搅拌摩擦焊接机器人形变及载荷控制方法研究

基于搅拌摩擦焊接中搅拌头受力数学模型,利用Ansys Workbench建立了搅拌头的静力学模型。分析了焊接过程中前进阻力、侧向力、轴向力和扭矩对搅拌头应变影响,仿真结果表明,搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的根部是主要的应力集中区域。合适的焊接方法与工艺对提高机器人搅拌摩擦焊接稳定性有很大帮助,对搅拌摩擦焊点焊、优化搅拌头设计和焊接工艺参数、热源和超声辅助、反馈测量补偿搅拌摩擦焊、改进机器人结构刚度和精度等载荷控制方法进行了详细阐述。结合工业机器人整体刚性较弱、加工作业时易引发颤振、关节减速器内部齿隙较大,提出了基于双电机传动的无间隙传动高刚性机械臂结构设计,并对机械臂刚度特性进行分析。     

搅拌摩擦焊数值模拟技术研究及应用

搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法,其通过搅拌头的旋转来使两种相同或者不同材料连接在一起.搅拌摩擦焊焊接原理如图1所示,焊接过程中,搅拌头旋转着缓慢插入被焊工件,搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热,使搅拌头邻近区域的材料接近焊接材料的熔点;当搅拌头旋转着向前移动时,搅拌头附近的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移,并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和压力共同作用下,形成致密固相连接接头[1].     

一种基于冗余自由度的机器人姿态优化方法

工业机器人由于高柔性、高自动化以及低成本的优势,广泛应用于制造装配领域。然而,较低的刚度对机器人的加工精度与质量产生较大的影响。在关节极限约束下建立奇异性性能测量模型,并基于机器人静刚度模型提出一种机器人综合刚度性能评估方法,最终提出一种基于冗余自由度的6轴串联机器人姿态离线优化方法,在尽量远离关节极限姿态与奇异姿态的条件下,得到机器人最优刚度加工姿态。试验验证表明,这种姿态优化方法可以有效提升机器人的运动性能与加工质量。     

机器人搅拌摩擦焊发展现状与趋势

机器人搅拌摩擦焊是当前搅拌摩擦焊技术与装备发展的重要方向。随着重载工业机器人载荷能力的不断提高,重载机器人搅拌摩擦焊技术和装备已经走出实验室,正逐步进入到工业化应用阶段。工业机器人与先进搅拌摩擦焊装备的结合,将提高焊接装备自动化程度和焊接生产效率,并进一步提升搅拌摩擦焊作业柔性,尤其适用于空间复杂结构产品的批量化焊接制造。     

2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析

针对2A14铝合金搅拌摩擦焊过程,基于CEL数值模拟方法,采用Pressure Independ Multiyield Material模型,进行了不同搅拌头旋转速度与焊接速度条件下温度场有限元模拟分析。根据温度场分布分析了不同工艺条件下搅拌头前端黏流层厚度变化规律。依据搅拌摩擦焊过程中流变层工艺要求与黏流层模拟厚度,预测了不同工艺条件下的焊接质量,进而提出了2A14铝合金搅拌摩擦焊工艺参数控制准则。     

平移速度的变化对搅拌焊接材料流动的影响

基于有限元方法对不同搅拌头平移速度下搅拌摩擦焊接过程中焊接构件Al6061-T6材料的三维流动问题进行分析,研究了搅拌头平移速度的变化对等效塑性应变的分布和材料流动的影响。结果表明,搅拌头前方的材料向上涌起,被旋推到搅拌头后方并开始向下运动,这一过程是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因。材料的等效塑性应变等值线与不同焊接区域的边界具有较好的对应关系。随着搅拌头平移速度的增加,垂直于焊缝方向上的截面上,等效塑性应变减小,但是材料的流动速度会随之增加。较低的搅拌头平移速度有利于焊缝中心线两侧材料的融合。     

7050铝合金搅拌摩擦焊接头软化区温度检测

通过搅拌摩擦焊接头硬度测试,确定了焊缝两侧软化区分布区域;在软化区埋设热电偶,进行搅拌摩擦焊接实验,检测不同测温点的热循环曲线。将焊后接头进行硬度测试,确定硬度最低点位置,对应测温孔分布位置,获得软化区硬度最低点热循环曲线。     

热处理对高强铝合金搅拌摩擦焊接头组织及力学性能的影响

通过"搅拌摩擦焊+固溶+人工时效热处理"的方法实现了12 mm厚航天用高强铝合金2A14M的焊接及接头性能改善。研究表明未进行焊后热处理的焊接接头断裂位置位于焊核区,平均抗拉强度为192.3MPa,接头显微硬度呈"几"字形分布,硬度分布峰值位于焊缝区,接头不同特征区域的硬度差高达60。采取的焊后热处理对焊接接头及母材不仅具有细化晶粒、改善组织均匀性及优化强化相分布的作用,还能削弱拉伸过程中尖锐晶界对接头的撕裂作用,从而达到提高接头性能的目的,表现为:焊后热处理使接头内部显微硬度差为20,接头拉伸断裂于焊核区,抗拉强度达到440 MPa,为未进行焊后热处理接头的2.29倍;焊后固溶热处理的搅拌摩擦焊接头其断裂位置在焊核区及母材的几率大致相同,各占约50%,从而实现了提高搅拌摩擦焊接头性能的目标。     

