本文为由美国MTS系统集团 Timothy Zappia先生、Friction Stir Link公司Chris Smith先生、Conurrent技术集团Kevin J. Colligan先生，德国空客Hartmut Ostersehlte先生等撰写，鬼斧翻译。
摘要：高质量、一致的搅拌摩擦焊缝主要取决于以下三个方面：
搅拌针和焊接规程——FSW搅拌针需要以某种方式设计，以适合给定的合金、工件厚度、或者密封剂（如果使用的话）。与搅拌针紧密耦合的是焊接规程，它定义了关键的焊接参数，像焊接位置、载荷、主轴转速和横移速度。
FSW焊机——实施焊接的机器必须能够控制关键焊接参数于已确立的范围内。
工件夹具——待焊工件要能准确定位并焊接过程中保持在位。
在本章中，会检查每个项目，以更好地了解什么是FSW工艺所要求的，什么是目前在FSW市场所在用的。
FSW工艺背后的物理原则要转换成设备用以执行焊接任务必须要完成的某种需求。启动焊接时，FSW搅拌针已一定速度旋转，并插入待焊工件。摩擦生热，工件材料开始塑化并达到相对稳定的温度。一旦达到塑化状态，搅拌针沿着设定的焊接路径运动。由于搅拌针插入和穿越工件的运行，材料会偏移，并挤出搅拌针孔，但是被搅拌针轴肩约束在原位。图4.1解释了这个工艺。
为了确定FSW设备的要求，需要理解待焊工件工艺要求的性能范围。FSW焊机要控制的四个关键工艺参数是搅拌针位置、方向、载荷和横移速度。工件夹具需要以某种方式设计，以确保工件合适的放置、夹紧、刚度，以保证工件保持在位置，也能驱散工艺产生的热量。另外，考虑设备的最终用途也是很重要的。是生产还是科研应用？对操作人员的经验和知识水平的要求是什么？系统预计的产能是什么？自动化程度有多高？是否有焊前和焊后工艺要进程到机器里？这些问题的答案支配着对FSW设备要求。
下面的部分展示了总体定义FSW机器和工件夹具的要求。
有许多用于FSW的不同类型机器。一些根据特殊的应用进行配置，另外一些则有大众的配置，以允许它们能焊接更广泛的工件。一个机器怎么设计的细节决定着它能焊接的应用范围。比如，生产型应用总体会采用专门设计的FSW机器，机器设计针对一定产品工作范围（或者说是FSW焊机能够焊接的范围）并与焊接功能和参数（或者说焊接类型、扭矩、RPM、载荷、横移速度）相关。重点在于要理顺设计，以使绝对要求的属性能够集成到系统里。对于研究院、科研开发小组，FSW通常需要有各种功能集成到设计里，从而更广泛的应用可以焊接。
在最基本的水平，FSW焊机的要求需要包含能够产生所要焊缝的功能和性能。定义要求的开始点是确定要实施的焊接的类型：固定针、可调整针、自回抽针。
如图4.2所示，对于固定针焊接，FSW搅拌针是一件，由轴肩和针构成。固定针是最为传统的FSW形式，并且从机器设计和控制角度看是最为容易控制的。焊接头主轴的任何运动都会转化为在位置上的变化，轴肩与搅拌针上载荷的变化。
对于可调整针的焊接，如图4.3所示，FSW搅拌针由两件组成：一个针和一个轴肩，它们能够独立移动。这种焊接方法允许在工件焊接上更大的弹性。比如锥形工件（或者说厚度变化的工件）可以焊接，当轴肩压在工件表面时，针头梢带（针头末端距离焊缝背面的距离）可以保持。另外，可调整针能够用于闭合针孔，而在固定针焊接中则存在针孔，见图4.5。从机器设计的角度，可调整真需要更复杂的机器设计和控制线路。机器要有能力分别移动针头和轴肩的能力，包括在不同的转动方向或者不同的速度之时。这可以通过焊接头内两个轴的独自执行机构实施，或者通过焊接头内控制搅拌针，而工具Z轴的控制轴肩。
对于自收缩焊接，如图4.6所示，FSW搅拌针由三件构成，上轴肩、针和下轴肩。从机器设计与控制角度，仅有两件需要控制，因为针和下轴肩是彼此依附的。当搅拌针沿着材料整个横截面移动时，上下轴肩保持在工件上下表面。自收缩焊接具有确保穿透的优点，允许尽可能地缩减夹具，因为下轴肩本身被用于抵住上轴肩的载荷。与可调整相似，两个独立的轴都需要控制，一个用于上轴肩，一个用于下轴肩。
