基于田口方法的AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊工藝參數(shù)優(yōu)化

陳松林，張大童，張　文，邱　誠

（華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)中心，廣東廣州510640）

基于田口方法的AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊工藝參數(shù)優(yōu)化

陳松林，張大童，張文，邱誠

（華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)中心，廣東廣州510640）

按照正交表對9組AZ31鎂合金搭接試樣進行攪拌摩擦點焊，采用田口方法對接頭的力學(xué)性能進行了信噪比和方差分析。結(jié)果表明，攪拌摩擦點焊工藝參數(shù)對接頭最大拉伸載荷影響由大到小依次為旋轉(zhuǎn)速度、停留時間和壓下量。在1 000 r/min旋轉(zhuǎn)速度、5 s停留時間、4.6 mm下壓量條件下，得到的接頭具有最大的拉伸力。組織和硬度分析表明，拉伸承載能力最強的試樣冶金結(jié)合區(qū)和拉伸變形量最大，但硬度值最低。拉伸斷口形貌分析表明，點焊接頭斷裂方式均為韌-脆混合型斷裂。

AZ31鎂合金；攪拌摩擦點焊；田口方法；參數(shù)優(yōu)化

0　前言

攪拌摩擦點焊FSSW（Friction stir spot welding）是基于攪拌摩擦縫焊技術(shù)研發(fā)的一種新型固相焊接技術(shù)[1]，焊接時高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭經(jīng)過下壓、停留、回撤三個過程形成焊點，實現(xiàn)兩板之間的連接。采用攪拌摩擦點焊焊接鎂合金板材時具有熱量小、溫度低、固相連接等特點，避免了傳統(tǒng)熔焊過程出現(xiàn)的氫氣孔和裂紋等缺陷，正是這些優(yōu)點使得攪拌摩擦點焊逐漸在點連接領(lǐng)域嶄露頭角，成為極具應(yīng)用潛力的新的焊接途徑[2-3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對AZ系列鎂合金攪拌摩擦點焊工藝開展了研究。尹玉環(huán)[4]等人通過控制變量法研究了AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明接頭最大承載能力隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度增加先增大后減小，隨著停留時間的延長則先增大后在一定范圍內(nèi)波動。Yuan[5]等人利用單因素法研究了AZ61鎂合金的攪拌摩擦點焊接頭，指出焊后攪拌區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶生成細小等軸的晶粒，搭接板之間的結(jié)合面積越大則接頭拉伸承載能力越好。由于攪拌摩擦點焊工藝的影響因素較多，接頭組織形成機理復(fù)雜，對于該工藝的研究還有待進一步深入。

田口方法是一種有效的穩(wěn)健性優(yōu)化設(shè)計方法，材料成形工藝參數(shù)優(yōu)化時運用該方法能簡化參數(shù)定制過程，從而高效地制備材料[6]。通過選用的正交表安排試驗方案，借助誤差因素來模擬造成產(chǎn)品質(zhì)量波動的各種干擾，以信噪比（S/N）作為產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)健性的衡量指標，經(jīng)過統(tǒng)計分析尋求抗干擾能力最強、調(diào)整性最好、性能最穩(wěn)定的設(shè)計方案，以使產(chǎn)品達到成本最低、質(zhì)量最優(yōu)[7]。Mumin Tutar[8]等人利用統(tǒng)計學(xué)田口方法優(yōu)化了AA3003鋁合金攪拌摩擦點焊的工藝參數(shù)，但利用田口方法研究AZ31鎂合金的攪拌摩擦點焊工藝過程還甚少見諸報道。本研究通過田口方法來研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、下壓量、停留時間對焊點力學(xué)性能的影響，優(yōu)化AZ31鎂合金的攪拌摩擦點焊工藝參數(shù)，并分析接頭的組織、硬度和斷裂特性。

1　試驗方法

采用AZ31鎂合金軋制板材，成分為Mg-Al2.57-Zn0.84-Mn0.32-Si0.03。板材尺寸125 mm×40 mm× 2.5 mm，以兩板搭接的形式在FSW-RT31-003型攪拌摩擦焊機上進行焊接，搭接尺寸40 mm×40 mm。攪拌頭的錐形攪拌針帶有螺紋，針長4 mm，軸肩直徑12mm，軸肩圓臺內(nèi)凹。攪拌頭下降速度5mm/min，回撤速度100 mm/min。

選取攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、壓下量、停留時間三個焊接工藝參數(shù)作為因素，每一因素選擇三個水平，相關(guān)焊接參數(shù)和水平見表1，具體焊接工藝參數(shù)組合見表2。

