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搅拌摩擦焊主轴部件设计*

摘要：搅拌摩擦焊是一种型固相连接技术，具有焊接成本低、工艺裕度大、焊

接表面好、绿色环保好且适合于各种自动化设备应用等诸多优点。搅拌摩擦焊

设备最重要的部件为搅拌摩擦焊主轴结构，考虑现有搅拌摩擦焊主轴结构，设计

一款新的搅拌摩擦焊主轴结构，可较好的解决搅拌摩擦焊接过程中存在的主轴

冷却散热密封，焊接恒压力控制、恒距离控制等问题，通过实验对比，实现了搅

拌摩擦焊主轴刚度等性能大幅提升。

关键词：搅拌摩擦焊；主轴结构设计；主轴；中图分类号：TH69文献标识码：A

前言

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)1991年发明的一种新型固相连接技术，搅拌

摩擦焊技术原理简单，焊接过程中，焊机主轴带动搅拌头旋转并插入焊接工件，直至轴肩压

入工件一定深度后，搅拌针周围的金属被摩擦产生的热量加热并产生塑化，在搅拌的作用

下，塑化金属从搅拌针前方流向后部，在轴肩压力下形成一条具有强度高、组织致密、晶

粒细化、综合性能良好的焊缝，被誉为“世界焊接史上的第二次革命”。目前，可广泛应用到

船舶、铁道、车辆、电机制造、飞机制造等领域。

最初的搅拌摩擦焊设备是在立式铣床上加以改造而成，搅拌主轴作为搅拌摩擦焊的核心

部件，由于在焊接大厚度材料时，根据搅拌摩擦焊机理，需要较大的轴向顶锻力要求，主轴

受力形式与传统的铣床设备大不相同，因此，高质量的搅拌摩擦焊接，特别是大厚度材料焊

接时，必须采用专用主轴结构才能满足焊接性能要求。虽然目前市场上搅拌摩擦焊设备的主

轴采用电动机皮带结构，主轴顶锻力控制采用间接扭矩控制等方式，依然由于结构的不合理

性等原因，导致搅拌摩擦焊设备的焊接性能于国外同类产品参数甚多，且搅拌针的使用寿

命也因主轴结构的不合理性，往往使用时间相对较短。

搅拌摩擦焊主轴研究方向

搅拌摩擦焊主轴部件设计是营口理工学院院级科研项目YBL201823及大学生创新创业训

练计划项目201914435012，重点研究方向是搅拌摩擦焊主轴结构设计方面存在的问题，结合

目前市场搅拌摩擦焊接生产应用的需要，确定主轴实现如下功能：1）.稳定可靠的传动系统；

2）.满足连续焊接作业要求，提高搅拌针使用寿命；3）.提高恒压力控制的敏感性及主轴整

体运行刚度；

搅拌摩擦焊主轴结构设计

根据搅拌摩擦焊主轴研究方向，搅拌摩擦焊主轴部件设计图如图1所示。

稳定可靠的传动系统

搅拌主轴传动系统系统采用德国西门子1PH7交流伺服主电机驱动，具有功率范围宽、

旋转精度高、振动强度优越、噪音辐射等优点，从而在动力源抑制振动的产生。同时主传

动采用德国ZF自动换挡变速减速器，直接与主轴连接，可以在速的时候提供了高扭矩，同

时也在高速状态下保持高动力，较传统的皮带式传动或齿轮传动，具有传动比恒定，传动振

动小、噪音、动态响应性好等优点。

满足连续焊接作业要求，提高搅拌针使用寿命

在焊接“复核材料”时，由于“复核材料”耐磨性的增加，与铝合金相比焊接过程中产生的

热量明显增多，通过热量的传递也会导致搅拌头温度明显升高。对于长距离的焊接来说，搅

拌头长期处于高温状态

营口理工学院院级科研项目YBL201823

营口理工学院大学生创新创业训练计划项目201914435012

将大大降其使用性能和寿命，因此必须对搅拌头添加辅助保护系统。设计方案原理如

图2所示，在主轴部分添加主轴内、外封闭式循环抗燃制冷剂为“50%乙二醇+50%蒸馏水”，

由独立的冷却站对循环冷却液进行制冷，阻止搅拌焊接温升沿搅拌针向主轴内部扩展，提高

主轴运行稳定性，使搅拌头与主轴接触部位维持在水温，同时添加压缩空气喷头，利用强

烈的气流对搅拌头轴肩部分进行360度环绕冷却。

提高控制的敏感性及主轴整体运行刚度

严格来讲，FSW设备在焊接过程是个动态过程，随着热量的不断累积，复合材料自身的

热物理性能及力学性能也会不断发生变化。在这种情况下，实际的焊接过程并不完全是一个

稳定状态，尤其是对于长距离的焊缝，焊接过程中基复合材料的体积和塑性流变应力会随着

热量的改变而不断变化。此时若不使用恒位移或恒压力控制则会造成焊缝区材料增加或减少

（实际为材料体积的变化），从而使接头变薄或者出现孔洞等缺陷。

本文摩擦搅拌焊接主轴采用多模式控制结构，恒位移控制模式、恒压力控制