蘇海龍，駱宗安，謝廣明，王浩

(東北大學,軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點實驗室，沈陽 110819)

0 前言

近年來，采用固相連接技術(shù)制備特厚板的方法在鋼鐵行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，制備出了性能優(yōu)異的特厚復(fù)合鋼板，解決了鋼坯受壓縮比限制而無法生產(chǎn)特厚板的問題[1]。而對于鋁、鎂等輕合金，由于其極易氧化，在空氣中迅速會形成一層氧化膜，并隨溫度的升高顯著增厚[2]。在常壓狀態(tài)下進行熱軋復(fù)合時，這種厚重的氧化膜會阻礙界面兩側(cè)金屬的冶金結(jié)合，嚴重降低了界面的結(jié)合效果，導(dǎo)致界面開裂[3]。在真空環(huán)境下對組合的板坯進行焊接封裝，能夠使板坯的接觸界面始終保持高真空狀態(tài)，避免后續(xù)加熱過程以及軋制過程中界面的嚴重氧化，進而有效提高界面的愈合效果[4-6]。因此真空環(huán)境對輕合金復(fù)合板的制備至關(guān)重要.然而真空軋制復(fù)合(vacuum roll cladding, VRC)技術(shù)在有色金屬領(lǐng)域尚未涉足，主要原因是高合金輕金屬的電子束焊接性能不佳，其焊接接頭會產(chǎn)生較高的殘余應(yīng)力，很容易產(chǎn)生變形和開裂現(xiàn)象，從而導(dǎo)致真空制坯的失敗。例如高強鋁合金熔焊時，接頭內(nèi)部會出現(xiàn)明顯的鑄態(tài)組織傾向，并且焊縫內(nèi)部易產(chǎn)生氣孔和熱裂紋等缺陷，導(dǎo)致了焊縫力學性能的嚴重下降[7]。

攪拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是由英國焊接研究所 TWI 公司于 1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)連接工藝[8-9]。該技術(shù)通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊工件的摩擦產(chǎn)熱，促使被焊材料發(fā)生顯著的塑性變形，從而實現(xiàn)固相連接，對鋁、鎂等輕合金能夠獲得良好的焊接效果。因此攪拌摩擦焊技術(shù)作為輕合金焊接的新方法被廣泛地應(yīng)用在航空航天、軌道交通、汽車、兵器工業(yè)等領(lǐng)域[10-11]。

針對鋁、鎂等輕合金材料，設(shè)計研制了真空環(huán)境下實現(xiàn)攪拌摩擦焊工藝的設(shè)備，詳細介紹了設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理、控制系統(tǒng)，并進一步獲得了焊接速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的最佳匹配值，為輕合金復(fù)合板的真空制坯提供了良好的試驗基礎(chǔ)。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 機械結(jié)構(gòu)

攪拌摩擦焊機由機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、真空系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等構(gòu)成。其中攪拌頭的機械系統(tǒng)由主軸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、xyz三軸運動機構(gòu)、W軸攪拌針伸縮機構(gòu)構(gòu)成，能夠進行平面以及曲面的焊接。試樣安置臺的機械結(jié)構(gòu)由旋轉(zhuǎn)臺、小車和試樣安裝卡緊的機構(gòu)等構(gòu)成。其中上下夾具固定在4個立柱上，并與轉(zhuǎn)臺相連后一起被安裝在小車上，小車通過軌道可以移動到真空室外，以便維修焊接移動架上的各個軸電機等[12]，設(shè)備主體結(jié)構(gòu)3D圖及局部放大如圖1所示，攪拌頭旋轉(zhuǎn)主軸電機功率選定為18.5 kW，最大轉(zhuǎn)速為1 500 r/min；攪拌頭可以在0～5°內(nèi)進行傾斜調(diào)整，傾角的控制精度為0.2°，攪拌頭其它控制參數(shù)見表1；工件旋轉(zhuǎn)通過360°無死角的B軸旋轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)，最大旋轉(zhuǎn)速度為360°/min，控制精度為0.1°，真空室抽真空度精度在0.01～0.001 Pa，焊接板厚為40～160 mm。

圖1 攪拌摩擦焊機主體結(jié)構(gòu)的3D圖及局部圖

表1 攪拌頭運動控制的主要參數(shù)

