回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备及产业化概述

张书权 刘邦森 戈军委 王钦伟 胥锴

摘要： 文中介绍了并联搅拌摩擦焊技术装备的国内外研究现状，总结了实现复杂结构件三维曲面的搅拌摩擦焊要求。其次概述了回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备，并对回抽机构控制技术、主机头的设计及铣削/钻孔/焊接/匙孔消除等一体化集成技术进行了说明。最后从市场需求进行了阐述对回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备产业化前景。

关键词： 回抽式; 并联搅拌摩擦焊技术装备; 产业化

中图分类号： TG 404

Overview and industrialization of three-dimensional parallel friction stir welding technology and equipment

Zhang Shuquan1， Liu Bangsen1， Ge Junwei1， Wang Qinwei1， Xu Kai2

（1. Guizhou Aerospace Tianma Electromechanical Technology Co.， Ltd.， Zunyi 563000， Guizhou， China;2. Anhui Technical College of Mechanical and Electrical Engineering， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： Firstly， the research status of parallel friction stir welding （FSW） technology and equipment at home and abroad was introduced， and the requirements of FSW for realizing three-dimensional curved surface of complex structural parts were summarized. Secondly， the technical equipment of three-dimensional parallel friction stir welding with drawback was summarized， at the same time the control technology of drawback mechanism， the design of main engine head and the integrated technology of milling， drilling， welding and keyhole elimination were explained. Finally， the prospect of industrialization of three-dimensional parallel friction stir welding technology and equipment was expounded from market demand.

Key words：  drawback type; parallel friction stir welding technology and equipment; industrialization

0 前言

随着国家减重减排、绿色环保等一系列政策的出台，产品轻量化已经成为时代发展的必然趋势。因此，镁/铝等轻合金高质量高效率的先进制造装备具有极大的研究价值和广泛的市场前景。而在轻合金焊接领域，搅拌摩擦焊被誉“三十年来最具创造性”的发明，是一种绿色无污染的固相连接技术，被广泛应用于航空航天、半导体、轨道交通等领域[1-2]。

常规一维/二维搅拌摩擦焊装备正在逐步取代传统的TIG/MIG焊方法，但受限于自身的结构形状的限制，只能满足形状单一、结构简单的直线或圆弧焊接需求。因此，常规搅拌摩擦焊设备存在兼容性差，较难实现复杂结构件、曲线焊接、匙孔消除等问题。

回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备实现了铣削/钻孔/焊接/匙孔消除等核心技术的一体化集成功能，能实现复杂结构件的三维曲线焊缝的焊接，满足焊接质量的特殊要求，大大缩减了匙孔后续消除的一系列繁琐问题，该技术是传统二维搅拌焊设备的最佳换代升级产品，具有良好的产业化前景。

1 并联搅拌摩擦焊技术装备国内外研究现状

搅拌摩擦焊技术（Friction stir welding，FSW）由英国焊接研究所（The welding institute，TWI）在1991年發明[3]，起初主要满足铝合金的焊接，现已推广应用到镁/铜等多种合金材料的焊接。为适应复杂构件曲面焊接的要求，搅拌摩擦焊逐渐由一维向二维/三维方向发展，并联搅拌摩擦焊技术装备是搅拌摩擦焊的一个重要发展方向，特别是带回抽式的三维并联搅拌摩擦焊技术装备更是具有广阔的应用前景。

德国IG公司研发出机器人搅拌摩擦焊系统后，日本川崎重工和日本 FANUC也发布了自动化搅拌摩擦焊装备系统。美国FSL公司在和瑞典伊萨公司把搅拌摩擦焊接系统成功结合在ABB机器人上，实现了空间复杂曲面的焊接。在车辆制造中经常碰到较为复杂的曲面需要焊接，搅拌摩擦焊与多自由度机器人结合从而实现了较为复杂车体结构的焊接，日本川崎重工已经通过搅拌摩擦焊技术实现车门结构组件的大批量生产。

