轻金属的搅拌摩擦焊设备



轻金属的搅拌摩擦焊设备

刊名：Materials Today: Proceedings（英）

刊期：2015年第2期

作者：A. Grimm et al

编译：王迪

随着汽车等行业对轻量化的要求越来越高，轻金属材料受到了广泛关注，但轻金属材料的连接技术成为难点。而搅拌摩擦焊（FSW）技术是相似或性能相差很大的材料之间的一种固态结合技术。FSW在焊接过程中会对设备产生较大的机械力，因此FSW设备的刚度和动力操控性成为研究的重点。常见的解决方案基于笛卡尔布局并采用定制数控系统，由于该系统通常被用于特殊的焊接工作，所以很难将其应用于其它焊接件的焊接。目前，FSW应用的控制系统存在定位精度不足的缺点，因此为了进一步减少低动力学和高偏差的问题，研究了复杂的控制系统以补偿焊头相对于零件表面和关节位置的垂直和横向定位偏差。开发了一个新的机械控制系统（图1）使FSW得到广泛应用，如应用在复杂和较大汽车部件的焊接。该控制系统既提高了FSW的焊接能力，又降低了生产成本，同时还扩展了FSW的焊接范围，可将FSW技术用于轻金属的焊接。

图1　FSW新的机械控制系统

为了保证FSW的精度问题，需要对机械控制系统进行力、位置、力矩的控制。①开发一套力控制的数值算法，该计算考虑主轴的位置和角度，最大控制频率为500Hz，力控制精度在±0.1kN范围内。②位置控制利用外部传感器，该传感器固定在主轴距离焊接工具15mm的位置，分辨率为30μm，测量频率控制在1kHz。③力矩控制通过控制主轴的转矩，该控制转矩不是由用户自定义的，而是通过计算焊接头到零件表面的距离和相对运动速度得出。因此焊接功率的控制是扭矩、主轴速度的一个函数。

FSW可以应用到半径和厚度较小部件的焊接，也可用于表面凹凸不平零件的焊接，以及不同材料零件的焊接。试验结果表明，通过基于FSW技术加工的焊接件性能相比用传统方法得到的焊接件性能有了很大提高。