機(jī)器人攪拌摩擦焊應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

譚錦紅，趙運(yùn)強(qiáng)，王春桂，董春林，秦佳琛

廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院） 廣東廣州 510650

1 攪拌摩擦焊概覽

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）作為一種固相連接技術(shù)，在1991年由英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute, TWI）發(fā)明[1]。與傳統(tǒng)熔化焊相比，F(xiàn)SW無(wú)需添加焊絲、不需要保護(hù)氣體，焊接過(guò)程無(wú)污染、無(wú)煙塵、無(wú)輻射，焊接接頭殘余應(yīng)力低，因此具有焊接效率高、焊接變形小、能耗低、設(shè)備簡(jiǎn)單、焊接過(guò)程安全等一系列優(yōu)點(diǎn)[2-4]。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，F(xiàn)SW已經(jīng)在航空航天、軌道交通、艦船等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3-6]。

攪拌摩擦焊的原理如圖1所示。高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭扎入被焊工件內(nèi)，旋轉(zhuǎn)的攪拌針與被焊材料發(fā)生摩擦并使其發(fā)生塑化，軸肩與工件表面摩擦生熱并用于防止塑性狀態(tài)的材料溢出。在焊接過(guò)程中，工件要?jiǎng)傂怨潭ㄔ诒巢繅|板上，攪拌頭邊高速旋轉(zhuǎn)邊沿工件的接縫與工件相對(duì)移動(dòng)，在攪拌頭鍛壓力的作用下形成焊縫，最終實(shí)現(xiàn)被焊工件的冶金結(jié)合。

圖1 攪拌摩擦焊接原理

攪拌摩擦焊廣泛適用于各類(lèi)材料，目前已成功實(shí)現(xiàn)了鋁、鎂等低熔點(diǎn)金屬及合金、銅合金、鈦合金、鋼鐵材料、金屬基復(fù)合材料以及異種金屬（鋁/銅、鋁/鎂、鋁/鋼等）的焊接。

在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上，攪拌摩擦焊有了五大創(chuàng)新發(fā)展：雙軸肩攪拌摩擦焊、靜軸肩攪拌摩擦焊、攪拌摩擦點(diǎn)焊、復(fù)合能場(chǎng)攪拌摩擦焊、攪拌摩擦增材制造。

雙軸肩攪拌摩擦焊（Bobbin Tool Friction Stir Welding，BT-FSW）與傳統(tǒng)FSW相比，其攪拌頭為上、下軸肩結(jié)構(gòu)，兩個(gè)軸肩通過(guò)攪拌針連接，下軸肩取代了傳統(tǒng)FSW的背部剛性支撐墊板，對(duì)工件進(jìn)行自支撐，實(shí)現(xiàn)中空部件的焊接。其焊接原理如圖2所示。上、下雙軸肩的結(jié)構(gòu)在焊接過(guò)程中降低了接頭厚度方向的溫度梯度，減小了接頭組織不均勻性，可實(shí)現(xiàn)根部全焊透的焊接[7]。

圖2 雙軸肩攪拌摩擦焊接原理

靜軸肩攪拌摩擦焊（Stational Shoulder Friction Stir Welding,SS-FSW）采用軸肩與攪拌針?lè)煮w式設(shè)計(jì)，在焊接過(guò)程中內(nèi)部攪拌針處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，而外部軸肩不轉(zhuǎn)動(dòng)，僅沿焊接方向行進(jìn)。在常規(guī)FSW中，軸肩與被焊接材料之間的摩擦是主要的產(chǎn)熱方式。相比之下，靜軸肩攪拌摩擦焊由于內(nèi)部攪拌針轉(zhuǎn)動(dòng)而外部軸肩不轉(zhuǎn)動(dòng)，所以攪拌針在摩擦生熱和材料變形中起著重要的作用[8]。

與常規(guī)FSW相比，靜軸肩攪拌摩擦焊的焊縫成形良好，表面粗糙度能達(dá)到母材的水平，并且可以實(shí)現(xiàn)角焊縫等非平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件的攪拌摩擦焊接，如圖3所示。

圖3 靜軸肩角接焊縫

攪拌摩擦點(diǎn)焊與常規(guī)FSW原理相似，缺少了攪拌針與被焊工件相對(duì)移動(dòng)產(chǎn)生焊縫的過(guò)程，取而代之的是，依靠旋轉(zhuǎn)下壓的攪拌頭與工件接觸摩擦產(chǎn)生熱量，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬笮纬蓡蝹€(gè)焊點(diǎn)。攪拌摩擦點(diǎn)焊可分為兩類(lèi)：傳統(tǒng)直插式和回填式。

傳統(tǒng)直插式攪拌摩擦點(diǎn)焊包括扎入、旋轉(zhuǎn)、拔出三個(gè)過(guò)程，焊接完成后在焊點(diǎn)處會(huì)留下一個(gè)匙孔。其焊接示意如圖4所示。