表1　焊接參數(shù)及水平Tab.1Welding parameters and their levels

表2　焊接接頭的拉伸斷裂載荷、信噪比及選用的正交表Tab.2Tensile shear load values with the calculated S/N ratios of the welded joints and the selected Taguchi orthogonal array

參照JIS Z 3136標準在微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸測試，室溫拉伸速度0.5 mm/min，實驗結(jié)果為3個試樣的平均值。金相觀察試樣采用苦味酸—酒精溶液（5mL乙酸+2.1g苦味酸+5mL蒸餾水+40 mL酒精）進行腐蝕，平均晶粒尺寸的測量采用截線法。采用MVS-1000D1顯微硬度計對拋光并腐蝕后的接頭分區(qū)域進行顯微硬度測試，試驗載荷100 gf，加載時間15 s。采用LEO-1530VP型掃描電鏡進行拉伸試樣的斷口形貌觀察。

2　試驗結(jié)果和分析

2.1田口分析及工藝參數(shù)優(yōu)化

2.1.1信噪比分析

田口方法是根據(jù)信噪比（S/N）因子的大小來反映質(zhì)量指標的波動。實驗采用望大信噪比來衡量點焊接頭的力學(xué)性能，信噪比越大說明接頭的最大承載力越大，信噪比計算為[9]

式中n為試驗的總次數(shù)；Yi為第i組試驗下的指標值，本次試驗中表示第i組試驗條件下接頭的最大拉伸力。

試驗采用L9（33）正交表，各組試驗得到的平均最大拉伸載荷及對應(yīng)的信噪比如表2所示。同時，為了比較不同參數(shù)不同水平對焊點性能的影響，利用Minitab軟件計算得出各參數(shù)各水平對應(yīng)的信噪比數(shù)據(jù)，如表3所示，并繪制最大拉伸載荷信噪比、均值主效應(yīng)圖（見圖1）。

表3　拉伸載荷信噪比響應(yīng)Tab.3Response table for the S/N ratios for the tensile shear load

圖1　焊點拉伸載荷信噪比、均值主效應(yīng)Fig.1Main effects plot for the tensile shear load of the welded joints

拉伸載荷信噪比響應(yīng)表顯示，對焊點拉伸載荷影響最大的焊接參數(shù)為攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度，其次為停留時間，最后為壓下量。

由焊點最大拉伸載荷信噪比、均值主效應(yīng)圖可知，信噪比主效應(yīng)圖和均值主效應(yīng)圖總體趨勢符合得較好。隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，焊點能承受的最大拉伸載荷信噪比也隨之增大。而焊點最大拉伸載荷信噪比卻隨著壓下量的增加先減小后增大，且在壓下量為4.6 mm時取得最大值。此外，與壓下量的影響類似，焊點最大拉伸載荷信噪比也是隨著停留時間的增加先減小后增大，但其最大值在停留時間最長時（5 s）取得。綜上，根據(jù)信噪比分析結(jié)果，使焊點取得最大拉伸載荷的最佳工藝參數(shù)組合應(yīng)為旋轉(zhuǎn)速度1 000 r/min、壓下量4.6 mm和停留時間5 s。

2.1.2方差分析

方差分析可以用來計算攪拌摩擦點焊各工藝參數(shù)對焊點拉伸載荷的貢獻率，利用Minitab軟件計算出各參數(shù)的均方差，結(jié)果如表4所示。

表4　各參數(shù)均值方差表Tab.4 ANOVA table for means of the welding parameters

由表4中P值可知各工藝參數(shù)對最大拉伸力的影響大小排序為：旋轉(zhuǎn)速度>停留時間>壓下量，且旋轉(zhuǎn)速度對焊點最大拉伸力貢獻率達到72.15％，和上述信噪比分析結(jié)果相符。值得注意的是，由于分析過程中忽略了各工藝參數(shù)之間的相互影響，故本次分析存在5.81％的誤差。

2.1.3驗證實驗

由信噪比分析可知，實驗編號313已經(jīng)是最優(yōu)工藝組合，其最大拉伸載荷較其他工藝參數(shù)的測量結(jié)果更優(yōu)異，故不需要進行另外的驗證實驗。

焊點的最大拉伸載荷可用式（2）、式（3）進行預(yù)測[6]

式中S/N'為預(yù)測的信噪比；S/Navg是各參數(shù)各水平的信噪比均值；p為試驗的工藝參數(shù)個數(shù)；S/Ni為最優(yōu)水平的信噪比；PV為預(yù)測的最大拉伸力。