除了焊接模式，对于FSW机器，其它基础性要求包括载荷、扭矩、横移速度和工作范围。当工作范围由被焊工件已经定义，载荷、扭矩、横移速率的相互关系并非那么简单。原因是，这些要求取决于这些相互关联的变量，被焊的合金、工件的几何形状、接头类型（比如对接、搭接）搅拌针工具设计，焊接模式和焊接规程。载荷和扭矩直接受工具设计（比如轴肩直径、针和轴肩特征）、主轴转速和横移速度影响。UTS测得相似的焊接质量和疲劳强度可以通过采用不同的搅拌针设计和焊接规程得以实现。而这需要在系统内产生不同的载荷和扭矩。相似的，合金类型和焊接模式（或者说，固定针、调整针，或回抽针）也会影响载荷、扭矩和其它机器要求。
由于在工艺和对应的焊机要求的多变量关系，机器通常在定义在一定范围内工作。一个普通的关系是，厚的工件需要高的扭矩、低的转速和低的横移速度。而薄的工件需要低的扭矩、高的转速和高的横移速度。
表格4.1列出了这些已知参数的关系。
FSW机器的工作范围由工件的几何形状、相关的焊缝以及工件装夹的方向决定。并且会影响任何主轴的延伸、FSW针的长度、工件工具和装夹机制。导致的工作范围区域用以决定机器的轴数和机器的相关行程。两维应用通常通常由二或三个平动轴（或者说X,Y和Z轴）实现。对于三轴应用，需要两个额外的旋转轴提供俯仰、滚动或偏航（或者说A,B,或C轴）这些旋转轴可在机头上实现，或通过倾动转台实现。为了最大化工作范围并允许应用的最大范围，通常喜欢将旋转轴集成到机器靠近机头处，而非从旋转台。转盘可以是专用环形焊接的一个很好的解决方案，也根据具体的转盘尺寸上，也可用于较小的部分。转盘尺寸可能是一个缺点，因为它可能占据机器工作区域的很大一部分，并且通常具有小的工作表面。而这可能会大大限制对可安装到上面的工件的尺寸。
在设计3-D系统时，要小心以确保机器运动没有任何奇点或者静力加速度。它们会阻止机器执行焊接路径。机器配置的模型可以与部分轨迹的模拟一起进行，以确定这些情况是否会成为问题并帮助确定可以采取哪些措施来克服它们。通常，轴可以重新配置，部件位置可以修改，并且可以使用不同的控制技术来消除这些问题。
系统设计的另一个关键部分与传感器的选择及其在机器上的位置有关。在伺服控制系统中，传感器的精度和分辨率以及传动系统的响应性在确定机器控制精度和保真度方面起着重要作用。表4.2列出了通常组成FSW机器的各种轴以及通常使用的传感器类型。
只要有可能，高分辨率的绝对位置传感器，由于其精度，重复性以及用于控制系统的简单性而被优选。可是，也可以使用相对位置传感器。但要求在启动时，需要“归位”操作来定位轴。这种“归位”操作通常使用在铣床上，包括移动轴直到一个已知位置，并且一个分立传感器向控制器发出轴确切位置的信号。对于所有的传感器，最好将设备定位， 以尽可能精确而可能重复地映射机器上发生的位置，运动或负载。
FSW机床（如CNC机床）的性能很大程度上取决于其所需的精度和可重复性。也就是说，机器如何准确地沿着指令轨迹移动，以及从一次到下一次运动的可重复性。精度通常可通过独立的测量装置（例如激光跟踪仪，干涉仪）测得并相对于世界坐标系（即基于工作单元区域中的预定参考点的机器的线性和角度位置）进行确认。许多因素会影响机器的准确性。这包括设计决策，制造误差，组装和安装技术，磨损，结构挠度，温度和控制系统。正如Jim Destefani在他的题为'获得手柄 - 机器精度'的文章中指出的，“每个线性轴有六种可能的误差：线性定位，俯仰，偏航，垂直直线度，水平直线度和滚动。在相互垂直的轴之间添加可能发生的正交误差，总共可能会在三轴加工中心上发生二十一种可能的误差。“
机器的建造者从设计之初，就力求减少精度误差叠加。进行分析，以确保系统尺寸可以符合适合预期的负载和扭矩。在机器的适当部位，要进行刚性和强度设计，较大的结构部件要设计，以最小化挠度，对于承受应力的部件要进行强度设计。系统驱动机构的选择要使各种部件（例如导向装置，导轨，轴承，齿轮，滚珠丝杠，电机）都适当地设定尺寸，这样可以使由诸如谐振模式，齿隙，摩擦和卷绕等引起的误差最小。
一台机器一旦设计和制造出来，则需要以一定方式组装以实现最佳对齐。应测量每个轴的直线度，平直度，平行度和垂直于正交轴的直角度，并进行适当调整直到达到可接受的误差。这不仅对于实现精度非常重要，而且还会对驱动部件的寿命产生影响，因为不准确的对齐会导致部件的高磨损和应力。
