回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備及產(chǎn)業(yè)化概述

張書權(quán)， 劉邦森， 戈軍委， 王欽偉， 胥鍇

(1.貴州航天天馬機電科技有限公司，貴州 遵義 563000; 2.安徽機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 前言

隨著國家減重減排、綠色環(huán)保等一系列政策的出臺，產(chǎn)品輕量化已經(jīng)成為時代發(fā)展的必然趨勢。因此，鎂/鋁等輕合金高質(zhì)量高效率的先進制造裝備具有極大的研究價值和廣泛的市場前景。而在輕合金焊接領(lǐng)域，攪拌摩擦焊被譽“三十年來最具創(chuàng)造性”的發(fā)明，是一種綠色無污染的固相連接技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、半導(dǎo)體、軌道交通等領(lǐng)域[1-2]。

常規(guī)一維/二維攪拌摩擦焊裝備正在逐步取代傳統(tǒng)的TIG/MIG焊方法，但受限于自身的結(jié)構(gòu)形狀的限制，只能滿足形狀單一、結(jié)構(gòu)簡單的直線或圓弧焊接需求。因此，常規(guī)攪拌摩擦焊設(shè)備存在兼容性差，較難實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件、曲線焊接、匙孔消除等問題。

回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備實現(xiàn)了銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等核心技術(shù)的一體化集成功能，能實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的三維曲線焊縫的焊接，滿足焊接質(zhì)量的特殊要求，大大縮減了匙孔后續(xù)消除的一系列繁瑣問題，該技術(shù)是傳統(tǒng)二維攪拌焊設(shè)備的最佳換代升級產(chǎn)品，具有良好的產(chǎn)業(yè)化前景。

1 并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

攪拌摩擦焊技術(shù)(Friction stir welding，F(xiàn)SW)由英國焊接研究所(The welding institute,TWI)在1991年發(fā)明[3]，起初主要滿足鋁合金的焊接，現(xiàn)已推廣應(yīng)用到鎂/銅等多種合金材料的焊接。為適應(yīng)復(fù)雜構(gòu)件曲面焊接的要求，攪拌摩擦焊逐漸由一維向二維/三維方向發(fā)展，并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備是攪拌摩擦焊的一個重要發(fā)展方向，特別是帶回抽式的三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備更是具有廣闊的應(yīng)用前景。

德國IG公司研發(fā)出機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)后，日本川崎重工和日本 FANUC也發(fā)布了自動化攪拌摩擦焊裝備系統(tǒng)。美國FSL公司在和瑞典伊薩公司把攪拌摩擦焊接系統(tǒng)成功結(jié)合在ABB機器人上，實現(xiàn)了空間復(fù)雜曲面的焊接。在車輛制造中經(jīng)常碰到較為復(fù)雜的曲面需要焊接，攪拌摩擦焊與多自由度機器人結(jié)合從而實現(xiàn)了較為復(fù)雜車體結(jié)構(gòu)的焊接，日本川崎重工已經(jīng)通過攪拌摩擦焊技術(shù)實現(xiàn)車門結(jié)構(gòu)組件的大批量生產(chǎn)。

文獻[4]研制了一種用于大型復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊機器人，剛度高、柔性好、精度高，根據(jù)復(fù)雜鋁制品異形構(gòu)件的焊接要求設(shè)計了機器人系統(tǒng)。該機器人系統(tǒng)能夠滿足大型復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊要求，與焊接專機相比，該機器人具有更好的柔性和焊接質(zhì)量，可大大提高大型復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)的可制造性。

文獻[5]研究了基于空間曲線的攪拌摩擦焊并聯(lián)機器人關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)出的3-TPT 混聯(lián)機器人具有剛度大、負載能力強、精度高、動力性能好、工作空間大等一系列優(yōu)點，可以很好的彌補串聯(lián)式焊接設(shè)備在進行空間曲線攪拌摩擦焊接時的不足。通過研究了焊接時軸肩下壓量與軸肩半徑之間的關(guān)系，在進行空間曲線焊接時對焊頭軌跡進行分析研究；依據(jù)空間曲線焊縫焊接工藝要求對3-TPT并聯(lián)機器人進行再設(shè)計。主要包括頭部微動機構(gòu)的設(shè)計與建模，二自由度數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計與建模，然后將兩者與 3-TPT 并聯(lián)機構(gòu)相結(jié)合構(gòu)成五自由度攪拌摩擦焊并聯(lián)機器人。對設(shè)計的五自由度攪拌摩擦焊并聯(lián)機器人進行了運動學(xué)和靜力學(xué)研究，同時自主設(shè)計了一套用于環(huán)形焊縫焊接的專用工裝夾具。

文獻[6]首先介紹了攪拌摩擦焊技術(shù)的起源、原理和發(fā)展現(xiàn)狀;其次，確定了攪拌摩擦焊機床的整體方案，并進行了建模，對并聯(lián)機構(gòu)進行了分析，得到了運動學(xué)正反解和速度雅各比矩陣，并在Adams和 Matlab中驗證了結(jié)果的正確性。通過對傳統(tǒng)阻抗控制算法進行穩(wěn)態(tài)誤差分析，在誤差等于零的情況下得到了工件的參數(shù)在線估計算法，將傳統(tǒng)的阻抗控制算法和工件的參數(shù)在線估計結(jié)合起來對攪拌摩擦焊機床進行了柔順控制研究，并在Adams 和MATLAB中進行聯(lián)合仿真，驗證了該控制策略的優(yōu)越性。

