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大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究——中国科学院沈阳自动化研究所成果

2017-03-21

“大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究”(2010ZX04007-011)系“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题,由中国科学院沈阳自动化研究所牵头承担。课题研发的大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备,通过机器人辅助机构及相关技术的开发,突破了大型薄壁高精度搅拌摩擦焊多项关键技术,提高了搅拌头焊接结构适应性、跟踪精度,保证了搅拌摩擦焊的接头质量。课题于2016年5月24日通过了正式验收。

一、大跨度高刚性搅拌摩擦焊设备研制

该课题采用了大型整体立柱与中心悬挂式结构,攻克了大型整体立柱加工制造的诸多困难,有效地提高了设备的整体动态性能。

研究借鉴了机床的三轴正交构型和优势,但在系统的设计过程中保留了机器人系统的特征。(1)灵活度:具有7个运动轴和1个高速旋转的加工旋转轴自由度,其自由度采用了机器人DH坐标系定义方法;(2)运动学方法:采用机器人DH方法进行运动学计算,与机床的计算方法截然不同;(3)系统开放性:具备加工过程中单轴的开放性,能够在机床进行焊接加工的过程中实现加工过程的人工干预,更接近于机器人的人机交互。与国内同类产品相比,该课题研发的设备在稳定性与运行精度方面更具优势。

在技术指标方面,课题研发的设备主轴最高转速为5 000r/min,焊接轨迹精度 0.1mm,定位精度0.05mm/m,重复定位精度 0.03mm;焊接件范围:焊接宽度3.5m,焊接厚度215mm,配备移动送进装置,可实现连续长焊缝的焊接。

二、开发移动送进搅拌摩擦焊技术,实现连续长焊缝搅拌摩擦焊接

通常情况下,焊接超长构件时往往需要具备与待焊接构件长度相匹配的大型工作台。该项目为拓展现有设备应用空间,开发了移动送进搅拌摩擦焊技术。应用该技术,不需要超长工作平台即可实现长构件的连续焊接,有效降低了设备成本。

三、零减薄搅拌摩擦焊接搅拌头及工艺开发

在常规的搅拌摩擦焊(FSW)中,焊具轴肩需对被焊工件表面施加一定的压入量,不可避免地会导致所形成焊缝的表面低于母材,不仅影响接头的表面成形质量,还会降低接头的承载能力及疲劳性能。该课题开发了一种基于零轴肩压入特征的新型无减薄FSW技术。焊接时,在零轴肩压入量的工艺条件下,实现焊缝的优质成形,并获得优异的接头力学性能,从而从根本上消除焊缝减薄现象。

 四、搅拌摩擦焊焊缝形成机理、焊接缺陷预测及控制技术

在实际搅拌摩擦焊接中,如果焊具设计不合理或焊接工艺参数选择不当,极易形成焊接缺陷。该课题提出了一个新的搅拌摩擦焊接计算模型,该模型不仅能够预测焊缝区的温度分布与材料的塑性流动行为,而且还能够预测焊接缺陷的形成,包括飞边、沟槽和孔洞等缺陷。研究通过深入分析焊缝区温度分布及材料的塑性流动,揭示焊缝的成形机理,并在此基础上研究焊具结构、尺寸与焊接工艺参数对焊缝区材料流动及焊接缺陷的影响规律,从而实现焊具和焊接工艺的优化设计。