·1526· 工程科学学报，第40卷，第12期 served on the cross-section of all joints;moreover,owing to the lowest hardness in the heat affected zone and the junction of the welding area,different welding speeds lead to different welding thermal cycles,and the hardness of joint increases with the increase in the welding speed.Dynamic recrystallization occurs in the nugget zone,and fine equiaxial grains are produced.The grains of the advancing and retreating sides of the thermo-mechanically affected zone are obviously deformed.The n'phase can be observed in the heat affected zone of the advancing side,and n'phase particles can also be observed in the heat affected zone of the retreating side.Owing to the higher temperature,the larger n phase can also be found in the heat affected zone of the retreating side. KEY WORDS robot;friction stir welding;welding speed;microstructure;mechanical property 搅拌摩擦焊，是一种新型的固态焊接方法，具有 金，被用作机身蒙皮、上下机翼壁梁、机舱壁等，在航 绿色、环保、接头强度高、焊接变形小等优点，适用于 空航天领域应用较广2-].传统的熔化焊焊接 轻质合金，特别是铝合金的焊接，能够实现熔化焊难 AA7B04铝合金时极易在焊缝中出现孔洞等缺陷， 以焊接的沉淀强化铝合金，如2000系、7000系铝合 且接头性能下降明显，焊后变形较大，不能满足相应 金的焊接1-.搅拌摩擦焊技术已经广泛地应用于 的设计要求.采用机械连接方式，如铆接等会增加 航空、航天、轨道交通等领域，成为铝合金最理想的 机身的重量，不利于相应的作战效能的发挥.目前 连接方式).龙门式数控机床由于其刚性好，可以 关于AA7B04铝合金搅拌摩擦焊的相关研究已经有 承受较大的焊接作用力，成为搅拌摩擦焊接装备的 了少量报道1】，但均采用龙门式数控机床设备施 主要载体 行的焊接，关于机器人搅拌摩擦焊接AA7B04高强 近年来，智能制造和工业化4.0等概念席卷全 铝合金的研究尚未报道. 球，相应的，搅拌摩擦焊装备对智能化、柔性化、自动 本文针对2mm厚AA7B04-T6高强铝合金薄板 化的要求越来越高.而工业机器人作为智能制造的 进行机器人搅拌摩擦对接焊试验，分析焊接过程中 重要载体，也已经越来越多的在搅拌摩擦焊接领域 搅拌头所受的3个方向作用力的变化，以及焊接参 中使用，以替代传统的焊接设备，并以其自动化、柔 数对接头组织和力学性能的影响，为机器人搅拌摩擦 性化和相对低廉的采购成本，成为近期的研究热点. 焊在薄板高强铝合金方面的焊接应用提供参考依据. 机器人搅拌摩擦焊的缺点也比较明显，刚性相对较 差，导致焊接材料的厚度受到一定程度的限制[6-8】. 1实验方法 Smith等[9)利用集成了搅拌摩擦焊执行器的ABB 本文中使用的是KUKA Titan1000型重载机器 IRB76O0工业机器人实现了三维焊缝的焊接.Bres 人，在该机器人第六轴的法兰盘上安装了自主开发 等1]通过模拟分析优化了搅拌摩擦焊机器人的结 的搅拌摩擦焊执行器，该执行器采用电主轴驱动，在 构和形式.De Backer等[)通过在线感知和焊缝补 电主轴内安装了压力传感器，用于测量和记录焊接 偿获得了无缺陷的搅拌摩擦焊接头. 过程中搅拌头所受的3个方向的作用力，搅拌摩擦 AA7BO4铝合金是一种航空航天用高强铝合 焊机器人如图1所示. a b) 心 图1搅拌摩擦焊机器人.(a)KUKA Titan机器人：(b)末端搅拌摩擦焊执行器 Fig.1 Friction stir welding robot:(a)KUKA Titan robot;(b)friction stir welding end effector 利用该搅拌摩擦焊机器人对2mm厚AA7B04- 为圆锥形带螺纹，搅拌针根部直径为3mm,端部直 T6铝合金实行对接焊，母材的化学成分和力学性能 径为2mm,针长为1.8mm,焊接时的倾斜角度为 如表1和表2所示，试样尺寸为150mm×100mm× 2.5°.焊接时的转速恒定为800r·min-1,焊速分别 2mm.