    自從1991年攪拌摩擦焊接(Friction Stir Welding,F(xiàn)SW)技術(shù)誕生以來[1],人們對于這項綠色高效的固相連接技術(shù)的研究方興未艾。經(jīng)過20多年的發(fā)展,F(xiàn)SW技術(shù)能夠焊接鋁合金、鎂合金、鈦合金、銅合金、鋼等材料[2—3],特別適用于弧焊效果不好的金屬;同時也衍生出了攪拌摩擦加工[4]、攪拌摩擦點(diǎn)焊[5]、雙軸肩攪拌摩擦焊接[6]等技術(shù)。

    當(dāng)前焊接過程正朝向高度自動化方向發(fā)展。攪拌摩擦焊機(jī)是典型的機(jī)電系統(tǒng),與傳統(tǒng)意義的銑床頗為相似,因此易于在現(xiàn)有數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展焊接過程的自動控制技術(shù)。然而攪拌摩擦焊接過程與銑削過程大不相同,影響焊接過程的因素很多,如焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度、攪拌頭形狀、下壓量等,這些參數(shù)都會影響焊接質(zhì)量,因此需要首先對相關(guān)焊接過程參數(shù)進(jìn)行檢測[7—11],然后分析這些參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。眾多研究集中于焊接參數(shù)特征及相互關(guān)系、產(chǎn)熱機(jī)制及其模型、焊接參數(shù)對焊縫的微觀組織影響、接觸界面摩擦行為、焊縫動態(tài)再結(jié)晶行為等方面,這些研究為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接自動化提供了豐厚的基礎(chǔ);然而如要實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接自動控制,還需要從控制的角度開展更多的研究,從而促使這一復(fù)合交叉領(lǐng)域取得進(jìn)一步發(fā)展。文中則從主要參數(shù)檢測與分析、控制模型、控制算法等角度出發(fā),力圖綜述焊接過程參數(shù)測控技術(shù)研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢,為攪拌摩擦焊接技術(shù)的應(yīng)用研究提供一個新的視角。

    1 攪拌摩擦焊接過程參數(shù)檢測與分析

    常見的攪拌摩擦焊接過程參數(shù)有:旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、下壓量、焊接扭矩、前進(jìn)阻力、焊接區(qū)域溫度。對于常規(guī)FSW來說,還要考慮攪拌頭的下壓量、軸向壓力;對于雙軸肩攪拌摩擦焊接來說,上下軸肩間距、攪拌針?biāo)惺芾σ脖仨氁右钥紤]。上述的過程參數(shù)中,通過安裝相應(yīng)傳感器,旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、焊接扭矩容易被檢測、顯示和記錄,然而焊接區(qū)域溫度、攪拌頭受力(軸向壓力、攪拌針軸向拉力、前進(jìn)阻力)的檢測過程較為復(fù)雜。

    1.1 焊接區(qū)域溫度檢測與分析

    1.1.1 溫度檢測方法

    非接觸式表面溫度檢測是常用的方法之一,如紅外測溫[12],利用被測物體的熱輻射,按照被測工件的亮度或輻射能量的大小,從而間接地推算出被測物體的溫度。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是測溫過程對工件沒有影響,但也具有準(zhǔn)確性不高、難以測得工件內(nèi)部溫度的缺點(diǎn)。

    接觸式溫度檢測方式可用于材料表面或內(nèi)部溫度檢測。焊接區(qū)域溫度呈現(xiàn)非對稱特征,一般通過選取特征點(diǎn)的方法,在工件表面或內(nèi)部埋入熱電偶進(jìn)行實(shí)際溫度測量,這種測量方法簡單可靠,但是需要在試板上開孔,這會影響試板的實(shí)際溫度場,帶來一定的測量誤差;此外,溫度是大慣量信號,熱電偶所反映試板上的實(shí)際溫度,存在著一定的滯后時間。

    此外,檢測攪拌頭溫度或攪拌頭/工件接觸面的溫度時,可采用埋放熱電偶的方式進(jìn)行檢測,為了解決攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)帶來的連線問題,可采用無線技術(shù)解決溫度信號的傳輸問題[13]。以雙軸肩攪拌摩擦焊接為例,檢測攪拌頭溫度或攪拌頭/工件接觸面溫度的方法如圖1所示,在攪拌頭側(cè)面開設(shè)小通孔,用于安裝熱電偶,熱電偶的信號經(jīng)過AD采集、無線收發(fā)電路后,最后進(jìn)入控制器。這種無線傳輸?shù)姆椒ㄟ€可以用于焊接扭矩、軸向力的檢測中。

