搅拌摩擦焊接过程闭环控制方法研究

2019-09-28

电焊机 2019年9期

（上海航天设备制造总厂有限公司，上海200245）

0 前言

近年来，航天发射密度的逐渐增加，对航天制造的质量和效率提出了更高的要求，而制造过程的自动化是高质量、高效率、高效益地完成发射任务的重要途径。搅拌摩擦焊作为运载火箭贮箱制造的重要技术，提高其自动化水平有助于提升产品质量的可靠性和稳定性，提高生产效率并降低工人劳动强度。

现有工艺中，贮箱的搅拌摩擦焊接过程还未实现完全自动化，其关键在于焊接过程的压入量无法自动调节，需要操作人员根据经验判断，并在焊接过程中实时调节，焊缝质量很大程度上依赖于操作人员的经验。基于此，采用压力控制方式替代下压量控制，通过外部传感器获得反馈信号替代人工实时干预，其控制方法如图1所示。控制过程主要包括[1]：传感器将检测到的焊接压力值F反馈给数控系统，与设定压力值Fs比较，并将结果反馈给数控系统；数控系统根据反馈结果驱动运动轴运动，调节下压量以保证压力恒定。

图1 搅拌摩擦焊接压力反馈控制方法

上述反馈信号一般通过压力传感器测得，压力传感器可安装在工作台[2]或Z轴丝杠上。为简化传感器安装难度，提高测量精度，现有技术开发的智能刀柄[3]将传感元件与刀柄结合，基于无线信号传输装置，实时采集焊接过程中的压力、转矩等参数，并反馈给控制系统进行压力控制。同时，基于智能刀柄反馈的压力信号，通过调节焊接速度也可实现稳定焊接过程的闭环控制[4]。但是，上述研究均需通过外部传感器得到反馈信号，需改造现有设备并进行数控系统集成，成本高、周期长。为此，蔡智亮等人[5]将Z轴伺服电机转矩作为反馈信号，通过控制Z轴转矩来调节下压量，可在未采用任何外部传感器的条件下实现焊接过程的闭环控制。因此，采用焊接设备自身伺服驱动参数作为反馈信号，可降低硬件的成本投入。但是，哪些驱动参数可替代焊接压力作为闭环控制的反馈信号，现有文献并未开展研究。

基于此，采用搅拌摩擦焊接压力控制系统进行试验，采集焊接过程中的焊接压力和伺服驱动参数，重点对比焊接压力与主轴功率、主轴转矩、Z轴转矩的变化规律，得到替代焊接压力的最优反馈信号，为搅拌摩擦焊接过程闭环控制提供参考和依据。

1 试验设计

在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头受力复杂，工艺参数、工件的加工和装配精度都会引起焊接压力变化。因此，研究不同工况下的伺服驱动参数与焊接压力的关系具有重要意义。

本文所采用的搅拌摩擦焊接压力控制系统，其压力传感器安装在Z轴驱动丝杠和主机头安装座之间，可实时监测和采集焊接压力。同时，该系统还可输出焊接过程中各驱动轴的功率和转矩。焊接试验采用压力控制模式，反馈信号为压力传感器测得，压力设定值为1 3000 N。采用铝合金试板进行焊接，尺寸为300 mm×100 mm×6 mm。焊接过程共分五个阶段：下扎阶段（下扎速度15 mm/min）、停留阶段（停留5 s）、过渡阶段、稳定焊接阶段以及拔出阶段（停留5 s后拔出）。基于数据采集模块，将各个阶段的主轴转矩、主轴功率、Z轴转矩和焊接压力进行采集和输出。采用3组不同的工艺参数进行焊接，具体参数设置如图2所示。

2 试验结果与分析

2.1 驱动参数变化规律

图2 不同厚度下的材料流动情况

焊接过程中各驱动参数变化情况如图3所示，焊接转速为600 r/min，焊接走速为200 mm/min。可以看出，当搅拌针刚扎入工件时，材料仍处于弹性状态，焊接压力近似呈线性上升；随后，在搅拌针摩擦产热和材料变形产热的共同作用下，焊接压力降低；随着轴肩边缘开始接触工件表面，焊接压力又一次近似线性上升；在停留阶段，搅拌头高速旋转，轴肩下方材料在轴肩的剧烈摩擦下快速升温，材料软化严重，焊接压力降低；过渡阶段，搅拌头开始沿焊缝运动，材料的产热和散热逐渐达到动态平衡，压力上升后逐渐稳定；当搅拌头到达焊缝终点，下压力随着搅拌头的拔出快速下降。该过程与文献[6]中的结果一致。由此可见，在搅拌头下扎阶段和拔出阶段，焊接压力波动较大，很难进行闭环控制；而稳定焊接阶段是影响焊接质量的关键，压力相对稳定，可以实现闭环控制。