本实验中的搅拌头轴肩直径为8mm,搅拌针 为50、75、100、200、300、400和500 mm.min-1,焊接工程科学学报,第 40 卷,第 12 期 served on the cross鄄section of all joints; moreover, owing to the lowest hardness in the heat affected zone and the junction of the welding area, different welding speeds lead to different welding thermal cycles, and the hardness of joint increases with the increase in the welding speed. Dynamic recrystallization occurs in the nugget zone, and fine equiaxial grains are produced. The grains of the advancing and retreating sides of the thermo鄄mechanically affected zone are obviously deformed. The 浊忆 phase can be observed in the heat affected zone of the advancing side, and 浊忆 phase particles can also be observed in the heat affected zone of the retreating side. Owing to the higher temperature, the larger 浊 phase can also be found in the heat affected zone of the retreating side. KEY WORDS robot; friction stir welding; welding speed; microstructure; mechanical property 搅拌摩擦焊,是一种新型的固态焊接方法,具有 绿色、环保、接头强度高、焊接变形小等优点,适用于 轻质合金,特别是铝合金的焊接,能够实现熔化焊难 以焊接的沉淀强化铝合金,如 2000 系、7000 系铝合 金的焊接[1鄄鄄4] . 搅拌摩擦焊技术已经广泛地应用于 航空、航天、轨道交通等领域,成为铝合金最理想的 连接方式[5] . 龙门式数控机床由于其刚性好,可以 承受较大的焊接作用力,成为搅拌摩擦焊接装备的 主要载体. 近年来,智能制造和工业化 4郾 0 等概念席卷全 球,相应的,搅拌摩擦焊装备对智能化、柔性化、自动 化的要求越来越高. 而工业机器人作为智能制造的 重要载体,也已经越来越多的在搅拌摩擦焊接领域 中使用,以替代传统的焊接设备,并以其自动化、柔 性化和相对低廉的采购成本,成为近期的研究热点. 机器人搅拌摩擦焊的缺点也比较明显,刚性相对较 差,导致焊接材料的厚度受到一定程度的限制[6鄄鄄8] . Smith 等[9]利用集成了搅拌摩擦焊执行器的 ABB IRB7600 工业机器人实现了三维焊缝的焊接. Bres 等[10]通过模拟分析优化了搅拌摩擦焊机器人的结 构和形式. De Backer 等[11] 通过在线感知和焊缝补 偿获得了无缺陷的搅拌摩擦焊接头. AA7B04 铝合金是一种航空航天用高强铝合 金,被用作机身蒙皮、上下机翼壁梁、机舱壁等,在航 空航天领域应用较广[12鄄鄄13] . 传 统 的 熔 化 焊 焊 接 AA7B04 铝合金时极易在焊缝中出现孔洞等缺陷, 且接头性能下降明显,焊后变形较大,不能满足相应 的设计要求. 采用机械连接方式,如铆接等会增加 机身的重量,不利于相应的作战效能的发挥. 目前 关于 AA7B04 铝合金搅拌摩擦焊的相关研究已经有 了少量报道[14鄄鄄18] ,但均采用龙门式数控机床设备施 行的焊接,关于机器人搅拌摩擦焊接 AA7B04 高强 铝合金的研究尚未报道. 本文针对2 mm 厚 AA7B04鄄鄄T6 高强铝合金薄板 进行机器人搅拌摩擦对接焊试验,分析焊接过程中 搅拌头所受的 3 个方向作用力的变化,以及焊接参 数对接头组织和力学性能的影响,为机器人搅拌摩擦 焊在薄板高强铝合金方面的焊接应用提供参考依据. 1 实验方法 本文中使用的是 KUKA Titan 1000 型重载机器 人,在该机器人第六轴的法兰盘上安装了自主开发 的搅拌摩擦焊执行器,该执行器采用电主轴驱动,在 电主轴内安装了压力传感器,用于测量和记录焊接 过程中搅拌头所受的 3 个方向的作用力,搅拌摩擦 焊机器人如图 1 所示. 图 1 搅拌摩擦焊机器人. (a)KUKA Titan 机器人;(b)末端搅拌摩擦焊执行器 Fig. 1 Friction stir welding robot: (a) KUKA Titan robot; (b) friction stir welding end effector 利用该搅拌摩擦焊机器人对 2 mm 厚 AA7B04鄄鄄 T6 铝合金实行对接焊,母材的化学成分和力学性能 如表 1 和表 2 所示,试样尺寸为 150 mm 伊 100 mm 伊 2 mm. 本实验中的搅拌头轴肩直径为 8 mm,搅拌针 为圆锥形带螺纹,搅拌针根部直径为 3 mm,端部直 径为 2 mm,针长为 1郾 8 mm,焊接时的倾斜角度为 2郾 5毅. 焊接时的转速恒定为 800 r·min - 1 ,焊速分别 为 50、75、100、200、300、400 和 500 mm·min - 1 ,焊接 ·1526·