張新棋 董傳杰 謝冬 孫丹 畢煌圣

（首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076）

文摘 為實(shí)現(xiàn)鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高效率高質(zhì)量攪拌摩擦焊接成形，開展了基于KUKA 重載機(jī)器人與新型攪拌摩擦焊技術(shù)結(jié)合的柔性焊接系統(tǒng)研究，通過自主研制多功能攪拌摩擦焊主機(jī)單元和試驗(yàn)工裝，開發(fā)機(jī)器人柔性焊接專用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成控制，以此為基礎(chǔ)開展了平板焊接試驗(yàn)試片接頭組織性能研究及空間曲線軌跡的攪拌摩擦焊試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：該重載機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)6 mm 厚2219 C10S 鋁合金平板試片和3 mm 厚S 形空間曲線焊接試驗(yàn)件的焊接，當(dāng)攪拌頭為轉(zhuǎn)速n=800 r/min，焊接速度υ=200 mm/min時(shí)，試片接頭抗拉強(qiáng)度和延伸率等力學(xué)性能較好，對(duì)試樣焊縫進(jìn)行超聲相控陣及X光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在孔洞、裂紋等超標(biāo)缺陷，驗(yàn)證了機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)和工藝方法的適用性。

0 引言

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國(guó)焊接研究所（TWI）發(fā)明的一項(xiàng)新型焊接技術(shù)［1-4］，與其他焊接方法相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：固相連接，焊接溫度較低，沒有明顯的熔焊焊接缺陷；無需保護(hù)氣體，工具損耗較??；焊縫及其周圍殘余變形和焊接殘余應(yīng)力相對(duì)較小；攪拌摩擦焊接不產(chǎn)生弧光、煙塵、噪聲等污染，節(jié)省能源，對(duì)環(huán)境和人損害更?。?-10］。工業(yè)領(lǐng)域越來越多的產(chǎn)品制造采用了這項(xiàng)新技術(shù)，包括航空航天產(chǎn)品、高鐵列車、雷達(dá)面板和新能源電池板焊接等［11-16］。與專用攪拌摩擦焊裝備相比，將具有較高柔性的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與先進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)結(jié)合，會(huì)顯著提高攪拌摩擦焊接的自動(dòng)化水平、生產(chǎn)效率及作業(yè)柔性，以較低成本有效解決空間復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的批量化焊接制造問題，成為近年來攪拌摩擦焊技術(shù)和智能裝備發(fā)展的重點(diǎn)方向［17-19］。

國(guó)外開展機(jī)器人攪拌摩擦焊接裝備起步較早，已經(jīng)成功地將機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用于航空航天等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的焊接中。美國(guó)FSL 公司基于ABB 機(jī)器人系統(tǒng)開發(fā)的機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)，可滿足6 mm以內(nèi)的鋁合金常規(guī)焊接［20-21］。GRENZEBACH、歐空局和KUKA 公司共同研制出了機(jī)器人靜止軸肩攪拌摩擦焊SSFSW 系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功應(yīng)用于歐空局航空航天薄板鋁合金產(chǎn)品的制造中，包括空間曲面結(jié)構(gòu)、翼肋和翼盒、高真空密封腔等［22］。TWI在2011年研制了世界上首臺(tái)機(jī)器人雙軸肩攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，并成功實(shí)現(xiàn)了3 mm 厚6082-T6 鋁合金帶曲率工件的焊接，焊接質(zhì)量良好，其接頭性能達(dá)到母材的75%［23］。此外德國(guó)、日本等都開發(fā)了機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)，并應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中［24］。我國(guó)在機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成研發(fā)及工程化推廣應(yīng)用等方面起步相對(duì)較晚，中航工業(yè)賽福斯特公司、廣東省中烏研究院等科研機(jī)構(gòu)近年來開展了機(jī)器人攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)研究并對(duì)機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)工程應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)探索［19］，我國(guó)在機(jī)器人攪拌摩擦焊技術(shù)研究與應(yīng)用領(lǐng)域正在逐步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