一旦机器组装完成，各种位置传感器就都被校准以匹配机器运动。在这一点上，系统在机械和电气上将尽可能地准确。任何与挠度，热膨胀等有关的偏差都需要由控制系统补偿。表4.3展示了，根据MTS的经验，在标准铣床设计中的“典型”精度。
在规范中，精度要求通常定义为指令值的百分比，同时考虑到机器的满量程范围。例如，如果机器的最大负载为30千磅，则负载精度可以指定为指令值的+/- 1％或100磅，以较大者为准。考虑到机器被设计成在其整个性能范围内执行，并且由于该范围的大小将限制其性能，因此将100磅将被用作参考点。其原因是负载要求越大，相关的误差也越大，驱动组件所需的容量也越大。一般来说，要求最高精度的轴是最接近焊接过程的轴，例如FSW搅拌针位置和负载传感。
FSW机器中另一个需要定义的主要部分是控制系统，其包括电子硬件的架构和软件应用。与生产系统和研究系统相关的要求很重要。在生产系统中，通常更加强调系统设计的简化，以最大限度地延长系统的正常运行时间，易于使用，并与现有的可能已经安装的控制系统协同，且有培训后的支持人员和备件库存。对于科研人员来说，重点往往是确保系统具有足够宽广的功能范围，以支持各个研究领域。根据研究要求，他们可能需要足够的处理器吞吐量来支持未来的FSW算法开发，确保高速数据采集以研究信号内容和采样数据的相关性，以及他们的研究尚未覆盖的未来传感器和控制场景的扩展能力。无论是生产或科研场景，最基本的要求将包括以下能力。
创建和执行焊接规程
系统必须允许操作者输入针对给定焊接路径轨迹的具体焊接指令。这通常包括了如下方面的变量和输入。
旋转速度
横移速度
焊接轴向载荷（如果有载荷控制）
焊接横移载荷（可选，要求横向载荷测量系统）
横移或倾动角度
工作角度
另外，系统必须允许特定的FSW启动和停止命令。通常包括以下变量或输入：
标称插入深度（开始）
标称插入负载
插入速度（开始）
插入后、横移前的停留时间（开始）
横移结束和退回前的停留时间（结束）
退回速度（结束）
退出路径偏移（结束）。
以下五点描述了主要的控制器要求。
1. 执行坐标运动控制
控制器必须要有执行多轴控制的能力。当执行各种焊接指令时，允许系统遵循系统的焊接路径。
2. 执行位置或载荷控制
控制FSW工艺的标准方法是采用位置和/或载荷控制。位置控制是最直接的方法，因为焊接工程师仅需要对机器进行编程，以遵循所知的位置路径。可是，由于机器和工件装夹偏差，以及工件误差错误、热补偿，位置控制通常不足够可靠，以实现所希望的焊接。载荷控制具有优势，能够补偿以上所提的不精确度。控制系统将移动主轴（针和/或轴肩），焊接过程始终能实现所希望的载荷。侧面负载和扭矩的控制是负载控制的变体。控制器使用这些参数进行必要的校正，以保持所需的负载或扭矩曲线。
3. 提供必要的控制以支持焊接类型
控制器需要能够提供支持将要进行的焊接模式（或者说固定针、可调整针、自回抽针）的控制类型。如果要求，这些焊接模式可以在位置和/或载荷控制下进行。
4. 监控工艺和系统反馈
控制器需要能够监控和显示工业和系统反馈，一旦任何参数移出所定义的范围，要能采取合适的措施。
5. 执行数据收集
关键工艺参数的数据获取和机器变量提供了一种评价系统已经完成焊缝的方法。可以进行焊接后分析，以确保这些参数和变量已经保持在作为质量保证测量的预定范围内。
对于那些可能并不理解闭环控制的人，图4.8展示了一个采用内、外PID控制环的简单的单轴系统的控制器框图。外控制环采用程序指令（比如位置或载荷）和轴反馈，并将二者求和，以得出一个偏差。这个偏差按照外控制环PID（见图4.9）功能纠正，然后输出到内环伺服控制器。内控制环为液压伺服阀或电机提供低水平的控制，通常会比外控制环运行更快。内控制环与外控制环相似，它将发送自外控制环的指令与正在被控装置的反馈求和（比如电机偏码器）。再次，该误差将根据内部回路PID调节增益缩放并输出到驱动设备。
为了理解基本的控制器，图4.10给出了一个用于三轴定位系统与焊接机头的典型FSW控制器的功能框图。这个机器有主轴、X轴、Y轴、Z轴驱动系统，每个都有独自的轴电机和位置反馈传感器。