為實現(xiàn)復(fù)雜曲面的攪拌摩擦焊，國內(nèi)外學(xué)者相繼展開了系列研究，但研究主要集中在并聯(lián)機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)上，由于五軸或六軸機器人柔性好，基本可以實現(xiàn)三維曲線焊縫的焊接，但機器人攪拌摩擦焊存在剛性不足、只能焊接薄板等缺點，而對于中厚板的三維曲面的攪拌摩擦焊研究較少，故要實現(xiàn)中厚板三維曲面的焊接必須要求采用并聯(lián)三維結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊專機，并帶有回抽機構(gòu)以便消除封閉焊縫的匙孔。

2 回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備概述

回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備是由該公司經(jīng)過多年研發(fā)的攪拌摩擦焊專機，先后攻克了多項關(guān)鍵核心技術(shù)，可以實現(xiàn)中厚板復(fù)雜曲面的焊接，下面具體進行介紹。

2.1 回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊裝備主機頭的設(shè)計

基于剛性與減振性能要求的有限元結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與分析應(yīng)用結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和動力學(xué)有限元優(yōu)化手段對主機頭結(jié)構(gòu)件和運動部件進行仿真分析，按照輸入剛性變形、振動響應(yīng)等約束條件進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得最優(yōu)的主機頭結(jié)構(gòu)件和運動部件。主機頭采用三組同步驅(qū)動的空間結(jié)構(gòu)，約束剛度高、負載能力強；對稱布置定長拉壓桿件，結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)性能更好；球形鉸鏈，承載能力大、可靠性高、便于制造裝配，特別適用于頂鍛力要求較高的攪拌摩擦焊接場合。

2.2 并聯(lián)回抽機構(gòu)控制技術(shù)

基于自由度分配方法與支鏈空間布局，設(shè)計了結(jié)構(gòu)對稱、受力性能良好的多自由度的并聯(lián)模型。采用PMAC集成控制系統(tǒng)，除了具有傳統(tǒng)數(shù)控機床的x軸、y軸、z軸之外，利用程序為并聯(lián)頭虛擬了一個A軸和一個B軸，通過AB軸的聯(lián)動來實現(xiàn)動平臺在并聯(lián)頭內(nèi)任意方向的偏角動作，可實現(xiàn)三維曲面的回抽焊接。

2.3 具有銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等一體化集成技術(shù)

回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備采用高精度零部件并集成高精度數(shù)控同步控制的最新成果，通過銑刀、鉆頭、焊接主軸及回抽機構(gòu)等的更換，實現(xiàn)銑削/鉆孔/焊接/匙孔消除等技術(shù)，可方便地對焊件進行開坡口、鉆孔等功能，無需移動工件到其它機床上，可提高效率，減少一些不必要的工序。

3 回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備產(chǎn)業(yè)化前景

回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)與裝備實現(xiàn)了中厚板復(fù)雜空間三維曲線焊縫的焊接，并帶有并聯(lián)回抽機構(gòu)，可滿足輕合金異形復(fù)雜構(gòu)件的全位置攪拌摩擦焊高質(zhì)量焊接的特殊要求，消除匙孔，滿足焊接質(zhì)量要求，從市場需求方面進行闡述。

國內(nèi)攪拌摩擦焊裝備的市場已經(jīng)經(jīng)歷了18年的發(fā)展，市場需求趨于穩(wěn)定，進入成熟階段，年需求增長率維持在7%～8%。而客戶的需求則進一步精細化、功能化和定制化?；爻槭饺S攪拌摩擦焊裝備集成了銑削—焊接—匙孔消除等多種功能，在航空航天領(lǐng)域的鋁合金貯運箱/筒體方面具有廣泛的應(yīng)用前景，可完全能夠滿足國內(nèi)鋁合金箱/筒產(chǎn)品的研制及生產(chǎn)需求，除了可焊接鋁合金箱/筒體的縱/環(huán)縫之外，尤其是能夠?qū)崿F(xiàn)鋁合金箱/筒體關(guān)鍵部件即馬鞍形導(dǎo)軌支撐座與筒體的空間曲線焊接，由于目前國內(nèi)各家生產(chǎn)鋁合金箱/筒體的企業(yè)，在箱/筒體主結(jié)構(gòu)焊縫的焊接生產(chǎn)中主要采用TIG/MIG自動焊工藝，少部分還使用手工TIG/MIG焊工藝。雖然基本實現(xiàn)自動焊，自動焊的工藝過程仍然是電弧焊，產(chǎn)生弧光輻射、金屬蒸汽、焊縫質(zhì)量時有缺陷，焊縫質(zhì)量等級比攪拌摩擦焊低一個等級。因此，面向鋁合金箱/筒體的優(yōu)質(zhì)高效批生產(chǎn)需求，應(yīng)用先進的攪拌摩擦焊工藝能夠完美解決困擾多年的熔焊污染和焊工的職業(yè)健康問題，并顯著降低焊接生產(chǎn)成本，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效綠色焊接生產(chǎn)。此外還可用于特高壓輸電GIS/GIL、特種汽車、半導(dǎo)體、核電等產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展需求，具有廣闊的市場需求和產(chǎn)業(yè)化前景。

4 結(jié)束語

(1)目前國內(nèi)外對三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備的研究主要集中在機器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)方面，以適應(yīng)復(fù)雜構(gòu)件曲面焊接的需求，但機器人攪拌摩擦焊剛性不足，只能焊接薄板。

(2)回抽式三維并聯(lián)攪拌摩擦焊技術(shù)裝備集成了銑削—焊接—匙孔消除等多種功能，具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)件曲面加工及焊接功能，并能消除匙孔，具有廣闊的市場應(yīng)用前景，具備良好的產(chǎn)業(yè)化基礎(chǔ)，是焊接中厚板復(fù)雜構(gòu)件曲面焊縫的最佳選擇。