本文將高柔性工業(yè)重載機(jī)器人與新型攪拌摩擦焊技術(shù)結(jié)合，開展集“綠色焊接、柔性制造和可批量化生產(chǎn)”等優(yōu)勢(shì)于一身的重載機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)開發(fā)，通過自主研制多功能攪拌摩擦焊主機(jī)單元和試驗(yàn)工裝，開發(fā)機(jī)器人柔性焊接專用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集成控制，突破機(jī)器人攪拌摩擦焊接裝備集成技術(shù)，通過平板焊接試驗(yàn)試片接頭組織性能研究及空間曲線軌跡的攪拌摩擦焊試驗(yàn)驗(yàn)證，解決重載機(jī)器人模式下的攪拌摩擦焊接技術(shù)應(yīng)用難題，擬為后續(xù)實(shí)現(xiàn)鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高效率高質(zhì)量自動(dòng)化攪拌摩擦焊接提供裝備和技術(shù)保障。

1 系統(tǒng)研制

1.1 總體構(gòu)成

機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成制造主要包括重載機(jī)器人、多功能攪拌摩擦焊主機(jī)單元、重載機(jī)器人與焊接主機(jī)集成控制系統(tǒng)，如圖1 所示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3～6 mm厚鋁合金常規(guī)及可回抽式攪拌摩擦焊。

圖1 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)集成制造組成圖Fig.1 The diagram of robot friction stir welding system integrated manufacturing

為研究機(jī)器人系統(tǒng)在高載荷作業(yè)條件下的工作穩(wěn)定性及焊接試驗(yàn)效果等，根據(jù)試驗(yàn)需求設(shè)計(jì)了專用的焊接試驗(yàn)平臺(tái)及工裝，重載機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)機(jī)械部分總體布局，如圖2所示。

圖2 重載機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)組成圖Fig.2 Heavy duty robot friction stir welding system composition

1.2 重載機(jī)器人系統(tǒng)

攪拌摩擦焊過程中設(shè)備要承受很大的載荷，攪拌系統(tǒng)會(huì)受到軸向力、前進(jìn)抗力、側(cè)向力以及旋轉(zhuǎn)扭矩等。根據(jù)產(chǎn)品對(duì)象不同，攪拌頭的轉(zhuǎn)速和焊接速度對(duì)軸向力和前進(jìn)抗力都有較大影響［25］，機(jī)器人容易偏離預(yù)定軌跡，從而產(chǎn)生焊接缺陷［26］。為獲得良好的焊接試驗(yàn)效果，系統(tǒng)基于工業(yè)應(yīng)用較為成熟的KUKA KR1000 重載機(jī)器人作為系統(tǒng)執(zhí)行部件，該重載機(jī)器人具有工作空間大、自由度高和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，基本參數(shù)和結(jié)構(gòu)見表1和圖3。

表1 KUKA KR1000基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of KUKA KR1000

圖3 KUKA KR1000重載機(jī)器人系統(tǒng)組成圖Fig.3 The system diagram of KUKA KR1000 heavy duty robot

1.3 攪拌摩擦焊主機(jī)單元

如圖4 所示為自主研發(fā)的適用于重載機(jī)器人的專用攪拌摩擦焊接主機(jī)單元，主要由主軸殼體、電機(jī)殼體、機(jī)器人過渡連接件、主軸電機(jī)、攪拌針回抽裝置、軸承組和主軸冷卻系統(tǒng)等組成。

圖4 攪拌摩擦焊主機(jī)單元Fig.4 The main engine unit of friction stir welding

為實(shí)現(xiàn)鋁合金無匙孔可回抽攪拌焊，攪拌摩擦焊主機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)攪拌針回抽裝置，如圖5 所示，驅(qū)動(dòng)方式為“伺服電動(dòng)缸（帶絕對(duì)值編碼器）+回抽結(jié)構(gòu)件+導(dǎo)向裝置”。該方式運(yùn)動(dòng)精度高，且對(duì)稱布置形式可以保證回抽力量的均衡。此外，回抽驅(qū)動(dòng)裝置集成角度旋轉(zhuǎn)傳感器，可實(shí)時(shí)采集位置信號(hào)并反饋至控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)位移調(diào)節(jié)。

圖5 攪拌摩擦焊主機(jī)回抽裝置Fig.5 The retractable device of friction stir welding main engine

攪拌摩擦焊接主機(jī)單元能夠?qū)崿F(xiàn)多種攪拌摩擦焊接工藝。主機(jī)端部的攪拌頭加持接口，采取標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，不同規(guī)格不同厚度的攪拌頭能夠互換安裝使用，可滿足3～6 mm 常規(guī)攪拌焊、可回抽攪拌焊、雙軸肩攪拌焊和靜止軸肩攪拌焊等多項(xiàng)加工工藝需求，如圖6所示。

