一、應用概況

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是一種固態連接技術，通過高速旋轉的攪拌頭與被焊材料接觸產生摩擦熱，使材料局部塑性化并在攪拌頭的機械攪拌作用下形成焊縫，無需填充材料和保護氣體，是焊接領域的一項革命性技術。由主軸驅動系統（提供旋轉動力）、進給系統（控制攪拌頭移動軌跡）、工裝夾具（固定工件）等組成，可集成到機器人或專用焊接機上，實現自動化焊接。

攪拌摩擦焊使用固態連接技術，焊縫區不熔化，避免了傳統熔焊的氣孔、裂紋、元素燒損等缺陷，接頭力學性能優異（尤其是疲勞強度和韌性）。可焊接鋁合金、鎂合金、銅合金等輕金屬，也可用于鈦合金、鋼等材料的連接，尤其適合傳統熔焊難度大的高強鋁合金。焊接過程無弧光、煙塵、飛濺，無需填充材料和保護氣體，能耗低，符合環保要求。焊接過程可精確控制（如轉速、進給速度、壓力），接頭一致性好，適合批量生產。

攪拌摩擦焊憑借其獨特的固態連接優勢，在輕量化制造領域具有不可替代的地位，目前已成為航空、汽車等行業的關鍵焊接技術之一。


二、系統方案

本文是基于邁信EP5S系列伺服主軸驅動器在數控攪拌摩擦焊機床上的應用。

EP5S作為主軸驅動單元，配合寶元EtherCAT總線數控系統，通過CNC程序控制機床的運動軌跡和加工參數，攪拌頭（由攪拌針和軸肩組成）高速旋轉（通常轉速為500-5000rpm），與被焊工件表面接觸，通過摩擦和塑性變形產生熱量，使接觸區域材料溫度升高（一般達到母材熔點的0.6-0.9倍），處于塑性軟化狀態。攪拌針插入工件接縫處，帶動塑性化材料沿攪拌頭旋轉方向流動，軸肩則抑制材料溢出并壓實焊縫，最終使兩側材料在高溫高壓下擴散連接，形成致密的固態焊縫。

攪拌摩擦焊機床已廣泛應用于汽車制造、航天航空、軌道交通、新能源鋰電等行業的零部件加工制造。


三、應用現場圖片


機床本體


加工工件


電氣柜


四、機床工藝要求

攪拌摩擦焊對主軸的性能有極高要求，其設計需同時滿足高扭矩輸出、精準轉速控制、軸向力承載能力以及動態穩定性等核心指標，直接影響焊接質量和效率。具體要求如下：

1、高扭矩與寬調速范圍
足夠大的輸出扭矩：攪拌頭高速旋轉時需克服材料塑性變形阻力，尤其是焊接厚板或高強度材料（如6系鋁合金、鈦合金）時，扭矩需求顯著增加（通常需500-5000N?m，視材料和板厚而定）。主軸需在低轉速下仍能保持高扭矩，避免焊接過程中因扭矩不足導致 “悶車” 或焊縫缺陷。
寬轉速調節范圍：不同材料（如鋁、鎂、銅）和焊接工藝參數（如板厚、接頭形式）對轉速要求差異大，主軸需支持500-10000rpm的無級調速，且轉速精度需控制在±1%以內，確保摩擦熱量穩定。

2、軸向力控制與承載能力
穩定的軸向壓力輸出：焊接過程中，攪拌頭軸肩需對工件表面施加持續、均勻的軸向力（通常為5-50kN），以抑制材料溢出并壓實焊縫。主軸系統需具備精確的軸向力控制能力（精度±500N），并能根據焊接階段（如插入、焊接、退刀）動態調整力值。
高軸向剛性：軸向力加載時，主軸的軸向變形量需極小（通常≤0.01mm/kN），否則會導致攪拌頭插入深度不穩定，影響焊縫成形和接頭強度。

3、動態響應與穩定性
快速啟停與換向能力：針對復雜軌跡焊接（如曲線焊縫），主軸需能快速響應轉速和轉向變化（啟停時間≤0.5 秒），避免焊縫過渡區出現缺陷。
低振動與高剛性：主軸旋轉時的徑向跳動需控制在0.01mm以內，否則會導致攪拌頭偏擺，引發焊縫兩側受力不均、飛邊過大等問題。整體結構需具備高剛性，抑制焊接過程中的顫振（尤其是高速旋轉時）。

4、熱管理與散熱能力
高效散熱設計：攪拌摩擦焊過程中，摩擦熱會通過攪拌頭傳導至主軸，若熱量積聚可能導致主軸軸承過熱、精度下降甚至損壞。主軸系統需集成水冷或油冷散熱裝置，確保工作溫度穩定在60℃以下。

5、集成化與智能化接口
與控制系統聯動：主軸需支持實時反饋轉速、扭矩、軸向力等參數，并能接收外部控制系統（如 PLC、機器人控制器）的指令，實現與進給軸的同步運動（如焊接速度與轉速的匹配）。
故障診斷功能：具備過載保護、溫度監測、振動報警等功能，在扭矩異常、軸承過熱等情況時自動停機，避免設備損壞和焊接缺陷。

6、耐用性與維護性
高耐磨性部件：主軸軸承需采用高精度角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，耐受高轉速和軸向力的長期作用，使用壽命需滿足至少1000小時連續焊接（針對批量生產場景）。
易維護設計：關鍵部件（如軸承、密封件）需便于更換，減少停機維護時間。


五、調試步驟

第一步：安裝EP5S主軸驅動器及主軸電機，并確保接線正確。系統上電，確定EtherCAT通訊網絡正常。




第二步：主軸電機適配。搭配邁信成套主軸電機時，正確設置主軸電機代碼；搭配第三方電機時，使用EP5S自學習功能，自動識別主軸電機參數及慣量。

先通過Fn-2進入單機模式，然后通過Fn6功能觸發異步電機離線參數辨識功能，完成對定子電阻，轉子電阻，互感，漏感的辨識。運行Fn6功能后，使能燈亮，當屏幕顯示DONE且使能燈滅時，辨識結束，辨識過程大概需要花費半分鐘左右。辨識結束后，按后退鍵退出Fn6功能，此時可以通過P菜單査詢辨識的參數結果P702~P705，通過E-set保存該結果。



第三步：根據編碼器類型及安裝方式，確定電機與編碼器傳動比例，正確設置編碼器線數及電子齒輪比相關參數。



第四步：旋轉主軸電機，確定電機旋轉方向及編碼器旋轉方向，如反向可通過EP5S相關參數進行修改。



第五步：測試加工效果，可通過EP5S環路增益參數調整，以配合機床機械達到最優的加工效果。




六、EP5S伺服主軸產品特點

1、功率型號：3.7kW、5.5kW、7.5kW、11kW、15kW
2、電壓等級：AC380V -15%~+10% 50/60Hz
3、控制方式：EtherCAT總線控制，支持位置、速度、扭矩控制模式
4、雙編碼器接口，全閉環控制。支持方波、正余弦、串口通信、旋變等形式編碼器信號輸入
5、支持同步/異步主軸電機控制
6、支持主軸電機參數及慣量自學習
7、窄體結構設計，節省安裝空間

8、直插自鎖式電源接線端子，接線簡便快捷