    圖1 攪拌頭溫度檢測與傳輸裝置結(jié)構(gòu)Fig.1 Stir-welding head temperature detection and transmission device structure

    1.1.2 溫度的影響因素

    FSW過程是一個熱-流-力耦合的復(fù)雜固相焊接過程,包括溫度瞬態(tài)變化、材料軟化塑性流動、動態(tài)再結(jié)晶、應(yīng)力應(yīng)變耦合,因此其產(chǎn)熱機(jī)制較為復(fù)雜。焊接熱量來源主要有:(1)攪拌頭與工件之間的摩擦力做功轉(zhuǎn)化的熱量;(2)被焊部位強(qiáng)烈的塑性變形。對攪拌摩擦焊溫度場的分析是深入研究各種工藝參數(shù)、焊接缺陷、組織結(jié)構(gòu)和組織性能的前提[14]。研究發(fā)現(xiàn),在一定的焊接速度條件下,隨著旋轉(zhuǎn)速度的提高,攪拌頭最高溫度升高而扭矩降低,且采用螺紋形攪拌針時試板的溫度低于采用圓柱形攪拌針時的溫度[15]。Friggrd等人認(rèn)為塑性變形產(chǎn)熱是主要的產(chǎn)熱形式[16],但攪拌針的產(chǎn)熱比例也能達(dá)到 20%[17]。

    1.2 攪拌頭受力檢測與分析

    1.2.1 檢測方法

    與攪拌頭受力相關(guān)參數(shù)有軸向力、前進(jìn)阻力、扭矩等,國內(nèi)外對攪拌摩擦焊接過程中攪拌頭的受力情況展開了積極探索,但一直以來,攪拌頭的受力檢測沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和方法。

    從檢測的手段來看,可分為間接法和直接法。間接法通過檢測其他相關(guān)物理量來獲取受力信號。如可通過監(jiān)控攪拌摩擦焊機(jī)裝備的伺服電機(jī)的扭矩輸出和主軸電機(jī)電流,間接測出扭矩、前進(jìn)力和軸向力[18]。

    直接法就是在焊機(jī)相應(yīng)位置安裝測力傳感器,通過傳感器的輸出來獲取受力信號,但需要較高的成本??蓪毫鞲衅髦糜诹W(xué)信號測量裝置上,通過JW5200型數(shù)據(jù)采集儀采集傳感器輸出的電壓信號,并直接得出電壓-時間圖像[19];亦或?qū)X板置于銑床工作臺上平口鉗的鉗口間,使它處于能縱向自由竄動,但不能橫向移動的狀況,底面和側(cè)面涂上石墨粉,以盡量減小鋁板底面與墊板和側(cè)面與鉗口之間的摩擦,同時用攪拌針前進(jìn)阻力動態(tài)測定裝置、壓力傳感器(L6D)和函數(shù)記錄儀測量和記錄攪拌針前進(jìn)阻力Fr[20]。

    1.2.2 影響攪拌頭受力的因素

    攪拌頭與被焊板材之間作用力通過產(chǎn)熱與塑性金屬流動兩個方面影響整個焊接過程,焊接速度一定時,攪拌頭與被焊金屬之間作用力隨轉(zhuǎn)速提高而減小,而轉(zhuǎn)速一定時作用力隨焊速增大而增大[21];焊接速度的影響可忽略不計時,扭矩隨轉(zhuǎn)速增大而減小;前進(jìn)阻力大小與焊接速度成正比,即焊接速度越高,前進(jìn)力越大,但軸向力顯著大于前進(jìn)力[18]。對于傳統(tǒng)的單軸肩攪拌摩擦焊接來說,插入階段工藝參數(shù)對軸向力及扭矩也有一定影響,插入階段最大軸向力和最大扭矩幾乎同時出現(xiàn)在插入的尾段,若轉(zhuǎn)速不變、減小插入速度,或保證插入速度不變、增加轉(zhuǎn)速,都可以降低最大軸向力和最大扭矩[22]。旋轉(zhuǎn)速度相同、下壓量不同時,攪拌頭扭矩隨下壓作用力增大而增大,而下壓量相同、旋轉(zhuǎn)速度不同時,攪拌頭扭矩隨旋轉(zhuǎn)速度升高而減小,其中旋轉(zhuǎn)速度通過溫度和材料的應(yīng)變速率兩個途徑對攪拌頭扭矩產(chǎn)生影響,而溫度的影響作用更顯著[23]。

