機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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（1.河北科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050001；2.北京航空制造工程研究所中國(guó)攪拌摩擦焊中心，北京100024）

0 前言

全球變暖和能源枯竭對(duì)工業(yè)產(chǎn)品提出更高的要求，采用輕質(zhì)材料替代傳統(tǒng)材料，制造技術(shù)朝著整體結(jié)構(gòu)輕量化、長(zhǎng)壽命、短周期、低成本及綠色先進(jìn)制造技術(shù)方向發(fā)展。鋁合金具有質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、加工成形好、回收再生性好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通等領(lǐng)域。航空航天中鋁合金的連接方式主要是電阻點(diǎn)焊和鉚接，由于鋁及鋁合金的特性，電阻點(diǎn)焊需要的能量大、焊點(diǎn)損耗大、工件變形大、工作環(huán)境差，而鉚接消耗大量材料的同時(shí)結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加、工作量大、噪聲和污染問(wèn)題嚴(yán)重[1-2]，制約了鋁及鋁合金的應(yīng)用。

攪拌摩擦點(diǎn)焊（FSSW）是根據(jù)攪拌摩擦焊原理設(shè)計(jì)的一種新型點(diǎn)焊方法，系統(tǒng)采用回填式攪拌裝置，攪拌頭較為復(fù)雜，由套筒、攪拌針和軸套（肩）三部分組成，其焊接過(guò)程如圖1所示。焊接時(shí)首先套筒與工件緊密結(jié)合，以防止焊點(diǎn)金屬溢出，同時(shí)，軸套與攪拌針同時(shí)旋轉(zhuǎn)并向下運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置后，軸套繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，攪拌針開(kāi)始上移，當(dāng)軸套運(yùn)動(dòng)到設(shè)定深度時(shí)，軸套開(kāi)始上移，而攪拌針開(kāi)始向下移動(dòng)，將軸套內(nèi)的金屬回填至焊點(diǎn)中，當(dāng)二者到達(dá)被焊件表面時(shí)，解除套筒的下壓力，攪拌頭整體提升，形成焊點(diǎn)。軸套和攪拌針的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊點(diǎn)表面成形美觀、無(wú)退出孔，焊點(diǎn)具有較強(qiáng)的機(jī)械性能和抗腐蝕性[3-4]。

圖1 攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接過(guò)程示意Fig.1 Schematic diagram of friction stir welding

傳統(tǒng)龍門式攪拌摩擦焊對(duì)點(diǎn)焊設(shè)備要求相對(duì)較高，且焊接設(shè)備較復(fù)雜，焊接位置具有局限性，焊接通用性較差，焊接工件結(jié)構(gòu)單一，對(duì)于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求高的工件，焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生偏差，焊點(diǎn)成形效果差，導(dǎo)致工件的機(jī)械性能下降，從而影響攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用。

機(jī)器人焊接是焊接發(fā)展的重要方向之一，機(jī)器人具有靈活性好、精度高、柔性好等優(yōu)點(diǎn)，并且可減小惡劣環(huán)境對(duì)焊接工人的傷害[5-7]。本研究的主要任務(wù)是設(shè)計(jì)一套機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)，將焊接機(jī)器人與攪拌摩擦點(diǎn)焊相結(jié)合，充分發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜薄板結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦點(diǎn)焊。

1 機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了提高焊接過(guò)程的靈活性和系統(tǒng)的可達(dá)性，選用工作半徑較大的6自由度機(jī)器人。由于攪拌摩擦點(diǎn)焊需要極高的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性，對(duì)機(jī)器人提出了較高的要求，因此選用抓重力較大的機(jī)器人以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。采用KUKA KR500型6自由度機(jī)器人，其重復(fù)定位精度為±0.08mm，負(fù)載能力500kg，工作半徑約為2.83 mm。攪拌點(diǎn)焊裝置Z方向增加TOX氣液增壓缸驅(qū)動(dòng)，以保證焊接過(guò)程中具有較高的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和安全性。機(jī)器人優(yōu)越的靈活性也使得焊接過(guò)程的操作更加簡(jiǎn)單化。

傳統(tǒng)龍門式攪拌摩擦點(diǎn)焊是固定結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較強(qiáng)，但是其焊接位置具有局限性。機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)將攪拌頭裝置與機(jī)器人相結(jié)合，如圖2所示，用焊接機(jī)器人取代操作龍門式機(jī)床，通過(guò)選取剛性較好的結(jié)構(gòu)型鋼架裝卡攪拌設(shè)備來(lái)保證焊接的穩(wěn)定性以及提供攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備下壓時(shí)所需的強(qiáng)度（10～20 kN）。將攪拌裝置設(shè)計(jì)安裝在機(jī)器人的第6軸上，選用數(shù)控系統(tǒng)（華中數(shù)控系統(tǒng)HNC-210BM）與KUKA機(jī)器人控制系統(tǒng)協(xié)同控制，使其可進(jìn)行多方向以及多種角度的自動(dòng)焊接。