图4.11给出了以上控制架构的内部数据流动的情况。创建的焊接规程包含整个焊接所需的机器运动。这包括焊接各个阶段所需的所有动作，如插入（开始焊接）和退回（退出焊接），以及在焊接过程中要进行的任何参数变化（例如，更改行进速度或主轴转速）。控制器按照焊接规程，生成相关的要发送到机器的特定轴指令。对于2-D焊接，操作可以像使用适当的加速度和减速度的直线插值一样简单。伺服控制按上面描述一样执行，并将适当的命令发送到驱动系统（例如电动机或液压伺服阀）。控制系统将监控系统的各种命令和反馈，并根据设定值生成任何操作员信息，警报或关闭系统。数据也以一定的采样率采集并存储在硬盘上供以后评估。
根据系统的最终用途和应用中的复杂程度，控制器类型可以在许多解决方案中选其一。这些类型通常包括可编程逻辑控制器/可编程自动化控制器，CNC，定制运动控制器和机器人控制器。这些选项之间的主要区别包括处理器速度，内置功能和数据采集功能。PLC和PAC（例如GE Fanuc，Allen Bradley，Siemens）是用于工业低复杂度运动控制的最常见类型的控制器。他们通常是模块化的设计，用于特定任务的专用模块可以组态，以执行相对复杂的任务。随着处理器速度的不断提高，为获得良好的有效轴定位解决方案时，PLC / PAC和CNC之间的界限正在模糊。但当需要复杂的运动和插补时，PLC / PACs则捉襟见肘。数控系统（例如，西门子805和840D，GE Fanuc系列3Xi型号，Bosch Rexroth Indramotion MTX）用于大多数机床上。这些机床需要通过CAD / CAM软件生成的复杂轨迹进行精确定位。定制运动控制系统用于需要对多轴复杂运动轮廓进行高性能定位的场合。对于FSW，定制运动控制器具有额外的优势。尽管价格较高，但配置完全符合应用要求。用于铣床的CNC与FSW之间的显着差异的一个例子是控制焊接行进速度（即进给率）的重要性。行进速度是由轴位置导数产生的计算变量。对于FSW，这是一个重要的控制变量。因为它直接影响正在输入零件的摩擦热量。减速可能会增加不必要的热量，而加速可能将FSW搅拌针工具移动到没有足够热量的区域。铣削机床能够在加工操作的某些部分权衡行进速度和精度。例如，在精加工切削时经过一个较小的圆角时，可以放慢进给速度以保持圆角处的精度。一个FSW控制器必须保持在通过圆角时的精度和进给率。
虽然本章的目的并在于比较不同的控制器，但我们会做出一般性声明，即PLC和PAC在功能和性能上处于的较低端，而CNC，定制运动控制器和机器人控制器处于高端。表4.4列出了控制器之间的一些优点和缺点。
为了在基于机器人的FSW系统上实施适当的控制方案，需要几种独特的控制方案。这些控制解决方案基于机器人与典型定制机器的特点或方面。在开发基于机器人的FSW机器的控制系统时必须以下方面，包括：
传统工业机器人比定制机器相对刚度较低；
传统工业机器人可重复，但不精确；
工业机器人的CAD/CAM能力有限。机器人的路径传统上是通过另一种机制来教授的。机器人通常使用示教器移动到所需的位置。操作员或程序员然后指示当前位置是沿着路径的期望位置。
上述问题给出了FSW控制系统的几个挑战。这在任何应用软件里都需要管控。在开发搅拌摩擦焊专用应用软件时，上述所列机器人的所有方面都要得到管控。应用软件必须具有以下一般功能（本节后面将详细介绍所有这些功能）。
针对搅拌摩擦焊的数据结构
力控制
实时编辑焊接方向的垂直位置/焊接力和横向位置
能够为编程路径提供偏移量。
可自动编程机器人方向。
允许示教模式和自动模式
可以存储焊接数据以供将来的数据分析。
与所有类型的FSW控制器一样，机器人控制器必须允许正常类型的FSW功能，允许操作员以简明易懂的方式将所需过程的输入变量传送到机器。在讨论创建和执行焊接规程时，机器人系统上所需的输入变量早就列出的。同样，创建数据结构要来支持启动/停止操作和稳态焊接操作。启动/停止和焊接数据结构允许定义插入深度，力，速度，旋转和行进速度，轴向和横向力以及倾斜角度等。
机器人控制器的主要不同之处是启动/停止过程需要两个额外的命令。在启动和退出偏移之后，有一个额外插入命令。这些变量中的每一个都用于控制典型工业机器人的刚度相对不足。机器人的挠度通常与机器人上的力成正比。其次，FSW在插入操作期间需要不同的力度，而在横移运行时则不需。这意味着机器人在横移过程中必须被人为地命令进一步插入。这通过额外的输入来克服（在横移开始之后的额外插入）。可以采用类似的方法，需要退出路径偏移量。当焊接结束时机器人上的力减弱时，机器人往往会超调。退出路径偏移量是一种人为偏移量，用于防止机器人超调，从而实现清晰的退出路径。