图3 焊接过程各参数变化规律

分析稳定焊接阶段的各驱动参数，得到其平均值和标准差，并将标准差与平均值的比值作为衡量该参数波动程度的指标，统计结果如表1所示。可以看出，主轴压力的平均值为13 030 N，与设定值1 3000 N非常接近，波动程度仅为0.842%，波动程度较小，可以看作恒定压力控制阶段。此外，主轴功率的波动程度约为2%，变化过程较为稳定，易于控制，可以作为反馈信号进行闭环控制；而主轴转矩和Z轴转矩在压力控制阶段波动较大，很难进行闭环控制。因此，在稳定焊接阶段，焊接压力和主轴功率均可作为反馈信号进行闭环控制。

表1 稳定焊接阶段各个驱动参数波动程度统计

2.2 工艺参数影响规律

本文采用三组具有相同焊接转速-走速比的工艺参数来研究主轴功率的变化规律，试验结果如图4所示。

图4 不同工艺参数下的主轴功率

可以看出，在不同工艺参数下，主轴功率的变化规律基本一致：在下扎阶段，主轴功率随着搅拌针的下扎逐渐增大，当轴肩接触工件表面时，主轴功率达到最大值；在过渡阶段，主轴功率随着材料软化而逐渐降低；在稳定焊接阶段，材料的产热和散热逐渐达到平衡，主轴功率的变化逐渐趋于稳定；当搅拌头拔出工件时，主轴功率迅速降低。与图3对比可知，焊接全过程中主轴功率和焊接压力的变化趋势基本一致。

提取、分析稳定焊接阶段的主轴功率，统计结果如表2所示。可以看出，不同工艺参数下的主轴功率波动程度均较小，可以进行闭环控制。需要指出的是，不同工艺参数下的主轴功率并不相同，转速越大，主轴功率越大。结合图5可知，当主轴转速为600 r/min时，焊缝表面平整，纹理清晰；当主轴转速为1 200 r/min时，焊缝表面毛糙，焊缝区域热输入量过大。

表2 稳定焊接阶段主轴功率波动程度统计

图5 不同工艺参数下的焊缝表面

综上可知，虽然三组工艺参数具有相同的焊接转速-走速比，但是焊缝热输入并不相同。主轴功率越大，焊缝区域热输入越大。因此，将主轴功率作为反馈信号，不仅可以实现焊接过程闭环控制，还可以作为衡量焊缝热输入的重要指标，达到控制焊缝热输入的效果，防止因工艺参数不合理导致接头性能降低。

2.3 基于主轴功率反馈的过程控制方法

通过以上分析，提出了基于主轴功率反馈的焊接过程控制方法，如图6所示。闭环控制过程的实现主要包括：通过工艺试验确定主轴功率最佳值Qs，并作为焊接过程的设定值；在稳定焊接阶段，数控控制系统将伺服驱动器中的主轴功率值Q与设定值进行比较，并将结果反馈给控制系统；数控系统根据比较结果驱动Z轴电机调节搅拌头的下压量。若主轴功率实际值小于设定值，则搅拌头向下运动，下压量增大；若主轴功率实际值大于设定值，则搅拌头向上运动，下压量减少。

图6 基于主轴功率反馈的焊接过程控制方法

为了保证控制系统的控制效果和鲁棒性，采用PID控制器技术克服系统超调。通过Ziegler-Nichols法确定控制器的最优整定参数，按照“先P后I最后D”的操作程序将控制器整定参数调到计算值上。若主轴功率的控制达不到预期效果，可以再进一步调整。需要指出的是，上述控制过程仅在稳定焊接阶段实施，且在焊接过程中处于动态调节的状态。此外，焊接转速和焊接走速的改变都会影响主轴功率的大小，上述焊接过程控制方法是在焊接转速和焊接走速恒定的条件下，通过调节搅拌头的下压量来实现。