經(jīng)計算，在旋轉(zhuǎn)速度1000r/min、壓下量4.6mm、停留時間5s條件下，預(yù)測最大拉伸力為3.28kN，比其余參數(shù)組合條件下獲得的最大拉伸載荷都大，與實際最大拉伸力均值3.49 kN基本相符。

2.2接頭組織、硬度和斷口分析

為了探究焊點拉伸性能優(yōu)化的原因，選取分別取得最大拉伸載荷（313）、最小拉伸載荷（122）、拉伸載荷介于兩者之間（223）的試樣進行接頭組織、硬度和斷口形貌的對比分析。

2.2.1接頭組織分析

AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊試樣編號313、223、122的接頭剖面如圖2a～圖2c所示，圖2d～圖2f分別對應(yīng)其冶金結(jié)合區(qū)形貌。由圖2a～圖2c可知，焊后接頭留有“匙孔”（Key Hole），接頭分為攪拌區(qū)（SZ）、熱機影響區(qū)（TMAZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和母材區(qū)（BM）四個區(qū)域。隨著攪拌針高速旋轉(zhuǎn)并逐漸插入材料，金屬在攪拌針的攪動下發(fā)生了劇烈的塑性變形。由于金屬的流動作用，兩塊搭接板材間的平直接縫在靠近攪拌區(qū)的地方發(fā)生了彎曲，形成了所謂的“Hook”區(qū)，如圖2c所示。由圖2d～圖2f可知，與最大拉伸載荷較小的試樣相比，最大拉伸載荷越大的接頭冶金結(jié)合區(qū)的尺寸最大。

圖2　接頭剖面圖和冶金結(jié)合區(qū)形貌Fig.2Cross section of joints and optical micrographs of the bonded section

AZ31鎂合金母材顯微組織如圖3所示，由圖3可知，由于軋制而拉長的晶粒，部分區(qū)域能見到孿晶組織。圖4a、4b、4c分別為AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊試樣編號313、223、122的熱機影響區(qū)的顯微組織，圖4d、4e、4f分別對應(yīng)其攪拌區(qū)的顯微組織。313、223、122號試樣熱機影響區(qū)及攪拌區(qū)晶粒尺寸分別為17.7 μm、12.2 μm、6.8 μm、6.7 μm、5.2 μm、3.6μm。對比母材晶粒尺寸（65.1μm）可知，各工藝條件下攪拌摩擦點焊接頭攪拌區(qū)和熱機影響區(qū)晶粒均有不同程度的細化。熱機影響區(qū)的晶粒受到機械力和熱循環(huán)的作用，由313號試樣TMAZ顯微組織可明顯看到晶粒細化的同時被拉長。攪拌區(qū)的金屬受到攪拌頭的強烈攪動及摩擦產(chǎn)熱的復(fù)合作用，達到動態(tài)再結(jié)晶的條件，生成細小等軸的晶粒，故同一工藝參數(shù)下攪拌區(qū)的晶粒普遍比熱機影響區(qū)的晶粒更細。不同工藝參數(shù)之間對比發(fā)現(xiàn)，313號試樣相比223、122試樣在熱機影響區(qū)及攪拌區(qū)有較粗的晶粒，結(jié)合上述田口分析，其原因是旋轉(zhuǎn)速度增加及停留時間延長導(dǎo)致熱輸入增加，促使晶粒長大。

圖3　母材顯微組織Fig.3Optical micrographs of the microstructures of the base metal

2.2.2接頭硬度分析

接頭各區(qū)域平均硬度如表5所示。同一工藝參數(shù)下獲得晶粒越細小的區(qū)域其硬度也相應(yīng)較大，不同工藝參數(shù)條件下對比發(fā)現(xiàn)，313號試樣的攪拌區(qū)、熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度值都比223、122號試樣的低，其原因是由于攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度及停留時間的增加加大了熱輸入，導(dǎo)致晶粒長大，相應(yīng)的硬度值降低。

但313號試樣卻有比223、122號試樣更大的拉伸載荷，且122號試樣拉伸載荷最小但攪拌區(qū)及熱機影響區(qū)晶粒卻最細、硬度最高。經(jīng)過測量313、223、122號試樣斷口圓環(huán)結(jié)合面積分別為26.2mm2、14.1mm2、7.6mm2，計算得到剪切強度分別為133.2 MPa、154.6 MPa、182.6 MPa，與Hall-Petch公式強度和晶粒尺寸關(guān)系相符。結(jié)合上述組織分析，313號試樣盡管在上下板冶金結(jié)合區(qū)晶粒相對較大，但同時由于其冶金結(jié)合區(qū)寬度大，即面積也較大，故綜合影響下該接頭具有最大的拉伸斷裂載荷。

