什么是搅拌摩擦焊机？

搅拌摩擦焊机

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种固相连接技术，在1991年由英国焊接研究所（The Welding Institute, TWI）发明。与传统熔化焊相比，FSW无需添加焊丝、不需要保护气体，焊接过程无污染、无烟尘、无辐射，焊接接头残余应力低，因此具有焊接效率高、焊接变形小、能耗低、设备简单、焊接过程安全等一系列优点。经过20多年的发展，FSW已经在航空航天、轨道交通、舰船等领域得到了广泛应用。

搅拌摩擦焊的原理如图1所示。高速旋转的搅拌头扎入被焊工件内，旋转的搅拌针与被焊材料发生摩擦并使其发生塑化，轴肩与工件表面摩擦生热并用于防止塑性状态的材料溢出。在焊接过程中，工件要刚性固定在背部垫板上，搅拌头边高速旋转边沿工件的接缝与工件相

火箭燃料贮存箱搅拌摩擦焊专机

3.2 机器人搅拌摩擦焊设备

传统的龙门式搅拌摩擦焊设备只能完成直线或平面二维焊接要求，不能满足复杂结构件的焊接，工业机器人具有较高的柔性，可以实现复杂轨迹运动，使复杂结构件的焊接成为可能。机器人搅拌摩擦焊接技术可提升焊接自动化程度和生产效率，其技术优势和社会经济效益显著。

机器人搅拌摩擦焊设备因为焊接适应性强、易于实现空间全位置焊接、自动化程度高、生产效率高等技术特点，近年来得到了越来越多地应用。

机器人搅拌摩擦焊技术与装备已成为当前国际搅拌摩擦焊技术研发热点，并得到了国内外焊接工程技术人员和工业用户的广泛关注。

当前机器人搅拌摩擦焊技术，亟待解决以下几方面关键技术：

1）适用于搅拌摩擦焊接的重载工业机器人本体设计与制造技术。实现机器人搅拌摩擦焊的基本条件是机器人本体承载能力必须很高，通常＞500kg，而且对于机器人在高载荷作业条件下的工作稳定性、重复定位精度、空间位置和姿态规划都提出了很高的要求。

2）机器人搅拌摩擦焊机头的设计与制造是机器人搅拌摩擦焊系统集成和功能实现的关键。机器人搅拌摩擦焊机头需要集成复杂的测控系统，包括：压力测控系统、温度测控系统、焊缝跟踪系统、三维激光定位系统和焊接过程冷却与润滑系统等；同时为了提高机器人运动的灵活性和可达性，需要焊接机头尽可能地减小体积。

3）机器人搅拌摩擦焊控制模块是保证焊接过程稳定性的重要因素，是机器人搅拌摩擦焊复杂曲面焊接可靠性的重要保障。机器人搅拌摩擦焊接过程控制传感器主要包括三维定位、压力、位移、温度、焊缝跟踪等，通过通信模块和总线将系统与传感器连接在一起，并实时采集数据由系统进行分析，再由通信模块输出进行焊接轨迹、姿态及工艺参数修正，最终达到精确控制的目的。

4）通过确定搅拌摩擦焊标准化流程，组织并有效协同路径规划、校准、过程模拟、过程控制、焊接工艺模块等各子系统，实现机器人搅拌摩擦焊系统集成，开发适用于搅拌摩擦焊接的机器人软件包。

5）当前工业产品多具有小批量多品种特征，要求生产线具备柔性制造能力。采用工业机器人进行搅拌摩擦焊时，对焊接顺序及作业路径必须进行工艺规划，并通过离线编程实现干涉检测和指令生成，而且必须结合前序生产过程实时信息，对后续加工过程进行同步调整，以充分发挥机器人在工业高效自动化生产中的优势。

3.3 重载机器人搅拌摩擦焊系统

广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院）基于载重1t的KUKA工业机器人，集成了具有自主知识产权的重载机器人搅拌摩擦焊系统。通过机头的设计与制造、应用软件系统开发、焊接过程稳定性研究与焊接工艺研究等过程，实现了产品开发与标准制定的目标，并且采用所开发的搅拌摩擦焊接系统进行了产品的加工生产，成功实现产业化应用。

（1）机头的设计与制造机头的设计。即主轴系统的结构设计。系统包括高速电主轴、压力传感器、激光跟踪器、冷却系统、搅拌头和刀柄、转接盘等连接配件。其实物如图12所示。

图12 主轴系统实物

注：①为力学传感器，②为高速电主轴，③为激光跟踪器，

④为油冷系统，⑤为搅拌头，⑥为刀柄。

高速电主轴提供搅拌头旋转摩擦动力，名义最高转速6000 r/min，扭矩55Nm；压力传感器呈120°圆周对称分布，用于实时监测焊接下压力，量程0~20kN；激光跟踪器设置于焊接前端，用于对焊缝进行扫描跟踪，检测精度＜0.2mm；冷却系统保证焊接过程中的热量输入不会过大，延长搅拌头和搅拌工具的使用寿命；搅拌头即搅拌摩擦焊接工具，用于焊缝成形，可根据不同焊接需求定制加工。

（2）机器人焊接工艺研究。经过焊接过程稳定性的研究后，对机器人焊接工艺展开了相关研究工作。主要包括一维常规FSW、一维静轴肩FSW、一维搅拌摩擦点焊和二维FSW、三维复杂曲面的搅拌摩擦焊接工艺研究。

研究内容主要包括：焊接参数的确定与优化、接头宏观形貌与微观组织观察以及力学性能测试分析。

采用常规搅拌头对4mm厚1561铝合金进行焊接试验。转速600~2200r/min，焊接速度200mm/min，固定压力恒定7500N。焊接过程稳定，压力震动幅值＜8%。均获得了成形良好的焊缝，**接头抗拉强度达母材的99%，如图13所示。

图13 接头抗拉强度与转速关系

采用自主开发的高转速静轴肩搅拌摩擦焊专用工具对4mm厚2219-T6铝合金进行试验。转速2000~2600r/min，焊接速度100mm/min。通过观察不同位置处焊缝表面形貌和接头宏观形貌（见图14、图15），可知静轴肩搅拌摩擦焊显著提高了焊缝表面质量。

图14 焊缝表面形貌

图15 接头宏观形貌

采用恒压力及恒位置模式对（2+2）mm厚6061-T6铝合金进行搅拌摩擦点焊对比试验。转速在1000~1500r/min内改变，均获得了良好的焊点成形。采用恒位移焊接模式所得**接头拉剪性能为2400N，采用恒压力焊接模式所得**接头拉剪性能提升至4000N。

同时，采用恒压力及恒位置模式对二维搅拌摩擦焊工艺进行开发。在4mm厚6061-T6铝合金板上，成功实现二维转角搅拌摩擦焊（见图16），试验中发现，采用恒压力模式可显著提高焊接稳定性。

a）恒压力 b) 恒位置

图16 恒压力及恒位置模式二维转角搅拌摩擦焊

进一步采用所开发的机器人搅拌摩擦焊接系统成功实现了复杂曲面的高质量搅拌摩擦焊接。工件模型和焊缝成形情况如图17所示。

图17 曲面焊缝成形

经过大量的试验和研究，采用所开发的搅拌摩擦焊接系统成功地进行了新能源汽车电池托盘、水冷散热器、手机外壳的加工生产，并实现产业化应用。其中，针对电池托盘，其综合焊接效率由龙门式搅拌摩擦焊设备的65 PCS/8h提高到91 PCS/8h，提高了约40%，并具有进一步提高的空间。