文献[4]研制了一种用于大型复杂表面结构的搅拌摩擦焊机器人，刚度高、柔性好、精度高，根据复杂铝制品异形构件的焊接要求设计了机器人系统。该机器人系统能够满足大型复杂表面结构的搅拌摩擦焊要求，与焊接专机相比，该机器人具有更好的柔性和焊接质量，可大大提高大型复杂曲面结构的可制造性。

文献[5]研究了基于空间曲线的搅拌摩擦焊并联机器人关键技术，开发出的3-TPT 混联机器人具有刚度大、负载能力强、精度高、动力性能好、工作空间大等一系列优点，可以很好的弥补串联式焊接设备在进行空间曲线搅拌摩擦焊接时的不足。通过研究了焊接时轴肩下压量与轴肩半径之间的关系，在进行空间曲线焊接时对焊头轨迹进行分析研究;依据空间曲线焊缝焊接工艺要求对3-TPT并联机器人进行再设计。主要包括头部微动机构的设计与建模，二自由度数控回转工作台的设计与建模，然后将两者与 3-TPT 并联机构相结合构成五自由度搅拌摩擦焊并联机器人。对设计的五自由度搅拌摩擦焊并联机器人进行了运动学和静力学研究，同时自主设计了一套用于环形焊缝焊接的专用工装夹具。

文献[6]首先介绍了搅拌摩擦焊技术的起源、原理和发展现状;其次，确定了搅拌摩擦焊机床的整体方案，并进行了建模，对并联机构进行了分析，得到了运动学正反解和速度雅各比矩阵，并在Adams和 Matlab中验证了结果的正确性。通过对传统阻抗控制算法进行稳态误差分析，在误差等于零的情况下得到了工件的参数在线估计算法，将传统的阻抗控制算法和工件的参数在线估计结合起来对搅拌摩擦焊机床进行了柔顺控制研究，并在Adams 和MATLAB中进行联合仿真，验证了该控制策略的优越性。

为实现复杂曲面的搅拌摩擦焊，国内外学者相继展开了系列研究，但研究主要集中在并联机器人搅拌摩擦焊系统上，由于五轴或六轴机器人柔性好，基本可以实现三维曲线焊缝的焊接，但机器人搅拌摩擦焊存在刚性不足、只能焊接薄板等缺点，而对于中厚板的三维曲面的搅拌摩擦焊研究较少，故要实现中厚板三维曲面的焊接必须要求采用并联三维结构的搅拌摩擦焊专机，并带有回抽机构以便消除封闭焊缝的匙孔。

2 回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备概述

回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备是由该公司经过多年研发的搅拌摩擦焊专机，先后攻克了多项关键核心技术，可以实现中厚板复杂曲面的焊接，下面具体进行介绍。

2.1 回抽式三维并联搅拌摩擦焊装备主机头的设计

基于刚性与减振性能要求的有限元结构优化设计与分析应用结构静力学和动力学有限元优化手段对主机头结构件和运动部件进行仿真分析，按照输入刚性变形、振动响应等约束条件进行结构优化，获得最优的主机头结构件和运动部件。主机头采用三组同步驱动的空间结构，约束刚度高、负载能力强;对称布置定长拉压杆件，结构简单、动态性能更好;球形铰链，承载能力大、可靠性高、便于制造装配，特别适用于顶锻力要求较高的搅拌摩擦焊接场合。

2.2 并联回抽机构控制技术

基于自由度分配方法与支链空间布局，设计了结构对称、受力性能良好的多自由度的并联模型。采用PMAC集成控制系统，除了具有传统数控机床的x轴、y轴、z轴之外，利用程序为并联头虚拟了一个A轴和一个B轴，通过AB轴的联动来实现动平台在并联头内任意方向的偏角动作，可实现三维曲面的回抽焊接。