圖4　點焊接頭攪拌區(qū)和熱機影響區(qū)的顯微組織Fig.4Optical micrographs of the microstructures of the TMAZ and SZ of the welded joints

表5　接頭各區(qū)域平均硬度Tab.5Averagemicrohardnessvaluesofthedistinctmicrostructural zones in the weld regions

Mumin Tutar等人[6]研究指出，AA3003鋁合金攪拌摩擦點焊接頭攪拌區(qū)硬度和其拉伸變形大小有很強的關(guān)聯(lián)性：攪拌區(qū)硬度越高則對應(yīng)的接頭的拉伸變形越小。由圖5可知，本次試驗各工藝參數(shù)條件下拉伸變形大小比較結(jié)果為：313>223>122，與試樣的攪拌區(qū)硬度值大小排序正好相反。

圖5　點焊接頭的拉伸載荷-變形曲線Fig.5Tensileshearload-deformationcurvesofthewelded joints

2.2.3斷口形貌分析

圖6a～圖6c分別為313、223、122號試樣的斷口宏觀形貌，圖6d～圖6f分別為與之對應(yīng)的微觀形貌。接頭斷后上下板結(jié)合面圓環(huán)面積大小比較：313> 223>122。觀察不同工藝參數(shù)下點焊接頭斷口的微觀形貌時發(fā)現(xiàn)，313、223、122號試樣斷口SEM圖片均發(fā)現(xiàn)了韌窩和解理面的存在，顯示其斷裂方式為韌-脆混合型斷裂。斷口微觀形貌顯示122號試樣斷面有更明顯的解理面，在試樣斷面顯微形貌能明顯看到材料剪切的痕跡，表明該點焊接頭的塑性相比313、223號試樣差。這與圖5的結(jié)果是一致的，由于122號試樣的焊接熱輸入較小，接頭的冶金結(jié)合質(zhì)量較差，降低了其拉伸載荷和塑性。

圖6　點焊接頭斷口形貌Fig.6SEM fracture morphologies of the welded joints

3　結(jié)論

（1）AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對焊點最大拉伸力的影響最大，其次是停留時間，影響最小的是壓下量。其對焊點最大拉伸力的貢獻率分別為72.15％、19.68％和2.36％。

（2）AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊試樣焊點獲得最大拉伸力的最佳工藝參數(shù)組合為：旋轉(zhuǎn)速度1000r/min、壓下量4.6mm和停留時間5s。

（3）拉伸承載能力最強的試樣具有最大的冶金結(jié)合區(qū)，最大的拉伸變形量，但攪拌區(qū)硬度值最低。其斷裂方式為韌-脆混合型斷裂。

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[9]文放懷．田口方法[M]．廣州：廣東經(jīng)濟出版社，2006．

Parameters optimization of the friction stir spot welding for AZ31 magnesium alloy based on Taguchi orthogonal array

CHEN Songlin，ZHANG Datong，ZHANG Wen，QIU Cheng
（School of Mechanical and Automotive Engineering，National Engineering Research Center of Near-Net-Shape Forming for Metallic Materials，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

The friction stir spot welding is used for nine sets of AZ31 magnesium alloy lapping specimens according to the orthogonal table.The Signal to Noise Ratio(SNR)and variance analysis of the mechanical properties of the welded joints are carried out by the Taguchi methods.The results show that the descending sequence of influence of friction stir spot welding parameters on the maximum tensile load of joints is tool rotational speed，dwell time,plunge depth.The optimized parameters include tool rotational speed of 1 000 r/min，dwell time of 5 s，and plunge depth of 4.6 mm.According to the microstructure and microhardness tests，the specimen with maximum tensile load has the largest size of metallurgical bond zone and the largest tensile deformation value，however，the lowest hardness value of the SZ zone.SEM tensile fracture morphologies indicate that the welded joints fracture in a mixture mode of ductile and brittle fracture in this experiment.

AZ31 magnesium alloy；friction stir spot welding；taguchi method；parameter optimization

TG453+.9

A

1001－2303（2015）11－0078-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.16

2015-03-23

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目（2014ZG 0028）；高等學(xué)校博士學(xué)科點專項科研基金資助項目（20130172110044）

陳松林（1990—），男，廣東汕頭人，在讀碩士，主要從事鎂合金攪拌摩擦焊的研究工作。