基于能量归一化的Johnson–Cook模型与NN-PID调控的摩擦塞铆接点焊恒力控制

《CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology》：Constant force control of friction plug-riveting spot welding using an energy-normalized Johnson–Cook model and NN-PID regulation

　　

Baosheng Zhang|Shuai Gong|Zheng Ye|Jian Yang|Shuhai Chen

北京科技大学材料科学与工程学院，中国北京100083

摘要

摩擦插销铆接点焊是一种用于钢/铝结构固态连接的工艺。为保持工艺稳定性和接头质量，需对轴向力进行持续控制。但在铆钉与铝/钢板摩擦过程中，界面温度会出现剧烈波动，导致铆钉材料性能随温度发生强非线性变化。这种非线性往往会在铆钉与铝材摩擦时造成力值超调，在铆钉与钢材焊接时出现欠调，给传统PID控制带来极大挑战。为解决这一问题，本文提出了一种两阶段复合控制策略：第一阶段采用约翰逊-库克前馈模型，用实时机械功衍生的能量归一化变量替代温度软化项；第二阶段则采用经调优的神经网络PID反馈控制器实现参数自适应调节。实验结果表明，该方法可在不增加焊接周期的情况下消除铝材熔合阶段的力值超调，在6000、7000和8000牛顿的焊接力作用下，分别使欠调程度降低40.96%、60.48%和76.25%。此外，接头性能也得到提升，最大抗拉强度提高5–15%，能量吸收能力提升最多35%。该策略无需直接测量界面温度，即可优化力值变化曲线与接头力学性能，为异种金属焊接过程的智能控制提供了可行路径。

引言

钢与铝这类异种金属的连接越来越受到重视[1]。这种组合既能发挥钢的高强度优势，又能利用铝合金的低密度特性，所形成的混合结构在降低整体重量的同时还能保持较高的比强度[2]，符合现代交通运输和可持续制造领域对轻量化的需求[3]。在汽车工业中，钢/铝组合结构正在逐步取代全钢或全铝结构，它们能在不影响安全性和力学性能的前提下显著减轻重量[4][5]。然而，传统熔焊工艺在处理这类异种材料时存在诸多难题：较高的加工温度会促使Fe/Al金属间化合物如Fe?Al?和FeAl?生成，这些相会大幅降低接头的强度和延展性[6]。为克服这些限制，基于固态摩擦的连接技术得到了广泛研究[7][8]，其中摩擦插销铆接点焊在钢/铝连接领域展现出良好的应用前景[9][10]。该工艺的热输入相对较低，且能使材料之间形成较强的机械咬合效应。使用钢制铆钉可将原本不同的钢/铝界面转化为相似的钢/钢金属连接，从而抑制过多的金属间化合物生成，提升整体接头性能[11][12]。

在钢/铝摩擦插销铆接点焊过程中，施加的轴向力是决定焊接形态、微观结构演变及力学性能的关键参数[13][14]。Vestberg等人[15]系统研究了焊接参数与接头性能之间的关联，发现轴向力会影响焊接区及热影响区的尺寸，同时对整体接头强度也有重要影响。当施加的力不足时，材料的塑性变形不够充分，会导致热机械影响区出现粗大晶粒，这种微观结构的粗糙化会促进裂纹沿界面萌生；而当力过大时，焊接熔核会出现过热现象，高温会导致晶粒粗化，并在界面处引发热应力裂纹[16]。在相关的摩擦插销铆接点焊研究中，Grimm等人[17]证明，适当调整力值可以控制铝材的流动，减少杂质残留，提升接头完整性，尤其是对于7075-T6这类延展性较低的合金。这些研究表明，精确的控制力值对于获得高质量的异种金属接头至关重要。但在实际生产中，由于力值响应与界面温度及材料软化效应密切相关[18][19]，很难始终保持理想的轴向力变化曲线，这促使人们开发出能够在热机械非线性条件下精准调控轴向力的先进控制策略。

温度会显著影响固态摩擦连接过程中的塑性流动及轴向力响应[20]。在约翰逊-库克本构模型中，随着温度升高，流动应力会下降，因此温度会通过使铝/钢板发生热软化来直接影响力值。但在进行摩擦插销铆接点焊时，界面温度很难准确测量——摩擦界面难以触及，而嵌入式的热电偶在旋转过程中容易受损或失效[21]，因此基于温度的反馈机制难以实现可靠的闭环力值控制。在材料响应和非线性接触条件下，轴向力仍会出现较大波动。