取决于机器特性，也有几个进行力控制的潜在方法。通常上，工业或关节臂机器人相对与其它机器缺乏刚度。机器人在施加载荷的情况下，类似于模拟弹簧，这意味着它们倾向于随着施加的载荷线性地挠曲。因此，可以通过更改机器人的编程位置（不是实际位置）来改变负载。如果机器人程序设计得更深，则增加向下的力的效果更大，而非实际的位置。这就允许采用PID控制回路的策略，通过对编程位置施加偏移来控制所需力的大小。
在机器人中，机械刚度在机器人的整个工作范围内是变化的。例如，机器人在机器人基座附近具有较大的刚度，而在被拉伸至其工作范围的极限位置则非。因此，力控制可能是该软件的重要特征，它可以允许操作者在规定的搅拌摩擦焊接负载条件下快速管理相对刚度或机器人的偏移。
因为机器人有相对低的刚度，而编程位置则相对于实际位置变动。如图4.12，显示了基本的力/位置控制概念。有一个想要的位置和方向（Pd和Rd），它可以基于位置和力反馈进行调整，以实现想要的力（fd）。
这种类型的控制对于在机器人上实施搅拌摩擦焊接提供了挑战。因为这导致了编程的插入深度永远不会是满足编程值的实际插入深度。如果一致，则可由操作员学习获得。但是机器人编程的插入深度与实际插入深度之间的偏差，在机器人整体工作范围内是变化的，这是因为机器人的刚度不同，在机器人的工作范围内变化。为了帮助克服这个问题，操作人员必须实时控制编程的插入深度，以确定提供可接受的焊接结果的插入深度值。如果操作员可以初步输入一个预期插入深度，然后在初始焊接试验期间施加偏移量，则可以相对快速地确定最终编程的插入深度。另一种方法是实施大量不同编程深度的焊接试验，以最终确定合适的编程插入深度。这种对插入深度的实时控制是通过允许操作员在焊接过程中按下增加或减少插入深度的按钮来实现的。这允许机器人在工作范围和焊接参数内克服机器人的可变和未知偏移。因为工艺过程产生的径向和轴向力，机器人会在垂直和水平平面内偏转。因此，实时控制应允许垂直和横向位置控制。
通过点动机器人到一个位置和方向，对一台机器人进行编程。然后，按下按钮，存储当前位置为编程位置。这对搅拌摩擦焊接提出了挑战，因为在焊接过程中实际所需的位置是当FSW搅拌针工具部分位于部件内时。而在对位置进行编程时，FSW工具是静止的（不旋转），且不可能给机器人示教一个位置，使FSW搅拌针旋转，且插入工件的位置。可以做的最好方法是示教机器人一个FSW搅拌针可以接触和接近焊接表面的位置。在这种情况下，实际所需的位置相对偏移位置，偏移量相当于搅拌针的针头长度。当焊缝位于水平面时，这种偏移相对简单。可是，当焊接过程中焊接路径和方向改变时，它显得更加复杂。这就要求任何FSW应用软件都要具备自动实施程序偏移的能力，而这不受焊接路径的方向的影响。
搅拌摩擦焊要求相对精确的横移和工作角度的精确控制。图4.7种描述了横移和工作角度。如前所述，机器人编程通过点动机器人到一个预设或已知的位置，并通过按键存储当前位置。这对精确的编程位置构成了极大的挑战，特别是方向。方向由三个分量构成，滚动、俯仰、偏航。不仅在调试模式下，难以精确控制机器人以示教一个位置，而在针对一个复杂平面时，通常也不可能测量滚动、俯仰和偏航角度。因此，任何FSW控制软件必须有办法输入或自动计算合适的滚动、俯仰和偏航角度，以允许实施正确的工作和横移角度。
工业机器人通常有两种操作模式。第一个是示教模式，第二个是自动模式。在示教模式时，操作者通常通过采用示教盒控制机器人，这样可以对任何操作实施大量输入。在自动模式时，机器人通常实施预编程路径，而在实时影响机器人则能力甚微。在自动模式中，机器人能以最大能力速度操作，而示教模式下机器人的速度通常是受限的。
对于搅拌摩擦焊，希望操作者可以对工艺进行实时输入，特别是当示教和开发初始路径和焊接工艺时。在这个示教模式下，操作者要有能力调整焊接力或垂直位置，也要能调整横移位置，并辅助管控机器人的刚度不足。在自动模式中，这个实时编辑能力通常被消除。因为一旦工艺建立，它不再需要实时编辑。给定的工业机器人通常是可重复的，虽说不精确，但发生的任何偏移都趋向一致。因此，一旦工艺设定，仅需要很少的干涉。