圖6 攪拌摩擦焊主機(jī)各類攪拌頭示意圖Fig.6 The schematic diagram of various stirring heads for friction stir welding host

1.4 集成控制系統(tǒng)開發(fā)

控制系統(tǒng)采用集中控制的方式，控制器通過實(shí)時(shí)以太網(wǎng)與機(jī)器人控制器相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換和啟?？刂疲瑱C(jī)器人進(jìn)行攪拌摩擦焊接的軌跡控制，攪拌主軸進(jìn)行攪拌摩擦焊的回抽裝置軸向伸縮控制。

圖7 為機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)控制架構(gòu)圖。邏輯控制器PLC 與攪拌主軸、回抽軸力傳感器、電推桿回抽機(jī)構(gòu)通過Ethercat 總線通信，在PLC 上掛載Profinet 從站模塊，可實(shí)現(xiàn)與機(jī)器人的Profinet 實(shí)時(shí)通信。通過總線控制，運(yùn)行時(shí)PLC 可實(shí)時(shí)獲取機(jī)器人的坐標(biāo)位置等狀態(tài)信息和攪拌主機(jī)單元數(shù)據(jù)，然后將獲取的信息經(jīng)過邏輯運(yùn)算，向機(jī)器人下發(fā)控制指令，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與主機(jī)的集成控制。

圖7 機(jī)器人焊接系統(tǒng)控制架構(gòu)圖Fig.7 The control architecture diagram of robot welding system

圖8 為開發(fā)的機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)人機(jī)控制界面，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集反饋?？刂葡到y(tǒng)在焊接過程中，可隨時(shí)采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行焊接軌跡、機(jī)器人姿態(tài)及工藝參數(shù)的修正。

圖8 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)人機(jī)控制界面Fig.8 Human-machine control interface of robot friction stir welding system

1.5 攪拌摩擦焊試驗(yàn)系統(tǒng)

攪拌摩擦焊試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括試驗(yàn)平臺(tái)、攪拌摩擦焊平板試驗(yàn)工裝、曲面試驗(yàn)焊接工裝和試片壓板等，如圖9所示。

圖9 重載機(jī)器人攪拌摩擦焊接試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.9 The test system of heavy duty robot friction stir welding

2 工藝試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 焊接試驗(yàn)參數(shù)研究

在平板試樣上進(jìn)行試焊，研究能夠?qū)⑵桨鍖?duì)接試片焊接成表面成形及接頭力學(xué)性能良好，內(nèi)部缺陷少的合理參數(shù)范圍（攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度n、焊接速度υ）。設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表如表2 所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。焊接試驗(yàn)材料為2219 C10S（固溶處理后經(jīng)10%冷加工，然后人工時(shí)效）高強(qiáng)鋁合金板材，抗拉強(qiáng)度σb=440 MPa，延伸率δ10=7%，板材形狀尺寸根據(jù)試驗(yàn)需求進(jìn)行加工。

表2 6 mm 2219 C10S鋁合金平板FSW焊接參數(shù)水平選擇Tab.2 Level selection table of FSW welding parameters of 6 mm 2219 C10S aluminum alloy plate

圖10 焊接參數(shù)對(duì)6 mm常規(guī)接頭力學(xué)性能的影響Fig.10 Influence of welding parameters on mechanical properties of 6 mm conventional joint

通過圖10 分析可以得出轉(zhuǎn)速n=800 r/min，焊接速度υ=200 mm/min為適用于重載機(jī)器人焊接系統(tǒng)的優(yōu)化焊接參數(shù)，此時(shí)焊接頭力學(xué)性能最好。為驗(yàn)證上述結(jié)論，按此工藝參數(shù)進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 6 mm 2219 C10S鋁合金優(yōu)化工藝參數(shù)接頭力學(xué)性能表Tab.3 The mechanical properties table of joints with optimized process parameters for 6 mm 2219 C10S aluminum alloy

表3結(jié)果表明，采用優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)焊接的6 mm 2219 C10S鋁合金試片接頭抗拉強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定，為315～345 MPa，延伸率為5.5%～7.0%，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材70%以上，延伸率大于5%，滿足《鋁合金中厚板攪拌摩擦焊技術(shù)要求》。