在其他固态摩擦连接工艺以及相关的热机械加工过程中，人们也在工艺信号建模、智能控制及自适应控制方面做了大量研究。Andrade等人[22]对铝合金搅拌摩擦焊接过程中的扭矩和温度进行了建模，建立了实测扭矩、焊接功率与焊接热状态之间的定量关系；Cobos等人[23]通过智能控制大幅降低了搅拌摩擦焊接过程中的跟踪误差；Gao等人[24]基于参考导纳模型提出了双面搅拌摩擦焊接的协同锻造力控制方法，证明了基于导纳的自适应控制有望在复杂的热机械耦合条件下提升力值跟踪精度。此外，Taysom等人[25][26]还引入了模型预测控制技术用于搅拌摩擦焊接中的温度调控，研究表明在工艺出现瞬变或工况发生变化时，模型预测控制的跟踪效果优于基于PID的控制方式。van Niekerk等人[27]则探索了用于复杂曲面搅拌摩擦焊接的神经模糊过程控制方法，其结果表明模糊控制与神经模糊控制同样适用于处理焊接过程中的非线性特征。同时，Mendes等人的综述[28]指出，摩擦连接领域的设备与控制系统设计正朝着力控制、自适应控制以及更高智能化方向发展。总体而言，这些研究都表明，在热机械耦合的加工过程中，先进控制策略的性能通常优于传统的PI/PID控制，尤其是在时变且非线性程度较高的工况下。不过目前大多数研究集中在搅拌摩擦焊接上，针对钢/铝摩擦插销铆接点焊的恒力控制研究仍然较少，尤其是那些将基于物理的本构模型分析与数据驱动的自适应调节机制整合到统一控制框架中的研究更为匮乏。

为应对这些挑战，本文提出了一种专为摩擦插销铆接点焊设计的二阶段力控制策略：第一阶段采用无需温度传感器的、基于在线机械功的能量归一化约翰逊-库克前馈项，用于缓解铝材熔合初期的力值超调问题；第二阶段则采用NN-PID控制器，在靠近钢界面的强非线性区域动态调整Kp、Ki和Kd参数。在该策略的作用下，不同目标力值下的力值超调与欠调现象都会得到改善，稳态误差也会进一步缩小，同时接头的强度和能量吸收能力也会得到提升。该策略在无法直接测量温度的情况下，能够将基于物理的建模方法与数据驱动的自适应调节机制相结合。

章节节选

材料与方法

本研究要连接的异种材料为厚度为2毫米的7075铝合金和厚度为1毫米的DP980钢。钢板的尺寸为125毫米×39毫米×1毫米，铝板的尺寸为125毫米×39毫米×2毫米，试样结构示意图见图1(a)。表1列出了7075铝合金、DP980钢以及1045钢的主要成分，表2则展示了它们的主要力学性能。铆钉是由1045钢加工而成的，

轴向力超调与欠调的机理分析

图3展示了在不同参数下的初步试验结果以及焊接过程中轴向力的变化情况，具体的工艺参数见表3。在图3(a)中，随着目标力值从5千牛增加到9千牛，接头的初始性能先上升后下降。在5000牛的力值下，接头性能与6000牛时相近，而在9000牛时则出现了明显的性能下降。基于这一趋势，最终选择了6000、7000和8000牛作为测试力值，

基于约翰逊-库克的超调控制策略构建

在摩擦插销铆接点焊过程中，焊接初期的低温刚性碰撞容易引发力值超调，而传统PID控制由于参数固定，难以有效抑制这一现象。为解决这一问题，本研究以压缩态铝材为分析对象，基于约翰逊-库克本构模型，结合材料在焊接过程中的力学响应特征与热输入特性构建了相应的控制模型，

控制力曲线对比分析

接下来，通过对比传统PID控制策略、基于约翰逊-库克本构模型前馈补偿的策略以及神经网络PID反馈调节策略的协同作用，分析了不同控制策略下力曲线的特点及其对焊接过程稳定性的影响，包括第一阶段的最大超调量、第一阶段的稳定时间、第二阶段的最大欠调量以及均方根误差等指标，

结论

本研究解决了DP980钢与7075铝合金摩擦插销铆接点焊过程中存在的力值控制精度不足以及材料行为非线性等关键问题，提出了一种结合基于能量归一化约翰逊-库克模型前馈补偿与NN-PID反馈调节的协同控制策略。主要研究结论如下：

• 1.
  实验结果与有限元分析均表明，材料所承受的累积机械功与焊接质量之间存在对应关系，

CRediT作者贡献说明

Shuai Gong：实验验证、软件开发。Zheng Ye：论文撰写——审稿与编辑。Jian Yang：实验验证、项目监督。Shuhai Chen：结果可视化、项目监督、方法设计、概念构思。Baosheng Zhang：论文撰写——初稿编写、实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在与本研究相关的任何利益冲突。我们亦声明，与所提交的这项工作无关，不存在任何可能构成利益冲突的商业或关联利益。

致谢

作者感谢以下机构的资金支持：(1) 中国国家自然科学基金（项目编号：52275306）；(2) 国防工业技术发展计划（项目编号：JCKY2024206B007）。