基于同质摩擦的涡流搅拌摩擦焊工艺

涡流搅拌摩擦焊(VFSW)是一项新近提出的改型工艺,其利用与工件材料同材质的棒材和外加的支撑套筒作为搅拌工具进行搅拌摩擦焊接,有望在高熔点金属的固相连接、焊接修复等领域取得工程应用.研究了转速对6061铝合金涡流搅拌摩擦焊焊缝成形和接头力学性能的影响规律.试验结果表明,在30 mm/min的焊接速度下,当转速较低时焊缝...     

6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场研究

采用热电偶测温技术系统测定了6mm6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板各特征点的温度变化曲线,分析了双轴肩搅拌摩擦焊过程中焊接试板不同区域的温度场分布特征。双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头上、下轴肩同时产热,比传统搅拌摩擦焊产热量大,且热输入方式及试板接触散热条件也有很大不同,因此,其稳定焊接速度较大,从而导致双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场分布特征与传统搅拌摩擦焊明显不同。双轴肩搅拌摩擦焊过程分为加速焊接和稳定焊接两个阶段,起始阶段,随着焊接速度的增加,靠近起始端测温点的温度逐渐升高,而远离起始端各测温点的温度升温则非常缓慢,当焊接速度达到较高的稳定焊接速度,搅拌头接近后续各测温点时,其温度值瞬间急剧升高,然后随着搅拌头的远离,温度值逐渐下降。不同区域测温点温度测试结果显示,靠近下轴肩试板测温点的温度高于靠近上轴肩试板、后退侧的温度明显高于前进侧;与单轴肩搅拌摩擦焊接试板相同,距离焊缝越近的位置温度上升和下降的越剧烈,峰值温度越高;焊接速度提高,各测温点的峰值温度依次降低,随着测温点远离焊缝中心,焊接速度对其温度分布的影响作用逐渐减弱。     

飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究

基于成本、重量和连接质量上的显著优越性 ,搅拌摩擦焊作为一项新型的革命性的焊接技术 ,越来越受到飞机制造工业的重视。本文总结了目前飞机制造工业中的搅拌摩擦焊研究 ,并对搅拌摩擦焊的原理、特点等进行了详细阐述。     

铝合金空间热辅助搅拌摩擦焊技术

焊接作为一种重要的制造技术,对于大型空间结构与机构的在轨组装、维修具有重要意义。在总结国外空间焊接技术发展现状的基础上,提出了基于光源同轴加热辅助的空间搅拌摩擦焊技术,并利用激光进行了地面焊接装置研究与工艺试验。结果表明,采用无倾角光源同轴加热辅助搅拌摩擦焊技术,可实现铝合金的可靠焊接;辅助加热可提高焊接速度,降低缺陷发生率。该方法为我国空间焊接技术发展提供了一种新的思路和有益探索。     

搅拌摩擦焊接头隧道类缺陷等强补焊工艺

针对搅拌摩擦焊接头隧道类缺陷等强补焊的应用要求,开发了基于TIG焊熔补材料、搅拌摩擦焊增强组织性能的等强补焊工艺,对补焊后的接头进行了微观组织观察与力学性能分析,评价了补焊工艺对接头性能的影响.结果表明,对焊缝同一位置进行不大于三次的重复搅拌摩擦焊,接头力学性能不会明显下降;TIG熔补焊缝经再次搅拌摩擦焊后,其焊缝组织与搅拌摩擦焊焊缝组织特征相似,不会导致接头组织恶化.采用本文开发的等强补焊工艺对某型号火箭液氧贮箱纵缝的隧道缺陷进行了等强补焊,表明该方法有效可行.     

铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接工艺研究进展

超声辅助搅拌摩擦焊接(UaFSW)是一种搅拌摩擦焊接改型新工艺,通过在搅拌摩擦焊接过程中施加超声外场,达到改善常规搅拌摩擦焊接工艺不足的目的.根据近年来UaFSW领域的研究进展,对铝合金UaFSW焊接工艺及机理的研究进行了全面综述,总结了超声能量的施加方式、超声的作用效果及其作用机理.相比于常规搅拌摩擦焊接,UaFSW...     