2.3 具有铣削/钻孔/焊接/匙孔消除等一体化集成技术

回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备采用高精度零部件并集成高精度数控同步控制的最新成果，通过铣刀、钻头、焊接主轴及回抽机构等的更换，实现铣削/钻孔/焊接/匙孔消除等技术，可方便地对焊件进行开坡口、钻孔等功能，无需移动工件到其它机床上，可提高效率，减少一些不必要的工序。

3 回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备产业化前景

回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术与装备实现了中厚板复杂空间三维曲线焊缝的焊接，并带有并联回抽机构，可满足轻合金异形复杂构件的全位置搅拌摩擦焊高质量焊接的特殊要求，消除匙孔，满足焊接质量要求，从市场需求方面进行阐述。

国内搅拌摩擦焊装备的市场已经经历了18年的发展，市场需求趋于稳定，进入成熟阶段，年需求增长率维持在7%～8%。而客户的需求则进一步精细化、功能化和定制化。回抽式三维搅拌摩擦焊装备集成了铣削—焊接—匙孔消除等多种功能，在航空航天领域的铝合金贮运箱/筒体方面具有广泛的应用前景，可完全能够满足国内铝合金箱/筒产品的研制及生产需求，除了可焊接铝合金箱/筒体的纵/环缝之外，尤其是能够实现铝合金箱/筒体关键部件即马鞍形导轨支撑座与筒体的空间曲线焊接，由于目前国内各家生产铝合金箱/筒体的企业，在箱/筒体主结构焊缝的焊接生产中主要采用TIG/MIG自动焊工艺，少部分还使用手工TIG/MIG焊工艺。虽然基本实现自动焊，自动焊的工艺过程仍然是电弧焊，产生弧光辐射、金属蒸汽、焊缝质量时有缺陷，焊缝质量等级比搅拌摩擦焊低一个等级。因此，面向铝合金箱/筒体的优质高效批生产需求，应用先进的搅拌摩擦焊工艺能够完美解决困扰多年的熔焊污染和焊工的职业健康问题，并显著降低焊接生产成本，实现优质高效绿色焊接生产。此外还可用于特高压输电GIS/GIL、特种汽车、半导体、核电等产业的蓬勃发展需求，具有广阔的市场需求和产业化前景。

4 结束语

（1）目前国内外对三维并联搅拌摩擦焊技术装备的研究主要集中在机器人搅拌摩擦焊系统方面，以适应复杂构件曲面焊接的需求，但机器人搅拌摩擦焊刚性不足，只能焊接薄板。

（2）回抽式三维并联搅拌摩擦焊技术装备集成了铣削—焊接—匙孔消除等多种功能，具有复杂结构件曲面加工及焊接功能，并能消除匙孔，具有广阔的市场应用前景，具备良好的产業化基础，是焊接中厚板复杂构件曲面焊缝的最佳选择。

参考文献[1] Mendes N， Neto P， Loureiro A， et al. Machines and control systems for friction stir welding： a review [J]. Materials & Design， 2016， 90： 256-265.

[2] 朱浩， 张二龙， 莫淑娴， 等. 带状组织对铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头力学性能的影响[J]. 焊接学报， 2020， 41（1）： 34-38， 66.

[3] Thomas W M， Johnson K I， Wiesner C S. Frictionstir welding-recent developments in tool and process technologies [J]. Advanced Engineering Materials， 2003， 5（7）： 485-490.

[4] Wu J F， Zhang R， Yang G X. Design andexperiment verification of a new heavy friction-stir-weld robot for large-scale complex surface structures [J]. The Industrial Robot， 2015，42（4）： 332-338.

[5] 于志华. 基于空间曲线的搅拌摩擦焊并联机器人关键技术研究[D]. 沈阳： 东北大学硕士学位论文， 2016.

[6] 吴彦星. 基于并联机构的搅拌摩擦焊机床柔顺控制研究[D]. 河北秦皇岛： 燕山大学硕士学位论文， 2017.