圖4 直插式攪拌摩擦點(diǎn)焊示意

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊采用特殊的焊接工具，包括攪拌針、攪拌套、壓緊環(huán)。通過(guò)精確控制攪拌頭各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在攪拌針回撤的同時(shí)填充攪拌頭在焊接過(guò)程中形成的匙孔缺陷。其焊接過(guò)程包括攪拌套扎入、攪拌針拔出、攪拌套拔出及攪拌針回填，最終得到表面平整的焊點(diǎn)[9]。

復(fù)合能場(chǎng)攪拌摩擦焊是指在焊接過(guò)程中施加額外的能量場(chǎng)（感應(yīng)加熱、激光、電弧、超聲等），以達(dá)到降低焊接載荷，延長(zhǎng)攪拌頭壽命，改善焊縫組織，實(shí)現(xiàn)高熔點(diǎn)材料焊接等目的。

攪拌摩擦增材制造實(shí)質(zhì)為多層材料的焊合疊加，其增材過(guò)程類(lèi)似于FSW搭接，與攪拌摩擦增材制造搭接不同的是，攪拌摩擦增材制造是材料的多層多次搭接，是一個(gè)空間搭接的過(guò)程，包括垂直于搭接方向的橫向增材和平行于材料厚度方向的增材[10]，攪拌摩擦增材制造過(guò)程如圖5所示。

圖5 攪拌摩擦增材制造過(guò)程

2 攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用

近年來(lái)，我國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用得到了較大發(fā)展，在航空航天、軌道交通、船舶以及電力電子等方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

自 2005 年開(kāi)始，針對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)及材料，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了攪拌摩擦焊基礎(chǔ)工藝技術(shù)研究，并與國(guó)內(nèi)飛機(jī)設(shè)計(jì)所和制造廠合作，積極探索攪拌摩擦焊應(yīng)用于在役和未來(lái)新一代戰(zhàn)斗機(jī)、大飛機(jī)的可行性。圖6為中國(guó)攪拌摩擦焊中心研制的攪拌摩擦焊薄壁飛機(jī)模擬結(jié)構(gòu)件[6]。

圖6 攪拌摩擦焊薄壁飛機(jī)模擬結(jié)構(gòu)件

基于攪拌摩擦焊在航天鋁合金結(jié)構(gòu)產(chǎn)品制造上的優(yōu)越性和新型空間運(yùn)載工具發(fā)展需要，中國(guó)攪拌摩擦焊中心于“十五”期間重點(diǎn)對(duì)航天運(yùn)載火箭箭體結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，同時(shí)為了適應(yīng)國(guó)際航天焊接技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)， 國(guó)內(nèi)的航天制造企業(yè)也積極采用攪拌摩擦焊用于航天貯箱結(jié)構(gòu)焊接，圖7為2004年中國(guó)攪拌摩擦焊中心焊接的鋁合金燃料貯箱筒段模擬驗(yàn)證件。

圖7 鋁合金燃料貯箱筒段模擬驗(yàn)證件

在國(guó)內(nèi)， 攪拌摩擦焊作為推進(jìn)劑貯箱的一項(xiàng)關(guān)鍵制造工藝，正在深入進(jìn)行工程化應(yīng)用研究。攪拌摩擦焊在航天工業(yè)上的應(yīng)用和推廣，可以提高中國(guó)航天運(yùn)載工具及導(dǎo)彈類(lèi)產(chǎn)品的性能和生產(chǎn)效率，為國(guó)防、載人航天及探月工程等做出貢獻(xiàn)。

與航空航天類(lèi)似，攪拌摩擦焊在軌道交通以及船舶上的應(yīng)用主要也是結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)制備。比如列車(chē)車(chē)身壁板、驅(qū)動(dòng)箱、船甲板、汽車(chē)車(chē)門(mén)、輪轂等。圖8為攪拌摩擦焊加工軌道列車(chē)的車(chē)身壁板和輪船壁板。

圖8 攪拌摩擦焊加工軌道列車(chē)車(chē)身壁板和輪船壁板

而在電力電子方面，攪拌摩擦焊技術(shù)主要應(yīng)用在中空熱沉器、散熱器及傳感器等。采用攪拌摩擦焊加工的電力行業(yè)所需的水冷散熱器如圖9所示。

圖9 水冷散熱器

3 機(jī)器人攪拌摩擦焊

要想實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊生產(chǎn)與制備各種產(chǎn)品的目的，攪拌摩擦焊設(shè)備是至關(guān)重要的部分。攪拌摩擦焊設(shè)備主要分為三類(lèi)：龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備、攪拌摩擦焊專(zhuān)機(jī)和機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備。