像大多数FSW机器，数据监控和存储对于机器人专机很重要。在生产模式中，参照FSW工艺变量的实际状态，数据监控能够用于设定警报。通常监控的变量包括力、力矩、位置、旋转速度等。警报可以用于警示和/或使工艺流产。这可用于生产应用，以探测异常状况。
这些工艺变量也能存储。这专门用于工艺评价和开发的练习中。可是，由于机器人相对有限的数据存储能力，数据存储限定于生产应用中。可是由于机器人控制器存储能力的限制，系统存储能力也被限制。另外，机器人控制器对于数据存储并不优化，所以存储速率可以预见，相对较慢。典型的数据取样和存储速率低于20赫兹。
需要5轴运动以实现3D和复杂的轮廓轨迹，并且要求对力和运动有非常精确控制要求的FSW应用通常需要更先进的控制器配置。图4.13显示了可以集成到控制器中的不同类型功能以及相关数据流的流程。带有各种补偿技术的5轴控制系统，可以改善焊接精度与性能，如下包含了5轴控制的功能。
多轴运动学与坐标转换—— 这些变换允许沿着焊接路径生成3D轨迹，同时保持定义的FSW搅拌针方向角（通常为0到3度）。机器可以在世界坐标系或工件坐标系统中进行控制。
体积补偿——测量设备（例如激光跟踪仪）用于在整个工作范围内准确定位FSW搅拌针。由于机械不准确性和重力效应（例如，在水平镗铣床上完全扩展的重型Z轴）而导致的定位误差可以得到映射，并控制器中用来补偿。
变形补偿——在不同载荷场景下任何工作范围内的不同位置处进行变形测量。可以进行变形补偿映射，由控制器调整位置指令，以最小哈负载引起的变形。
焊缝跟踪——焊缝跟踪器可以用来实时监控焊缝的位置，并自动进行横缝调整，以确保搅拌针相对于焊缝中心的位置。
表面感知——即使非常精确的机器和刚性工具夹具，仍然很难准确知道零件表面的位置。这主要是由于焊接机主轴和FSW销工具中的机器和工具偏差和热膨胀。要准确了解零件表面相对于焊接头的位置，最好的办法是从参考点实时测量零件表面，尽可能靠近表面，以便考虑到挠曲和热膨胀的影响。这些信息可以作为调整位置命令的参考。
热补偿——环境温度的变化以及工艺引起的热量会导致机器的热膨胀，从而导致定位和载荷不准确。如果应用需要高精度并减少这种类型的误差，则可以使用温度传感器和热补偿表来适当调整位置指令。
一些其它的机器要求并不直接与FSW工艺相关，但是将影响机器的设计，包括如下：
测试和校准台——通常用于生产系统应用，测试和校准台用于在焊接之前验证设备是否正常运行。控制系统将执行一个自动序列，测试系统执行某些动作和加载场景的能力，以验证所有系统组件是否正常工作。在一些要求苛刻的航空航天应用中，测试面板将被焊接，并在生产运行之前，之后甚至在生产运行期间，进行疲劳和抗拉测试，以验证性能。
焊接头可以进行机床操作——尽管FSW焊接头不是专门用于为机床操作而生产。它们也有一些内置功能执行许多击穿操作。一些系统要求FSW焊接头能够进行诸如钻孔和剪切等操作的功能。
视觉功能——非常典型的是，系统要求包括能够记录焊缝的视觉系统，最好从焊缝正面和背面两面。这为操作员提供了一种可以查看焊缝并从操作员站进行工艺调整的方法。操作者无需站在焊缝旁边。在航空航天生产环境中，记录将与其他监测数据一起存储和保存，以提供特定零件制造过程的完整记录。
安全——机器设计标准提供了确保机器内置安全考虑的指导原则。应选择组件以确保它们的尺寸适合应用和机器有预期的寿命周期，需要小心注意设计功能，以降低操作人员在与机器进行交互时可能受伤的风险。带有急停触发器的护栏可能需要安装在检修点，可以采用压力垫，护栏和梯子都需要按照当地的安全要求进行设计。急停按钮应易于够得着，并能立即关闭系统。它可以设计为不可软件干预的机电回路。
维护——维护是机器设计的一个重要因素。机器的许多组件都要求定期维护。设计需要确保有足够的通道可以接触各种部件，以便服务工程师监测磨损情况，提供日常维护（例如润滑脂轴承），并在必要时拆卸和更换部件。
FSW工艺固有的特定负载和扭矩是FSW机器和工件工具设备的主要驱动力。机床制造商特别注意确保机床和工具具有足够的刚度，以便在对应用设定的精度内，对负载和扭矩做出反应。FSW机器的关键是它能够执行所需的焊接类型：固定针，可调节针和自调整针。焊接类型和工作范围一起用于确定机器的轴数和配置。