    2 FSW過程控制研究

    由上文分析可知,影響攪拌摩擦焊接質(zhì)量的參數(shù)較多,包括攪拌頭的外形及所承受的力(包括軸向力、前進(jìn)阻力、側(cè)向力、扭矩)、壓入深度、焊接速度、旋轉(zhuǎn)速度等,僅僅依靠類似于數(shù)控機(jī)床的功能是不能實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接自動化的。在攪拌頭外形確定的條件下,一般選擇可控且易于操作的參數(shù)進(jìn)行分析。圍繞壓入深度、攪拌頭受力、焊接區(qū)域溫度進(jìn)行焊接過程控制是研究重點(diǎn)。

    2.1 焊接區(qū)域溫度控制

    2.1.1 離線溫度控制方式

    離線溫度控制方式則通過數(shù)值模擬揭示FSW焊接區(qū)域溫度變化規(guī)律。數(shù)值模擬研究主要集中在熱-力-流耦合,或者是其中兩個耦合。通?;诩羟惺綆靷惤佑|產(chǎn)熱模型[24],通過不同的接觸形式(粘性接觸、滑動接觸、部分粘性/滑動接觸)來確定產(chǎn)熱模型。近年來,人們已經(jīng)建立了完全的熱-流-力耦合模型,不僅加入了隨溫度變化的摩擦因數(shù),還能建立不同階段的焊縫狀態(tài),不僅能夠仿真出焊接過程缺陷,甚至還能仿真出飛邊。通過熱力耦合有限元仿真,可以揭示焊接溫度場的分布特征[25—26],獲取焊接過程的瞬態(tài)溫度,分析焊接區(qū)域內(nèi)部位于攪拌頭后方的塑性流動區(qū)域,通過熱應(yīng)力來預(yù)測冷卻后的殘余應(yīng)力[27]。相關(guān)研究表明,常規(guī)FSW焊縫的溫度場梯度呈現(xiàn)上密下疏、前密后疏的分布狀態(tài),前進(jìn)側(cè)溫度梯度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后退側(cè)[28],后退側(cè)溫度比前進(jìn)側(cè)溫度高[29—30]。對雙軸肩攪拌摩擦焊接溫度場的研究表明,溫度場橫截面云圖成“啞鈴形狀”,與金相輪廓線吻合,且出現(xiàn)2個高溫區(qū),分別位于上軸肩和下軸肩[31]。

    通過上述數(shù)值模擬方式,可以獲取焊接工藝窗口或攪拌頭設(shè)計要求,再用于指導(dǎo)實(shí)踐,但這種方式周期較長,難以在線反饋控制焊接溫度。

    2.1.2 在線溫度控制方式

    為了研究工具/工件接觸面溫度對焊接質(zhì)量的影響,F(xiàn)ehrenbacher建立了一個溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)[32],通過改變壓入深度、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度來調(diào)節(jié)溫度[33]。在溫度控制過程中,關(guān)鍵環(huán)節(jié)是建立過程模型,建立模型的一般方法有時域響應(yīng)法和頻域響應(yīng)法。時域響應(yīng)法包括脈沖輸入響應(yīng)法和階躍輸入響應(yīng)法,這兩個方法比較形象,易于理解,能夠利用已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模,但是當(dāng)系統(tǒng)中環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)不可列寫或系統(tǒng)中含有延遲環(huán)節(jié)時,這種方法誤差較大;頻域響應(yīng)法則需要對系統(tǒng)輸入一定頻率范圍的參考信號,從而根據(jù)系統(tǒng)的輸出建立bode圖和相頻圖,在此基礎(chǔ)上估計系統(tǒng)的過程模型。焊接區(qū)域溫度是典型的慣性變量,因此采用頻域響應(yīng)法建模。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),溫度的響應(yīng)頻率與旋轉(zhuǎn)頻率是一致的[13]。在建立了控制模型后,就可以對其進(jìn)行控制,控制器甚至可采用簡單的積分、比例積分環(huán)節(jié)。