1.2 工作原理

將接觸面平整清潔的兩塊坯料對稱疊放，并固定在真空室內(nèi)，隨后進行抽真空。達到指定真空度后，啟動主軸電機帶動攪拌頭進入高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，將攪拌頭插入到上下坯料之間，達到預(yù)設(shè)定位置后開始焊接。攪拌頭和工件之間由于機械摩擦大量產(chǎn)熱，從而使焊縫金屬局部軟化，進而隨著攪拌發(fā)生塑性變形，攪拌頭的軸肩壓力促使焊縫組織細密、表面平滑[13]。每焊接完一條邊的焊縫后，旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn)90°繼續(xù)焊接下一條邊的焊縫，4條邊焊接完畢后，攪拌頭后撤并回到原點結(jié)束焊接。通常情況下焊接結(jié)束時會在工件上留下一個淺坑被稱為匙孔，為了消除匙孔采用了攪拌針回抽技術(shù)，即在攪拌頭前端安裝一個攪拌針(由一臺小功率電機帶動旋轉(zhuǎn))，在焊接過程中攪拌針隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)，當焊接即將結(jié)束時攪拌針緩慢回抽即可消除匙孔。

2 控制系統(tǒng)

2.1 控制系統(tǒng)的構(gòu)成及通訊

設(shè)備的控制系統(tǒng)由西門子數(shù)字控制器(computerized numerical control，CNC)、伺服驅(qū)動器、伺服電機等構(gòu)成，CNC通過工業(yè)以太網(wǎng)控制伺服驅(qū)動系統(tǒng)[14-16]，完成焊接攪拌頭的x,y,z軸的定位控制、主軸電機的轉(zhuǎn)速控制、B軸的轉(zhuǎn)速及位置控制、W軸的攪拌針回抽速度及位置控制、安裝試樣的旋轉(zhuǎn)平臺360°旋轉(zhuǎn)控制。真空系統(tǒng)設(shè)備、冷卻水系統(tǒng)及附屬設(shè)備采用西門子PLC進行控制。

CNC控制的伺服驅(qū)動系統(tǒng)：三相交流電經(jīng)過斷路器、接觸器、電抗器后進入功率單元，功率單元將交流380 V電壓整流變?yōu)?00 V的直流母線，為電機模塊供電，電機模塊驅(qū)動伺服電機實現(xiàn)各個軸的旋轉(zhuǎn)，CNC及伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 CNC及伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意

CPU-315-2PN/DP作主站，與ET200M從站之間之間通過Profibus-DP進行通信，完成真空機組、水冷系統(tǒng)等邏輯控制，并對擴散泵的溫度進行監(jiān)測。人-機界面工控機與PLC之間通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊[17-18]，完成試驗過程的工藝參數(shù)設(shè)定、實時數(shù)據(jù)顯示、試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)庫存儲等功能?？刂葡到y(tǒng)的通訊結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 焊接過程控制

2.2.1真空系統(tǒng)控制

真空系統(tǒng)包括真空室、機械泵、兩級羅茨泵、選片泵、擴散泵及溫度監(jiān)測環(huán)節(jié)、循環(huán)冷卻水站、氣泵等。真空環(huán)境是消除復(fù)合坯結(jié)合面內(nèi)氣體殘留，提高復(fù)合質(zhì)量的重要保障，因此攪拌摩擦焊機必須工作在具有真空環(huán)境的真空室內(nèi)，才能達到工藝要求的復(fù)合效果。真空系統(tǒng)的控制是由S7-300PLC完成的，S7-300PLC作為主站完成真空度、水冷溫度、大門位置和氣體壓力等模擬量的多個閉環(huán)控制任務(wù)，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 真空系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)示意圖

在真空環(huán)境下，熱交換無法完成傳導(dǎo)和對流，只剩下輻射一種方式，電機電纜只有通過紅外輻射的方式散熱，在相同電流的情況下，電機電纜的升溫要比在空氣中高，因此在真空中電纜的安全載流量要比在空氣中小很多，從而使電纜的絕緣等級降低。由于西門子的伺服驅(qū)動直流母線電壓為600 V，高電壓使電纜之間的爬電距離減小，因此在一定的真空度范圍內(nèi)，使絕緣效果急劇惡化，從而導(dǎo)致系統(tǒng)報警并停機[19]，為了解決上述問題，采取了如下的方法。

(1)在真空室內(nèi)的真空度達到1×10-2Pa之前，將主回路的電源關(guān)掉，使直流母線上的高電壓消失。

(2)把伺服電機的動力線接線盒拆開，去掉密封墊，使得電機繞組腔內(nèi)與外面直接連通，當抽真空時，讓電機的繞組與真空室內(nèi)在最短時間內(nèi)達到一致的真空度。

(3)在主回路的輸入端增加一個降壓變壓器，使380 Vac降低到320 Vac，進一步降低直流母線上的電壓，使伺服電機在真空環(huán)境中能夠平穩(wěn)的工作更長的時間。