FSW机器由选择的驱动部件和传感器组成。机器能够在工作范围内，在所需性能区间内准确且可重复地移动。FSW控制系统与驱动组件和反馈传感器紧密耦合，并允许操作员创建和执行焊接规程。它也还提供了关键焊接参数的工艺监控和数据采集。 FSW控制系统的类型包括PLC，PAC，CNC，机器人控制器或定制控制器。每种控制器都有自己的优缺点，应该考虑到应用程序的复杂性，需要执行的工作类型（即研究和开发或生产），数据采集要求和预期的维护等因素和系统的服务要求。
工件工具的要求相对简单; 工具必须能够将工件保持在已知位置并对由该工艺产生的力作出反应。也就是说，它需要做有足够的刚度，而不会因为在零件上施加的轴向和径向力而发生偏移。工装夹具需要有夹紧机构，允许FSW搅拌针通过零件接触给定的焊接头接点，并防止零件由于扭矩力而纵向滑动，弯曲或分离。而且，焊接表面和夹紧系统的热导率会影响焊接质量和焊接参数。
对于固定搅拌针和可回抽搅拌针，工件工具需要有一个支撑表面，可以直接支撑并压靠工件的背面。如果没有适当的准备，FSW搅拌针工具将倾向于潜入材料中，因为此处的焊接负载将减少，并且系统将作为对力变化的反应而移动到部件中。无论系统处于任一位置还是负载控制，都会发生这种情况。当载荷控制时，会更加明显。因为控制器会尝试移动到零件中，直到达到所需的轴向负载或触发位置极限。
对于固定搅拌针和可回抽搅拌针，特别重要的是要注意背板对工件的热量流动的影响。根据支撑杆或砧材料（例如不锈钢，钢或涂层材料），热流可能导致更高（更热）或更低（更冷）的焊接参数组。如果在根部需要更多的热量，可以在特殊情况下使用此效果。支持板材料要归档到焊接工艺规范（WPS）中。有时会将热电偶植入到支撑板内的孔道里，以更好地监控背侧温度（见第7章图8）。表4.5列出了支撑背板材料的导热系数与各种部件材料的热导率。
焊接质量还取决于焊接工作台和夹紧系统的制造精度。支撑板或砧座应与焊接台处于同一水平面，以便焊接部件之间没有不匹配的存在（见图4.14）。夹紧系统必须保证可靠地夹紧工件，以便在焊接操作过程中不会出现间隙。此外，如果支撑板或砧座处于绝对平面内（即，没有波浪或大于0.1mm的变化），则焊接过程更容易处理。这意味着与支撑板或砧座的距离应该相对焊接工具在Z刀具轴保持恒定。如果出现波浪式背制成，FSW机器必须能够补偿这些波浪，以保证恒定的搅拌针变形。
与机器设计要考虑的类似，准确的夹紧力取决于材料、搅拌针工具、工件几何形状、接头类型和焊接规程。请参考第二章，给出了对于厚、薄材料的样本载荷。
用于搅拌摩擦焊的不同机械夹紧系统取决于应用。夹紧厚板或薄板的最简单、便宜的方法是采用夹紧爪。这个系统的优点是夹紧力很高，缺点是夹紧工件需要长的设定时间，且如果夹紧爪靠近焊缝，则会引起不同的导热系数，当夹紧较宽的工件时，夹紧抓不易在沿整个焊缝覆盖。如果在焊接区域边部采用压紧条，在夹紧爪处导热不均的问题会得以缓解。
图4.16展示了一个搭接焊缝时夹紧Z型纵梁的夹紧方法。你可以看到Z型纵梁的上边和法兰边都被固定在位。对于这种固定的挑战，在于确定有足够的FSW搅拌针的可达空间。
对于系列化生产，需要设计一个专门的液压或气动夹具，以降低设定时间（图4.17）。这些夹具尽管很贵，但通常在生产工况中是合理的。
图4.18中的示例展示了自支撑焊接的夹具结构。仅工件的外部区域被夹紧，在夹具的背面有一个开口，可以放置下轴肩。
相比于机械夹紧系统，一个好的替代是真空夹紧。真空夹紧的设定时间短，工件的生产效率可以很高，真空板可以安装在焊接台上，或者可以将真空板设计成焊接台使用。不仅是平板，3D真空夹紧系统也是可行的。总体上，3D真空夹紧台仅可用于专门的焊接应用。特别对于3D系统，固定成本要比标准机械夹紧系统要高很多。
图4.19展示了标准的真空夹紧系统，其构成由：
支撑条（无真空夹紧）
带有真空场的真空板
真空泵（含有以控制不同真空场的阀）
圆形橡胶密封
安装其它夹紧和机械配合锥形孔和真空气孔
宽幅板的支撑系统
可变的真空夹紧系统应该提供独立的真空区域，网格的密封沟槽在夹紧不同几何轮廓的工件时更有弹性。几个夹紧区域的优点在于可以更加一致，且有弹性地夹紧工件。这种工况下，密封必须足够大，以降低工件和真空板间，从而产生真空。