    2.2 攪拌頭受力控制

    2.2.1 攪拌頭軸向受力控制

    軸向力控制能夠較好地適應(yīng)工件表面不平整的情況[34],在焊接機(jī)械系統(tǒng)剛度欠佳時,甚至可以避免攪拌針斷裂、焊機(jī)被破壞等問題。在攪拌摩擦點(diǎn)焊場合,軸向力控制可以使兩工件可靠地貼在一起。由于攪拌摩擦焊接機(jī)器人對機(jī)械臂的載荷能力要求較高,一般要求達(dá)到500 kg,如果機(jī)械臂剛度不足,關(guān)節(jié)會出現(xiàn)彎曲或變形,從而導(dǎo)致攪拌頭偏離焊縫中心或者壓入深度的檢測失真,此時控制軸向力是必要的[35]。

    由于工件材料的剛度隨著溫度變化而變化,軸向力與壓入深度是非線性關(guān)系;此外旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度也會影響軸向力大小。焊接時需保持軸肩的部分高于工件表面,因?yàn)橐坏┹S肩陷進(jìn)工件,軸肩與工件表面完全接觸,從而失去了調(diào)節(jié)余度[36],嚴(yán)重時引起飛邊缺陷。從這一角度來看,增大傾角有助于增大壓入深度調(diào)節(jié)范圍,提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定性[37]。針對攪拌頭快速插入工件產(chǎn)生的較大軸向力峰值,可以采用攪拌頭回抽或提高攪拌頭光滑程度來降低扭矩尖峰。

    合適的軸向力也能使焊縫獲得細(xì)晶組織[38—39],焊接速度-軸向力[40]的單入單出模型,采用PID算法初步實(shí)現(xiàn)了軸向力控制,但下壓深度一定時軸向力易產(chǎn)生振蕩,如果只控制軸向力大小而不對下壓深度進(jìn)行控制,又易導(dǎo)致焊縫表面飛邊缺陷。Davis先后采用自適應(yīng)魯棒控制方法[41]和模糊控制算法[42]控制FSW軸向力,但是所建立的動態(tài)組合模型通用性差。

    2.2.2 扭矩控制

    扭矩控制是一種低成本控制方式,與壓力控制相比較,適用于溫度范圍較大的焊接過程,具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性[43]。扭矩與剪切流變應(yīng)力之間關(guān)系[44],如公式(1)所示。

    式中:T為扭矩;R為軸肩半徑;r為攪拌針半徑;σ為剪切流變應(yīng)力。

    某些學(xué)者認(rèn)為焊接扭矩是壓入深度的函數(shù)[34],因此通過調(diào)節(jié)攪拌頭壓入深度來控制焊接扭矩。為了簡化檢測過程,另有研究者采樣電機(jī)電流來間接采樣焊接扭矩[18]。

    通過Ziegler-Nichols參數(shù)整定方法,William等人設(shè)計了FSW下壓深度-扭矩PID控制器[45],但是這種控制器依賴于特定焊接工具和焊接參數(shù)范圍,需要建立被控參數(shù)-可變參數(shù)之間傳遞函數(shù),這對于非線性特性明顯的FSW焊接來說,精確建模的難度較大,因此自適應(yīng)控制方法被應(yīng)用于扭矩控制[46],如圖2所示。圖2中,根據(jù)攪拌針磨損狀態(tài),不斷改變壓入深度,從而自適應(yīng)控制焊接扭矩。自適應(yīng)控制一定程度上解決了精確建模的困難,但對控制率和系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計要求較高,因此除了進(jìn)一步探討FSW機(jī)理,還需要依靠全面的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫,建立完善的系統(tǒng)過程模型。

