搅拌摩擦焊接过程前进阻力周期脉动振荡行为及调控研究

In the process of friction stir welding, the interaction between the tool and the metal of the weld area is an essential factor for the welding quality. However, it is not clear about the force oscillation characteristics and its influence on welding quality. From the perspective of the vibration modal of the tool mechanical signal and welding process control, this project intends to explore the oscillation rule of tool force and its influence on the welding quality, then putting forward the corresponding control strategy. Specifically speaking, the project: (1) extracts the IMF of forward resistance by the adaptive EMD decomposition method and studies the changes and characteristics of vibration modal of welding torque, forward resistance and axial force in different welding methods and welding stages; (2) focuses on the forward resistance, and investigates the influence of its pulsating frequency, peak,decay times on the formation and microstructure of the weld. At the same time, the influence of the welding parameters on the vibration characteristics will be studied; (3)from the perspective of controlling the pulsating amplitude of the tool forward resistance, aiming at different welding methods, establishes a predictive control model based on the input of peak of the oscillation and decay times, the output of rotational speed and welding speed, and suggests the control strategy of pulsating in the initial, normal and end of the welding. This project can provide theoretical and technical basis for the active control of the welding tool force.

搅拌摩擦焊接过程中搅拌头与焊接区域金属之间力的相互作用是影响焊接质量的重要因素，但是目前对于搅拌头受力振荡特征及其影响规律尚不清晰。因此本项目拟从搅拌头前进阻力信号振荡模态分析和焊接过程控制的角度出发，揭示其周期振荡特征及其对焊接质量的影响规律，并研究不同焊接方式、不同焊接阶段的调控机制。主要内容包括：（1）采用自适应EMD分解方法提取前进阻力特征分量，深入研究不同焊接方式、不同焊接阶段的焊接扭矩、前进阻力规律及其影响因素；（2）以前进阻力为研究重点，研究其振荡周期、振动峰值、衰减次数等特征对焊缝表面成形和微观组织的影响规律，并寻求通过焊接参数调节脉振特性的途径；（3）在上述研究基础上，针对不同焊接方式，建立以前进阻力振荡峰值、振荡次数为输入，以旋转速度、焊接速度为输出的预测控制模型，提出初始、正常、结束焊接阶段脉振调控方法。本项目的实施可为搅拌摩擦焊接过程控制主动调控提供理论和技术基础。

搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)具有优质、高效、低耗、环保等特点，被誉为“世界焊接史上的第二次革命”，在航空、航天、交通等领域的应用广泛；搅拌摩擦焊接过程中的受力直接关系焊接质量，对其开展研究有助于揭示焊接原理，并指导焊接生产。实验数据表明，在9000-15000rpm的转速范围内，搅拌头（轴肩直径6mm）所承受的前进阻力呈现出小周期振动与幅值长程波动现象，受力信号小周期振动行为嵌入在一个较大的波动周期之内。搅拌头的旋转周期与其受力显微变化周期一致，同时搅拌头在焊接方向和侧向受力波形存在相位差；在较长的时间尺度下，相位差变化与搅拌摩擦焊接接头表面质量关系密切。.本项目设计了一套完整的搅拌摩擦焊轴向力检测控制系统，研究了1mm厚6061-T6铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊接头的轴向力变化趋势、轴向力对焊接接头组织及力学性能的影响变化规律，分析了接头成形机理，改善了1mm6061-T6铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊接工艺参数，并基于试验研究建立了BP神经网络轴向力预测模型，实现了轴向力闭环控制系统的搭建。.通过焊接接头进行力学性能分析和组织观察相结合的方法，对不同轴向力作用下的焊接质量进行深入研究。试验研究表明，当焊接轴向力处于0.9kN~1kN时，可以获得性能优良且成形美观的焊接接头，此时接头的抗拉强度可达201MPa，断口规则有明显颈缩现象。接头各区域硬度值分布均匀，无明显突变，焊核区以细小等轴晶为主，热机影响区组织过渡均匀，热影响区较窄对焊缝影响较小，无隧道沟槽等缺陷产生。过大或过小的焊接轴向力将导致相应焊接缺陷的产生同时降低接头的力学性能。.控制系统试验研究表明，焊接轴向力在目标值附近上下浮动小，波动范围较小，系统稳定性好。焊接接头组织均匀致密，各区域之间过渡均匀，无明显的焊接缺陷。抗拉强度达到195Mpa约占母材（290MPa）的70%。硬度分布均匀，无明显的突变，接头力学性能优良。综上控制系统可以达到控制目的，能够满足实验设计要求。