2.2 焊接接頭組織分析研究

圖11為機(jī)器人焊接試片6 mm焊縫接頭剖切組織形貌。圖11左側(cè)為攪拌頭后退側(cè)，右側(cè)為攪拌頭前進(jìn)側(cè)，從圖中可以看到，前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)相對(duì)于焊核區(qū)中心存在一并不對(duì)稱的扁平橢圓形洋蔥圓環(huán)結(jié)構(gòu)。圖12為機(jī)器人焊接試片6 mm焊縫接頭前進(jìn)側(cè)及后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)與焊核區(qū)的交界處組織微觀形貌。

圖11 機(jī)器人焊接試片接頭宏觀形貌Fig.11 The macroscopic morphology of robot welding test joint

圖12 機(jī)器人焊接試片接頭熱機(jī)影響區(qū)微觀形貌Fig.12 The micro morphology of heat engine influence zone of robot welding test joint

從圖12 中可以發(fā)現(xiàn)，無論是前進(jìn)側(cè)還是后退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)其組織特點(diǎn)均發(fā)生彎曲拉伸變形，這是由于該區(qū)域的塑性金屬位于攪拌針邊緣，受到的機(jī)械攪拌作用較弱，并且受熱循環(huán)影響而發(fā)生動(dòng)態(tài)恢復(fù)，比較兩者可以發(fā)現(xiàn)前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)和焊核區(qū)界面過渡相對(duì)急劇，而后退側(cè)兩者之間則要平滑，符合攪拌摩擦焊正常焊縫組織形貌［27］。

2.3 機(jī)器人攪拌摩擦焊空間曲線工藝研究及驗(yàn)證

在機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的焊接參數(shù)及焊接能力得到驗(yàn)證后，對(duì)機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)進(jìn)行空間曲線試板的焊接進(jìn)行研究，通過焊接主機(jī)壓力及位移控制、機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)空間曲線焊接線速度的穩(wěn)定控制，進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)器人焊接系統(tǒng)空間運(yùn)行能力。

焊接材料為3 mm 厚2219 C10S 鋁合金，試片加工成與焊接墊板一致的S形曲面，利用機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)進(jìn)行S形空間曲線焊接試驗(yàn)件的焊接，焊接轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為200 mm/min，焊接過程及焊后試樣如圖13、圖14 所示。對(duì)試樣焊縫進(jìn)行超聲相控陣及X 光檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)焊縫內(nèi)部存在孔洞、裂紋等超標(biāo)缺陷，滿足《鋁合金攪拌摩擦焊超聲相控陣檢測(cè)方法》的相關(guān)要求。

圖13 機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)進(jìn)行S形空間曲線焊接過程Fig.13 The S-shaped space curve welding process of robot friction stir welding system

圖14 S形焊接試片實(shí)物Fig.14 The S-shaped welding test piece

曲面焊接試驗(yàn)驗(yàn)證了焊接主機(jī)壓力及位移控制、機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了空間曲線焊接線速度的穩(wěn)定控制，通過航天產(chǎn)品試驗(yàn)件的焊接與考核，確定了機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)和工藝方法的適用性，為該系統(tǒng)在航天型號(hào)產(chǎn)品上的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

（1）通過自主研制多功能攪拌摩擦焊主機(jī)單元，開發(fā)機(jī)器人柔性焊接專用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于KUKA重載機(jī)器人攪拌摩擦焊系統(tǒng)研制，以此為基礎(chǔ)開展了平板焊接試驗(yàn)試片接頭組織性能研究及空間曲線軌跡的攪拌摩擦焊試驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）重載機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)可穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)6 mm 厚2219 C10S 鋁合金平板試片攪拌摩擦焊接，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速n=800 r/min、焊接速度υ=200 mm/min時(shí)，試片接頭力學(xué)性能較好，抗拉強(qiáng)度為315～345 MPa，延伸率為5.5%～7.0%，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材70%以上，延伸率大于5%，滿足《鋁合金中厚板攪拌摩擦焊技術(shù)要求》。

（3）3 mm 厚S 形空間曲線焊接試驗(yàn)件驗(yàn)證了焊接主機(jī)壓力及位移控制、機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了空間曲線焊接線速度的穩(wěn)定控制，通過航天產(chǎn)品試驗(yàn)件的焊接與考核，確定了機(jī)器人攪拌摩擦焊接系統(tǒng)和工藝方法的適用性。

（4）實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與先進(jìn)攪拌摩擦焊技術(shù)結(jié)合，提高了攪拌摩擦焊加工作業(yè)柔性和自動(dòng)化水平，為鋁合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的高效率高質(zhì)量自動(dòng)化攪拌摩擦焊接制造提供了裝備和技術(shù)保障，具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。