    圖2 自適應(yīng)控制框圖Fig.2 Adaptive control block diagram

    2.2.3 攪拌摩擦焊縫跟蹤研究

    在對接或T形焊接中,攪拌摩擦頭對準(zhǔn)焊縫中心是非常重要的,而離線編程的虛擬與真實(shí)環(huán)境之間往往存在偏差,因此采用合適的規(guī)劃路徑技術(shù)或焊縫跟蹤技術(shù)是必要的;但是,剛性較差的焊接系統(tǒng)可能導(dǎo)致偏離規(guī)劃路徑[47—48]越來越大。針對這一問題,可以采用與規(guī)劃路徑偏差相關(guān)的信號實(shí)時監(jiān)測[49—50]和采用視覺跟蹤系統(tǒng)來解決。

    激光位移傳感器、視覺糾偏是常用的焊縫跟蹤手段[48,51],在焊接過程中利用計算機(jī)控制算法和圖像邊緣檢測算法相結(jié)合的方法,可以修正焊縫中心與攪拌頭的相對位置。跟蹤難度較大的是T形接頭,F(xiàn)leming等人[50,52]對 T型 FSW 接頭進(jìn)行研究時,增加了攪拌頭在直線焊縫中心兩側(cè)往復(fù)偏移運(yùn)動(如圖3所示)后,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)攪拌針在焊縫中心時,軸向力出現(xiàn)極大值,偏離焊縫中心后將會降低,同時此舉不但沒有降低焊接質(zhì)量,反而比直線焊接方式提高了拉伸強(qiáng)度近11.5%;對搭接 FSW 焊縫跟蹤研究時[53],在焊縫中心處軸向力也出現(xiàn)了極大值;此外研究表明,沿著搭接工件方向作幾何函數(shù)(正弦或余弦函數(shù))軌跡的FSW焊接,連接強(qiáng)度比平直焊縫強(qiáng)度增加25%以上[54]。Yu Yang等人[55]在垂直于 FSW 直線對接焊縫方向上設(shè)置了寬度不同的間隙,實(shí)驗(yàn)顯示攪拌針在接近間隙時軸向力最小(如圖4所示),但間隙很小時軸向力的振蕩會淹沒極值特征。

    圖3 攪拌頭頭偏移示意圖Fig.3 Offset schematic diagram of friction stir tool

    圖4 攪拌頭偏移時軸向力大小Fig.4 The axial force value

    2.3 壓入深度控制

    壓入深度控制與攪拌頭軸向位置控制在實(shí)際意義上是等同的,這種方法適合于高剛度焊接系統(tǒng),焊接工件必須可靠地固定在工作臺上,但工件表面不平整時,該方式實(shí)施難度較大。攪拌頭壓入深度、壓入速度、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度均會影響軸向力大小[56],在這種控制方式下,當(dāng)攪拌頭壓入深度過大時,系統(tǒng)穩(wěn)定性降低,同時產(chǎn)生焊接缺陷[57],壓入速度過快也會導(dǎo)致軸向力峰值增大,降低焊接過程穩(wěn)定性[58],控制的難度在于保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和表面成形。

    3 結(jié)論與展望

    當(dāng)前攪拌摩擦焊接過程參數(shù)檢測技術(shù)已日趨成熟,這為進(jìn)一步研究各過程參數(shù)之間關(guān)系、揭示攪拌摩擦焊接機(jī)理提供了條件;圍繞主要過程參數(shù)控制的研究已經(jīng)展開,在焊接區(qū)域溫度控制、軸向力控制、壓入深度控制、攪拌摩擦焊縫跟蹤等方面均取得了一定的進(jìn)展。當(dāng)前采用的多為單入單出的模型,即以某一參數(shù)為主要輸入,一個參數(shù)為主要輸出,忽略其他參數(shù)的影響,這限制了控制器的適用范圍和效果。

    未來的研究內(nèi)容仍應(yīng)該加強(qiáng)各參數(shù)之間關(guān)系,全面考量各參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響,建立完善的焊接參數(shù)數(shù)據(jù)庫,進(jìn)一步揭示攪拌摩擦焊接機(jī)理;在這個基礎(chǔ)上,建立綜合多參數(shù)的多入多出的狀態(tài)空間模型,基于現(xiàn)代控制理論進(jìn)行系統(tǒng)控制率和穩(wěn)定性設(shè)計方法,重點(diǎn)解決智能算法(模糊算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、預(yù)測算法等)的實(shí)時性和穩(wěn)定性,最終實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊接過程的自動化和智能化。

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