2.2.2焊接控制

采用西門子公司CNC的SINUMERIK 828D的軟件控制焊接過程，通過G代碼編程實現(xiàn)對工件的自動焊接，CNC控制器對伺服電機的控制是通過速度閉環(huán)和位置閉環(huán)，即雙閉環(huán)控制的方式完成的[20]。伺服電機內(nèi)置的絕對值編碼器/增量編碼器作為反饋信號，與CNC的控制指令信號比較后，經(jīng)過控制算法控制伺服驅(qū)動器，進而控制伺服電機以預(yù)定的速度完成定位控制。焊接程序以標準的G形式輸入到CNC后，調(diào)用控制系統(tǒng)功能軟件包，通過控制策略及算法，實現(xiàn)攪拌頭軌的多種插補運算，運算結(jié)果以脈沖信號的形式輸出到伺服驅(qū)動系統(tǒng)中，自動完成焊接過程，相應(yīng)的焊接過程如下。

(1)將焊接工件固定夾具上，檢查并確定轉(zhuǎn)臺固定鎖緊，轉(zhuǎn)臺與焊機機體連接牢靠，焊接工件安裝到位并卡緊。

(2)通過手動控制x,y,z軸在一定速度下點動定位以及微調(diào)定位，以確定工件上焊縫坐標，將攪拌頭定位在焊接坐標原點位置，保存原點坐標以便于編程。

(3)通過PLC控制系統(tǒng)自動完成抽真空控制過程，使得真空室內(nèi)真空度達到試驗工藝要求值后保持該真空度。

(4)在CNC自帶的人機界面根據(jù)焊接速度、轉(zhuǎn)速和焊接路徑等控制參數(shù)編寫焊接程序。

(5)焊接程序編寫完成，可以進行焊接動作模擬，模擬過程執(zhí)行無誤后正式執(zhí)行焊接程序。

(6)焊接過程中可以通過改變倍速率實時調(diào)整控制攪拌頭的轉(zhuǎn)速和移動速度，控制系統(tǒng)通過實時壓力監(jiān)測功能保證試驗機安全運行。

3 結(jié)果與分析

選用30 mm厚T6態(tài)的7075鋁合金板材，將其加工成尺寸為250 mm×250 mm的矩形板進行焊接。攪拌頭形狀為錐形正螺紋，螺距1 mm，利于加強焊接時焊縫金屬的流動從而形成致密焊縫；軸肩采用同心圓環(huán)設(shè)計，加強攪拌頭與金屬的摩擦和塑性流動。攪拌頭的規(guī)格為：軸肩直徑22 mm，攪拌針后端直徑7.8 mm，前端直徑4.2 mm，針長7.8 mm，采用2°傾角焊接。另外攪拌頭是采用耐高溫材料H13制成，能夠保證焊接過程中不會因為明顯發(fā)熱而影響焊接工藝。試驗選擇3種不同的轉(zhuǎn)速(400 r/min，600 r/min和800 r/min)，以及4種焊接速度(50 mm/min，100 mm/min，150 mm/min和200 mm/min)，共進行6組試驗。試驗工藝參數(shù)和試驗結(jié)果見表2，焊縫表面宏觀形貌如圖5所示。

表2 不同轉(zhuǎn)速和焊接速度的試驗結(jié)果

圖5 非對接焊縫表面宏觀形貌

對表2中試驗數(shù)據(jù)和圖5的焊縫形貌進行比較，可以看出，當攪拌頭的轉(zhuǎn)速(600 r/min)不變時，焊接速度越快則焊核寬度越小，焊縫平整度越好，圖5中序號c的焊縫的平整度最好；當焊接速度(100 mm/min)不變時，攪拌頭的轉(zhuǎn)速過快或過慢都會導(dǎo)致焊縫的平整度變差，其中當轉(zhuǎn)速600 r/min時，焊縫平整度最好。從焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速的比值上看，比值越大焊縫平整度及焊接性能越好。焊縫強度測試結(jié)果顯示，序號c的試驗結(jié)果抗拉強度最高。綜合各項測試結(jié)果，轉(zhuǎn)速為600 r/min，焊接速度為100 mm/min時，焊接力學性能和焊縫平整度最好。圖6 為鋁合金對稱組坯的照片以及采用最佳參數(shù)焊接的對接焊縫表面宏觀形貌，試驗結(jié)果表明，板坯實現(xiàn)了良好的真空焊接封裝效果。

圖6 鋁合金焊接實例

4 結(jié)論

(1)研制了一臺真空攪拌摩擦焊機，用于真空環(huán)境下對工件進行焊接封裝。

(2)利用西門子CNC、伺服驅(qū)動設(shè)備、PLC控制器對真空攪拌摩擦焊機進行精準控制，解決了西門子伺服驅(qū)動系統(tǒng)在真空環(huán)境故障報警的問題，保證了真空環(huán)境下伺服驅(qū)動系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，提高了設(shè)備的工作效率。

(3)通過焊接試驗獲得了焊接速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)的最佳匹配值。

(4)攪拌摩擦焊機的研制成功，為深入研究輕合金復(fù)合板制備工藝、界面微觀組織演變及結(jié)合機理提供了必要的工具和手段。