3.1 傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊設(shè)備

龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備具有剛度大、可焊工件厚度大、焊接穩(wěn)定性強(qiáng)、焊接效率高等技術(shù)特點(diǎn)。龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備如圖10所示。

圖10 龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備

攪拌摩擦焊專(zhuān)機(jī)即為特定尺寸、結(jié)構(gòu)或功能定制的設(shè)備?；鸺剂腺A存箱攪拌摩擦焊專(zhuān)機(jī)如圖11所示。

圖11 火箭燃料貯存箱攪拌摩擦焊專(zhuān)機(jī)

3.2 機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備

傳統(tǒng)的龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備只能完成直線(xiàn)或平面二維焊接要求，不能滿(mǎn)足復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接，工業(yè)機(jī)器人具有較高的柔性，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜軌跡運(yùn)動(dòng)，使復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的焊接成為可能。機(jī)器人攪拌摩擦焊接技術(shù)可提升焊接自動(dòng)化程度和生產(chǎn)效率，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

機(jī)器人攪拌摩擦焊設(shè)備因?yàn)楹附舆m應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)空間全位置焊接、自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)效率高等技術(shù)特點(diǎn)，近年來(lái)得到了越來(lái)越多地應(yīng)用。

機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)與裝備已成為當(dāng)前國(guó)際攪拌摩擦焊技術(shù)研發(fā)熱點(diǎn)，并得到了國(guó)內(nèi)外焊接工程技術(shù)人員和工業(yè)用戶(hù)的廣泛關(guān)注。

當(dāng)前機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)，亟待解決以下幾方面關(guān)鍵技術(shù)：

1）適用于攪拌摩擦焊接的重載工業(yè)機(jī)器人本體設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攪拌摩擦焊的基本條件是機(jī)器人本體承載能力必須很高，通常＞500kg，而且對(duì)于機(jī)器人在高載荷作業(yè)條件下的工作穩(wěn)定性、重復(fù)定位精度、空間位置和姿態(tài)規(guī)劃都提出了很高的要求。

2）機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)頭的設(shè)計(jì)與制造是機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。機(jī)器人攪拌摩擦焊機(jī)頭需要集成復(fù)雜的測(cè)控系統(tǒng)，包括：壓力測(cè)控系統(tǒng)、溫度測(cè)控系統(tǒng)、焊縫跟蹤系統(tǒng)、三維激光定位系統(tǒng)和焊接過(guò)程冷卻與潤(rùn)滑系統(tǒng)等；同時(shí)為了提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性和可達(dá)性，需要焊接機(jī)頭盡可能地減小體積。

3）機(jī)器人攪拌摩擦焊控制模塊是保證焊接過(guò)程穩(wěn)定性的重要因素，是機(jī)器人攪拌摩擦焊復(fù)雜曲面焊接可靠性的重要保障。機(jī)器人攪拌摩擦焊接過(guò)程控制傳感器主要包括三維定位、壓力、位移、溫度、焊縫跟蹤等，通過(guò)通信模塊和總線(xiàn)將系統(tǒng)與傳感器連接在一起，并實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)由系統(tǒng)進(jìn)行分析，再由通信模塊輸出進(jìn)行焊接軌跡、姿態(tài)及工藝參數(shù)修正，最終達(dá)到精確控制的目的。

4）通過(guò)確定攪拌摩擦焊標(biāo)準(zhǔn)化流程，組織并有效協(xié)同路徑規(guī)劃、校準(zhǔn)、過(guò)程模擬、過(guò)程控制、焊接工藝模塊等各子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成，開(kāi)發(fā)適用于攪拌摩擦焊接的機(jī)器人軟件包。

5）當(dāng)前工業(yè)產(chǎn)品多具有小批量多品種特征，要求生產(chǎn)線(xiàn)具備柔性制造能力。采用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)，對(duì)焊接順序及作業(yè)路徑必須進(jìn)行工藝規(guī)劃，并通過(guò)離線(xiàn)編程實(shí)現(xiàn)干涉檢測(cè)和指令生成，而且必須結(jié)合前序生產(chǎn)過(guò)程實(shí)時(shí)信息，對(duì)后續(xù)加工過(guò)程進(jìn)行同步調(diào)整，以充分發(fā)揮機(jī)器人在工業(yè)高效自動(dòng)化生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)。

3.3 重載機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)

廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）基于載重1t的KUKA工業(yè)機(jī)器人，集成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的重載機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)。通過(guò)機(jī)頭的設(shè)計(jì)與制造、應(yīng)用軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、焊接過(guò)程穩(wěn)定性研究與焊接工藝研究等過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與標(biāo)準(zhǔn)制定的目標(biāo)，并且采用所開(kāi)發(fā)的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)進(jìn)行了產(chǎn)品的加工生產(chǎn)，成功實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