螺纹孔用于沿工件安装一些物理止挡，以防止不足的真空夹紧力时，采用额外的夹紧爪夹紧出入口。
在图4.20中， 展示了用于空客A340-500HGW测试板焊接的柱形夹具。真空区域必须确保在工件的焊接方向的垂直和平行方向有足够的夹紧力。
真空台的每侧都有九个真空区域。每个区域边部都有一个10mm的橡胶密封，以通过真空锁紧面板。在夹具的一侧插入金属板，以调整面板的焊接位置，在夹具的每一侧，都有五个可调节的支撑臂，用以支撑大型工件。
真空夹紧系统有一些独特的优势。它们非常柔性，易于使用，可以允许不同尺寸、宽度和长度大小不一的工件的夹紧。相比于传统夹紧，FSW工艺的热流在整个制成板上是一致的，因此，会有好的焊接质量。可是，对于厚板真空夹紧力通常不够。反之，这可能需要采用传统夹紧方法。
当采用CAD/CAM包时，在工件的坐标系统内建立路径轨迹。一旦工件被放置于工具固定系统，控制器通常会采用工件固定夹具作为定位参考，以降轨迹从工件坐标系转化为机器上的世界坐标系。因此，重要的是在夹具上定义好定位点，通常是三个独立的点，这使得控制器可以准确地知道工件的位置和方位。
另外一种必须要提的夹紧类型是在靠近搅拌针头尾放置夹紧滚轮，以降焊接工件压住到支撑表面。下面的图片展示了这个概念的不同变量。图4.21展示了Esab SuperStirTM系统的液压驱动夹紧滚轮。
在图4.22中，展示了MTS的表面传感器和滚轮系统。双轮或单轮通过机械弹簧预加载，滚轮位置可以测量，用以定位工件表面到FSW搅拌针的位置。
图4.23展示了TWI的一个发明，它在搅拌针的边部或前面采用一个或两个滚轮。这些滚轮将工件夹紧到位，它们的工作确保搅拌针不会插入工件太深。
图4.24，可以看到一些有趣的夹紧结构。这是用于焊接美国宇航局Ares I星座上层液氢燃料箱上部弯曲的戈尔面板的固定装置（见图4.24）。这个夹具和用于焊接的机器人焊接系统安装在阿拉巴马州亨茨维尔的美国宇航局马歇尔太空飞行系统中心。该夹具允许面板修整，固定搅拌针焊接和自支撑焊接。压紧爪是沿焊缝分组的气动夹紧指。每个夹紧指具有一个预设定的夹紧负载范围，可以通过使用垫片垫进行微调。最初，这个应用程序是为弧焊而开发的，然后适用于搅拌摩擦焊接。气动手指不足以将工件固定到位。因此，这大大降低了夹紧力，从而产生了部分焊透。所以气动爪必须能够夹住工件。对于最终的焊接，增补焊接会受侧向力影响。
从最原始的发明，FSW的优势由新的焊接搅拌针和新的焊接装备的发展而驱动。在这部分，焊接工具的发展有两方面，开发新的焊接工具设计和开发新的焊接工具材料。
焊接搅拌针设计可以分成两个主类，常规搅拌针和骨架搅拌针。传统的FSW工具从一侧接近工件，通常工件会被限制在砧座上。这种类型的搅拌针只能部分穿透工件，在销钉末端和砧座之间留下非常薄的一层间隙。通过这个缝隙的材料塑化到一定程度，从而确保原始接头的完全消耗。
与传统的FSW搅拌针相反，骨架FSW搅拌针由两个轴肩组成，而轴肩通过针头连接，它们通常一致地旋转。如图4.25所示，两个轴肩分别从每侧容纳软化的焊缝金属，同时通过摩擦和塑性功产生热量。搅拌针的作用主要是扭曲接合表面，并产生额外的热量以维持工艺，同时在轴间之间提供机械连接。骨架FSW工具可以在不施加与工件平面垂直的力的情况下进行焊接生产，这消除了焊缝不完全穿透到工件的砧座侧的可能性。
对于套筒式搅拌针结构，有两个子划分，如图4.26所示。尽管在FSW原始专利申请中首次描述了套筒搅拌针的概念，但是它从未以其原始形式实际证明过。原始的套筒搅拌针由一对平滑的，向外逐渐变细的裸露肩部组成，大概是为了确保在工件厚度发生随机或变化的情况下与工件表面接触。后来一种可用的筒管FSW工具
其中平坦的肩膀上补充了螺旋凹槽或涡卷，这些螺旋凹槽或涡卷起着将工件材料拉向销的作用。肩部被相对彼此强制驱动，以便在肩部之间提供可变的间隙，这促进了即使在工件厚度沿着焊缝长度变化的情况下，肩部之间的可控压缩力也是如此。这种类型的工具需要一种机构来驱动焊接工具的销钉以实现可变的肩部间隙。这种称为自反应工具的可变间隙筒管工具已被证明可以产生各种材料厚度和合金选择的良好焊缝。
联系客服
