机器人搅拌摩擦焊因其高柔性、自动化、低成本的优势,成为焊接领域的重要发展方向。但一般的工业机器人,其承载能力低、稳定性差,严重限制了机器人搅拌摩擦焊技术的应用与发展。减小搅拌摩擦焊接轴向力有助于提高机器人搅拌摩擦焊的稳定性,对推动机器人搅拌摩擦焊技术发展有重要意义。为减小机器人搅拌摩擦焊的轴向力,分别采用不同轴肩形状及尺寸的搅拌头,对5 mm厚6061-T6铝合金板材进行零倾角搅拌摩擦焊接。分析轴肩形状及尺寸对零倾角搅拌摩擦焊接工艺的影响规律,并通过建立相关模型深入研究了轴肩形状和轴肩尺寸对焊接轴向力的影响机制。研究结果如下:零倾角搅拌摩擦焊轴向力依据其特征分为5个阶段:搅拌针插入阶段、轴肩下压阶段、预热阶段、稳定焊接阶段、搅拌针拔出阶段。其中平稳焊接阶段,焊接轴向力随搅拌头转速增加而减小,随焊接速度增加而增大。零倾角搅拌摩擦焊平面轴肩搅拌头所受焊接轴向力较凹面轴肩搅拌头小,且采用平面轴肩搅拌头焊接焊缝表面成形较好,焊接接头组织紧密且无缺陷;采用凹面轴肩搅拌头焊接焊缝表面粗糙,接头容易出现孔洞缺陷。搅拌头转速1500 rpm、焊接速度95 mm/min时,两种轴肩形状的搅拌头所受轴向力较小,其中平面轴肩搅拌头所受轴向力比凹面轴肩搅拌头小约200 N。零倾角搅拌摩擦焊采用平面轴肩搅拌头焊接,轴肩直径越小焊接轴向力越低,且轴肩直径减小焊接轴向力越平稳。搅拌头转速1500 rpm、焊接速度95 mm/min时焊接轴向力较小,其中轴肩直径9 mm时焊接轴向力约为2300 N,相对于轴肩直径15 mm和12 mm情况下,轴向力分别下降1500 N和600 N。6061铝合金零倾角搅拌摩擦焊工艺窗口的形状为多边形,其中轴肩直径为15mm的凹面轴肩搅拌头对应的焊接参数范围最小。平面轴肩搅拌头随着轴肩直径的减小,对应工艺窗口有向左移动并向上扩展的趋势。模型分析表明,平面轴肩搅拌头比凹面轴肩搅拌头所受轴向力小的原因主要有三个:首先,零倾角搅拌摩擦焊过程中,平面轴肩与工件材料的有效摩擦面积比凹面轴肩大,其摩擦产热相对多,材料软化程度高、变形抗力小;其次,焊接过程中凹面轴肩受到垂直于工件的分力作用;最后,平面轴肩与工件材料的接触面积比凹面轴肩小。对于平面轴肩搅拌头而言,随轴肩直径减小,轴肩单元面积焊接压力与轴肩总面积乘积变小,即轴肩所受总的轴向力随轴肩直径减小而降低。