（1）機(jī)頭的設(shè)計(jì)與制造 機(jī)頭的設(shè)計(jì)即主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)包括高速電主軸、壓力傳感器、激光跟蹤器、冷卻系統(tǒng)、攪拌頭和刀柄、轉(zhuǎn)接盤(pán)等連接配件。其實(shí)物如圖12所示。

高速電主軸提供攪拌頭旋轉(zhuǎn)摩擦動(dòng)力，名義最高轉(zhuǎn)速6000 r/min，扭矩55Nm；壓力傳感器呈120°圓周對(duì)稱(chēng)分布，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焊接下壓力，量程0~20kN；激光跟蹤器設(shè)置于焊接前端，用于對(duì)焊縫進(jìn)行掃描跟蹤，檢測(cè)精度＜0.2mm；冷卻系統(tǒng)保證焊接過(guò)程中的熱量輸入不會(huì)過(guò)大，延長(zhǎng)攪拌頭和攪拌工具的使用壽命；攪拌頭即攪拌摩擦焊接工具，用于焊縫成形，可根據(jù)不同焊接需求定制加工。

圖12 主軸系統(tǒng)實(shí)物

（2）機(jī)器人焊接工藝研究 經(jīng)過(guò)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的研究后，對(duì)機(jī)器人焊接工藝展開(kāi)了相關(guān)研究工作。主要包括一維常規(guī)FSW、一維靜軸肩FSW、一維攪拌摩擦點(diǎn)焊和二維FSW、三維復(fù)雜曲面的攪拌摩擦焊接工藝研究。

研究?jī)?nèi)容主要包括：焊接參數(shù)的確定與優(yōu)化、接頭宏觀形貌與微觀組織觀察以及力學(xué)性能測(cè)試分析。

采用常規(guī)攪拌頭對(duì)4mm厚1561鋁合金進(jìn)行焊接試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速600~2200r/min，焊接速度200mm/min，固定壓力恒定7500N。焊接過(guò)程穩(wěn)定，壓力震動(dòng)幅值＜8%。均獲得了成形良好的焊縫，最優(yōu)接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)母材的99%，如圖13所示。

圖13 接頭抗拉強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速關(guān)系

采用自主開(kāi)發(fā)的高轉(zhuǎn)速靜軸肩攪拌摩擦焊專(zhuān)用工具對(duì)4mm厚2219-T6鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速2000~2600r/min，焊接速度100mm/min。通過(guò)觀察不同位置處焊縫表面形貌和接頭宏觀形貌（見(jiàn)圖14、圖15），可知靜軸肩攪拌摩擦焊顯著提高了焊縫表面質(zhì)量。

圖14 焊縫表面形貌

圖15 接頭宏觀形貌

采用恒壓力及恒位置模式對(duì)（2+2）m m厚6061-T6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦點(diǎn)焊對(duì)比試驗(yàn)。轉(zhuǎn)速在1000~1500r/min內(nèi)改變，均獲得了良好的焊點(diǎn)成形。采用恒位移焊接模式所得最優(yōu)接頭拉剪性能為2400N，采用恒壓力焊接模式所得最優(yōu)接頭拉剪性能提升至4000N。

同時(shí)，采用恒壓力及恒位置模式對(duì)二維攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在4mm厚6061-T6鋁合金板上，成功實(shí)現(xiàn)二維轉(zhuǎn)角攪拌摩擦焊（見(jiàn)圖16），試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用恒壓力模式可顯著提高焊接穩(wěn)定性。

圖16 恒壓力及恒位置模式二維轉(zhuǎn)角攪拌摩擦焊

進(jìn)一步采用所開(kāi)發(fā)的機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面的高質(zhì)量攪拌摩擦焊接。工件模型和焊縫成形情況如圖17所示。

圖17 曲面焊縫成形

經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)和研究，采用所開(kāi)發(fā)的攪拌摩擦焊接系統(tǒng)成功地進(jìn)行了新能源汽車(chē)電池托盤(pán)、水冷散熱器、手機(jī)外殼的加工生產(chǎn)，并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。其中，針對(duì)電池托盤(pán)，其綜合焊接效率由龍門(mén)式攪拌摩擦焊設(shè)備的65 PCS/8h提高到91 PCS/8h，提高了約40%，并具有進(jìn)一步提高的空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）攪拌摩擦焊工藝由于其自身的技術(shù)特點(diǎn)，在有色金屬領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

2）國(guó)產(chǎn)機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)完全可以滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)景中的技術(shù)要求，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的焊接生產(chǎn)制造。

3）機(jī)器人攪拌摩擦焊接是未來(lái)攪拌摩擦焊裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向，隨著重載機(jī)器人國(guó)產(chǎn)化，機(jī)器人本體價(jià)格將大幅下降，從而使得機(jī)器人攪拌摩擦焊裝備更加廣泛的應(yīng)用，更開(kāi)放的控制系統(tǒng)。