2219铝合金搅拌摩擦焊缝Al2Cu相聚集行为特征分析

对2219C10S状态铝合金进行搅拌摩擦焊接试验,发现焊缝中存在聚集物的异常聚集现象,聚集相在X光检测中显示为亮白色聚集物,主要形态分为团块状、线状和指状三种,聚集相处焊缝的力学性能与无聚集相焊缝的力学性能基本相同。各形态聚集相的分布位置受搅拌头焊接影响区域的不同而不同,团块状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝上表面位置处,线状和指状聚集相主要存在于焊核中心或偏焊缝根部位置处。对异常聚集相进行能谱分析知,聚集相主要组成元素为Al和Cu,原子百分比近似为2∶1,确定聚集相主要成分为Al2Cu。对聚集相的成因进行分析认为,聚集相的产生主要受搅拌摩擦焊接热输入及搅拌头机械搅拌作用的影响,在焊接过程中,塑态软化金属中的Al2Cu在填补搅拌针后方空腔的过程中出现了聚集行为,随着塑态金属的凝固,聚集行为开始变得缓慢并结束。     

铝合金可回抽搅拌摩擦焊接头组织和性能

针对8 mm 厚2219 铝合金进行可回抽搅拌摩擦焊工艺试验,详细分析了回抽过程中搅拌针运动

轨迹、不同回抽位置的接头组织形态及力学性能。结果表明:搅拌针的运动轨迹是焊接速度与搅拌针相对于轴

肩回抽速度的合成运动轨迹,并呈现出一定的线性关系。回抽结束处和回抽起始处的接头组织形貌为典型的

常规搅拌摩擦焊接头,位于中间回抽区域的焊接接头可以认为是100% 焊透的焊接接头与“相同直径的轴肩+

(100% ~0%) ×L 的搅拌针”形成的焊透深度逐渐变浅的常规搅拌摩擦焊接头复合形成的。接头力学性能测

试结果表明:回抽结束处的性能最高,回抽起始处的性能次之,中间回抽区域的力学性能最低,并且随着回抽距

离的逐渐增加,中间回抽区域的力学性能逐渐增加。不同回抽位置的搅拌摩擦焊接头均呈现出典型的韧性断

裂形貌。

     

基于阻抗内环的新型力外环控制策略

对于空间装配等与环境进行交互的任务,迫切要求空间机器人具有力控制的能力。利用机器人的关节力矩传感器,提出了一种新型的基于阻抗内环的力外环控制策略。在该方法中,内环采用阻抗控制代替传统的位置控制。阻抗控制内环使机器人具有一定的柔顺性,力外环通过期望力与实际力的误差对内环的参考轨迹进行修正,实现了机器人的力跟踪控制。另外,为了验证利用关节力矩传感器间接测量末端接触力的效果,机器人末端安装了一个高精度的JR3腕力传感器用来直接测量实际接触力。在基于位置内环和阻抗内环的力外环控制方式下,进行了机器人接触刚度变化较大环境（海绵、泡沫和铁块）的力跟踪实验。实验表明,当环境刚度变化较大时,相对于传统的力外环方法,本文提出的方法能够实现稳定的力跟踪性能。尤其对于铁块这种刚度很大的环境,该方法的有效性更加明显。     

镁合金AZ31搅拌摩擦焊接温度场数值模拟

针对5mm厚AZ31镁合金搅拌摩擦焊接过程进行三维有限元传热分析，并推导搅拌摩擦焊接(FSW)产热的数学模型，计算FSW过程不同时刻和不同位置温度分布。计算结果表明：起焊时有一个预热作用，预热对搅拌摩擦焊接过程有利；搅拌摩擦焊接过程中准稳态时最高温度为460℃左右，低于镁合金的熔化温度，属于固相连接。温度场测量结果显示：计算结果与测量结果较吻合，说明温度场模型的建立基本符合搅拌摩擦焊接过程。     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头焊核区域成型过程及影响因素

接头焊核区域的形成是搅拌摩擦焊接的一个典型特征,其形状和大小对搅拌摩擦焊接头的性能有重要影响。以AZ31镁合金为母材,分析不同焊接参数(包括焊接压力、焊接速度、搅拌头倾斜角)条件下搅拌摩擦焊接头焊核成型的规律及特点,并建立焊核成型过程的简单模型。分析认为焊接压力和搅拌头倾斜角是影响焊核成型的重要因素,而焊接压力决定塑性材料的形成。焊核的形状主要由塑性材料的流动状态决定,搅拌头的形状和焊接速度影响塑性材料的流动,从而影响焊核的成型。掌握FSW焊核成型规律,可以选择合理的工艺参数。     

提高机器人结构刚度及关节精度的方法

传统工业机器人具有工作空间大、结构紧凑、灵活性好等优势,已由早期的物料搬运、点焊、喷涂等操作逐渐应用于制孔、铣削、磨削等高精度金属切削加工领域。然而,工业机器人相比于机床刚性较弱,金属切削过程中的切削载荷使机器人末端刀具偏离期望的加工轨迹,外部激振力极易引发机器人颤振,影响机器人加工精度;此外,关节减速器内部齿隙也会严重影响机器人精度。对采用机器人刚度优化、机器人加工误差补偿、机器人传动间隙补偿、机器人加工振动抑制等提高机器人精度方法的研究现状做了总结,提出了两种提高机器人精度的机器人结构改进设计,分别为基于双电机驱动的无间隙传动机器人结构和基于四边形机构的高刚性机械臂结构,并对新型机器人的结构特点进行了阐述。