圖2 機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Schematic diagram of friction stir spot welding robot system

機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)與龍門式攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)性能對(duì)比如表1所示。機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊的復(fù)雜構(gòu)件與龍門式點(diǎn)焊試件表面均無(wú)明顯缺陷，其力學(xué)性能基本持平。運(yùn)用機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)焊接復(fù)雜構(gòu)件如圖3所示，工件中有凹槽，且焊點(diǎn)位置較深，傳統(tǒng)的龍門式攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)無(wú)法焊接全部焊點(diǎn)。焊接機(jī)器人手臂的延展性和靈活性使得攪拌裝置能夠無(wú)阻礙地進(jìn)行焊接，不僅節(jié)省加工時(shí)間，降低了成本，還提高了焊接復(fù)雜構(gòu)件的成形效果。

表1 攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接設(shè)備特點(diǎn)Table 1 Characteristics of friction stir welding equipment

1.2 攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置設(shè)計(jì)

攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置是機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)的關(guān)鍵零件，其主要性能指標(biāo)是結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良、控制精度高，其性能優(yōu)劣影響焊點(diǎn)質(zhì)量。

圖3 攪拌摩擦點(diǎn)焊復(fù)雜試件Fig.3 Friction stir spot welding of complex parts

攪拌摩擦點(diǎn)焊驅(qū)動(dòng)裝置主要包含W1軸（軸肩）電機(jī)、W2軸（攪拌針）電機(jī)、Z軸電機(jī)和主軸電機(jī)、數(shù)控系統(tǒng)、PC機(jī)及接口卡等，如圖4所示。W1、W2軸設(shè)計(jì)采用蝸輪蝸桿的傳動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)軸肩、攪拌針上下運(yùn)動(dòng)，Z軸設(shè)計(jì)采用滾珠絲桿方式實(shí)現(xiàn)C型槽Z向運(yùn)動(dòng)，通過(guò)壓力裝置實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中對(duì)焊點(diǎn)所需壓緊力的調(diào)控。通過(guò)Z向伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)使點(diǎn)焊攪拌頭裝置向零件運(yùn)動(dòng)并壓緊零件，壓力傳感器可根據(jù)預(yù)設(shè)壓力值實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的壓緊，保證焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。為了保證點(diǎn)焊攪拌頭裝置Z向的移動(dòng)空間，設(shè)計(jì)安裝法蘭和支架實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的側(cè)向安裝，提高系統(tǒng)的靈活性。

頂端設(shè)計(jì)主軸電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)軸肩與攪拌針的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?？紤]到點(diǎn)焊設(shè)備所需的焊接支撐面較小，在無(wú)需提供較大工裝支撐的情況下，設(shè)計(jì)增加C型槽，以減少裝卡的復(fù)雜性，減小點(diǎn)焊裝置對(duì)機(jī)器人的負(fù)重。針對(duì)剛度較大的焊接結(jié)構(gòu)件，可以去除C型槽，實(shí)現(xiàn)無(wú)背部支撐的攪拌摩擦點(diǎn)焊。攪拌頭結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

圖4 攪拌頭裝置示意Fig.4 Schematic diagram of the stirring device

1.3 機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)與傳統(tǒng)龍門式攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)相比，其控制參數(shù)多，控制系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的精確控制和良好的交互功能,攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)選取華中數(shù)控HNC-818B，機(jī)器人控制系統(tǒng)選取KUKA KR500機(jī)器人控制系統(tǒng)。

攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置的控制系統(tǒng)通過(guò)PC機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)放式的人機(jī)控制，數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核控制功能由CNC（Computer number control）完成，控制核心功能主要由運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)，運(yùn)動(dòng)控制卡根據(jù)設(shè)定的焊接參數(shù)對(duì)各軸進(jìn)行控制，機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。焊接前首先通過(guò)人機(jī)交互控制界面預(yù)置焊件的下壓力和所需焊接參數(shù)（如轉(zhuǎn)速、下扎深度等）。機(jī)器人到達(dá)待焊工件的焊接位置后，將信號(hào)傳送到操作面板進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，焊接過(guò)程中壓力裝置測(cè)定焊接過(guò)程的壓力以及同時(shí)實(shí)時(shí)反饋攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置各軸的運(yùn)動(dòng)位置并在PC和數(shù)控面板上顯示。焊接結(jié)束時(shí)，攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置將焊接結(jié)束的信號(hào)反饋給機(jī)器人，機(jī)器人回到控制系統(tǒng)程序設(shè)定的指定位置，完成焊接任務(wù)。本系統(tǒng)將機(jī)器人控制系統(tǒng)與攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷循環(huán)焊接。

圖5 攪拌頭裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.5 Structure of the stirring device

圖6 機(jī)器人攪拌摩擦焊接點(diǎn)焊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of friction stir welding spot welding system

通過(guò)機(jī)器人與控制操作面板的通信和控制，從而實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦點(diǎn)焊裝置與機(jī)器人協(xié)同的工作模式，系統(tǒng)傳輸示意如圖7所示。機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊控制系統(tǒng)由CNC系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪傳動(dòng)傳遞給滾珠絲杠（滾珠絲杠的末端裝有點(diǎn)焊工具和C型壓緊裝置）從而實(shí)現(xiàn)精確控制，控制精度達(dá)到0.001 mm?？刂葡到y(tǒng)良好的交互功能主要表現(xiàn)在系統(tǒng)完全漢化，選用CNC數(shù)控加工語(yǔ)言進(jìn)行編程控制（G代碼），便于學(xué)習(xí)和操作。同時(shí)系統(tǒng)能夠顯示焊接所在位置及焊接壓力，兼具可以訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)，以便以后檢查、維護(hù)以及功能的可擴(kuò)展性。

圖7 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)示意Fig.7 Structure diagram of data transmission system

2 點(diǎn)焊試樣力學(xué)性能

2.1 工藝參數(shù)對(duì)焊接性能的影響

機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后對(duì)其功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，采用1.5 mm厚鋁合金，焊接參數(shù)如表2所示。焊點(diǎn)表面和焊點(diǎn)截面宏觀狀態(tài)如圖8所示，焊點(diǎn)表面光滑，無(wú)飛邊、凹陷等缺陷。由圖8可知，攪拌過(guò)程中對(duì)焊縫金屬進(jìn)行了充分的回填，兩個(gè)試板結(jié)合充分，表面成形效果良好。

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters

不同轉(zhuǎn)速下剪切力變化曲線如圖9所示。在焊接時(shí)間5s、下扎深度1.8mm、下壓量0.2mm時(shí)，攪拌針的轉(zhuǎn)速對(duì)焊點(diǎn)的剪切力影響較大；當(dāng)攪拌針轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時(shí)焊點(diǎn)的剪切力達(dá)到最大值8.74 kN時(shí)，原因是低轉(zhuǎn)速時(shí)攪拌針對(duì)工件的熱輸入量隨其轉(zhuǎn)速增加而增大，在1 500 r/min時(shí)焊縫金屬充分達(dá)到熱塑性狀態(tài)，焊點(diǎn)能夠充分結(jié)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(zhuǎn)速的繼續(xù)增大，焊點(diǎn)的剪切力開(kāi)始減小，當(dāng)焊接轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，由于熱輸入量過(guò)大，鋁合金發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，使合金析出相發(fā)生時(shí)效從而引起材料軟化，導(dǎo)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(zhuǎn)速下的剪切力Fig.9 Shear stress in different rotate speeds

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)焊點(diǎn)的剪切力最低，在此基礎(chǔ)上研究下扎深度1.8 mm、下壓量0.2 mm時(shí)，焊接時(shí)間對(duì)剪切力的影響。不同焊接時(shí)間下的剪切力如圖10所示，焊接時(shí)間增加到5 s時(shí)，焊縫金屬更加充分地達(dá)到熱塑性狀態(tài)，同時(shí)伴有更多的強(qiáng)化相析出，其剪切力值最大；攪拌焊接時(shí)間達(dá)到6 s時(shí)，由于攪拌針和軸肩與工件摩擦?xí)r間增長(zhǎng)，接頭的熱輸入量增多，塑化金屬的溫度增加，材料發(fā)生軟化[9]，從而減小了試件的剪切力。

2.2 機(jī)器人點(diǎn)焊與龍門式點(diǎn)焊性能對(duì)比

根據(jù)JIS Z 3136-1999、JIS Z 3137-1999和ISO 14270-2000標(biāo)準(zhǔn)制定剪切試樣、十字拉伸試樣和撕裂試樣。在相同參數(shù)（轉(zhuǎn)速2 000 r/min、焊接時(shí)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(jī)器人進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊，并測(cè)試焊后試件力學(xué)性能。對(duì)比二者所焊試件的力學(xué)性能，如表3所示。兩種不同焊接方式下得到的力學(xué)性能相近，相差約5%?？刹捎脵C(jī)器人焊接復(fù)雜構(gòu)件以及較特殊的焊接位置，機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊能夠應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

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

表3 試件的力學(xué)性能Table 3 Mechanical properties of specimens

3 結(jié)論

（1）采用機(jī)器人和攪拌摩擦點(diǎn)焊構(gòu)成的機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦點(diǎn)焊成為可能。機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊技術(shù)提高了焊接自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率。

（2）通過(guò)增加機(jī)械手臂的抓重力、簡(jiǎn)化攪拌摩擦焊接裝置以及增加壓力裝置等方式，設(shè)計(jì)完成機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊系統(tǒng)。該系統(tǒng)增加了焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，提高了焊接精度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了無(wú)間斷循環(huán)焊接，加快了焊接過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率。

（3）運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)焊表面成形效果良好。對(duì)龍門式攪拌摩擦點(diǎn)焊和機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊的試件進(jìn)行性能測(cè)試對(duì)比，其剪切力、十字拉伸力、撕裂力相差較小，可知機(jī)器人攪拌摩擦點(diǎn)焊具有良好的焊接性能，可應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

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