焊接參數(shù)對摩擦塞焊焊接區(qū)域溫度場的影響

，，，，

（1.南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210001；2.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，江蘇南京210001）

0 前言

摩擦塞焊（Friction plug welding）又稱為摩擦塞補(bǔ)焊，是英國焊接研究所于1995年發(fā)明的一種新型固相補(bǔ)焊技術(shù)。其基本原理[1]為：在裂紋處鉆出一定大小的錐形通孔，并制出與基體材料相同的焊接塞棒，當(dāng)摩擦塞焊的焊接塞棒以較高的轉(zhuǎn)速和一定的焊接進(jìn)給速度進(jìn)入錐形通孔，焊接塞棒與焊接件之間的相互摩擦使得焊接塞棒與焊接件連接，然后在一定頂鍛力作用下，連接處的材料組織晶粒更加細(xì)小，從而有效保證了焊接接頭的質(zhì)量。摩擦塞焊焊接質(zhì)量很大程度上受溫度的影響，焊接接頭的連接強(qiáng)度大小、焊接缺陷的出現(xiàn)都和溫度場息息相關(guān)。摩擦塞焊中的摩擦界面溫度過低，會導(dǎo)致摩擦界面上的材料塑化較差，出現(xiàn)難以焊接和焊接不牢的缺陷；界面溫度過高，會出現(xiàn)金屬過熱現(xiàn)象。

目前，摩擦塞焊的相關(guān)文獻(xiàn)主要是研究焊接接頭的微觀組織、微觀硬度和力學(xué)性能。Beamish[2]深入研究了10 mm厚6082-T6鋁板的摩擦塞焊工藝，分析焊接接頭的微觀硬度和力學(xué)性能，得到焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的基本影響規(guī)律。Unfried等人[3]對CMn鋼材料進(jìn)行摩擦塞焊試驗(yàn)，主要研究焊接區(qū)域的微觀組織變化。Metz等人[4-5]針對2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫進(jìn)行了摩擦塞焊試驗(yàn)，分析焊接接頭的顯微組織、顯微硬度及疲勞強(qiáng)度。國內(nèi)對摩擦塞焊的研究也主要集中在焊接接頭的微觀組織和力學(xué)性能方面[6-8]。

本研究以7075-T6鋁合金材料為焊接材料，摩擦塞焊焊接過程分為初始階段和穩(wěn)定階段，建立摩擦塞焊焊接的產(chǎn)熱模型，得到產(chǎn)熱量與焊接參數(shù)的關(guān)系，為摩擦塞焊焊接區(qū)域溫度場研究提供理論基礎(chǔ)；在不同焊接進(jìn)給速度、焊接轉(zhuǎn)速和焊接摩擦?xí)r間的試驗(yàn)條件下進(jìn)行摩擦塞焊焊接工藝試驗(yàn)，得到焊接參數(shù)對摩擦塞焊焊接區(qū)域溫度場的影響規(guī)律。

1 產(chǎn)熱模型的建立

1.1 初始階段的產(chǎn)熱功率

摩擦產(chǎn)熱是攪拌摩擦焊接起始階段的主要產(chǎn)熱來源[9]，而摩擦塞焊焊接起始階段的產(chǎn)熱機(jī)理與攪拌摩擦焊接起始階段的產(chǎn)熱機(jī)理類似，焊接接觸面上材料塑化程度都相對較小，塑性變形產(chǎn)熱量也相對較小，故忽略塑性變形產(chǎn)熱，將摩擦產(chǎn)熱作為摩擦塞焊焊接起始階段的產(chǎn)熱來源。

在摩擦塞焊焊接過程中，假設(shè)焊接摩擦接觸面積始終為S不變，焊接塞棒受到向下的焊接壓力為F，焊接塞棒和焊接鋁板接觸面上單位面積的壓力為P，分析塞棒受力，其上表面向下的力與側(cè)面受到向上的分力達(dá)到平衡狀態(tài)，則有

由牛頓力學(xué)定律可知，焊接鋁板錐形孔表面上單位面積的壓力也為P，在圖1中高度h處，在焊接鋁板錐形孔側(cè)面取一微環(huán)面，則焊接鋁板錐形孔側(cè)面微環(huán)處受到的扭矩為

圖1 焊接鋁板剖面

考慮摩擦產(chǎn)熱的熱損失，產(chǎn)熱效率為η，故摩擦塞棒側(cè)面產(chǎn)熱功率為

由式（1）和式（3）可得摩擦塞焊焊接初始階段的產(chǎn)熱功率為

式中 η為產(chǎn)熱效率；μ為摩擦系數(shù)；n為焊接轉(zhuǎn)速；F為摩擦塞焊中塞棒受到的軸向力。

1.2 穩(wěn)定階段的產(chǎn)熱功率

摩擦產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱是攪拌摩擦焊接穩(wěn)定階段的產(chǎn)熱來源，而摩擦塞焊焊接中的產(chǎn)熱機(jī)理和攪拌摩擦焊接的產(chǎn)熱機(jī)理類似，摩擦塞焊焊接穩(wěn)定階段產(chǎn)熱來源主要是摩擦產(chǎn)熱和塑形變形產(chǎn)熱。穩(wěn)定階段的摩擦行為和初始階段不同，摩擦塞焊焊接經(jīng)過初始階段的摩擦產(chǎn)熱，使得摩擦界面上的溫度升高，此時粘著摩擦是主要摩擦行為，摩擦力為待焊材料的剪切流變應(yīng)力和接觸面積的乘積。按照Mises屈服準(zhǔn)則，剪切屈服極限值τs=0.577σs。在工程分析中，σs=ReL（單位：Pa）。由于ReL隨溫度變化，故τs可表示為溫度T的函數(shù)

在粘著摩擦狀態(tài)下，摩擦力和壓力P無關(guān)，將式（3）中的μP用τs替代，可得穩(wěn)定階段摩擦塞棒側(cè)面產(chǎn)熱功率

穩(wěn)定階段塑性變形的產(chǎn)熱功率

摩擦塞焊焊接穩(wěn)定階段總的產(chǎn)熱功率

式中 ηV為塑性變形產(chǎn)熱的熱轉(zhuǎn)化效率；為等效應(yīng)力；為等效應(yīng)變速率；η為產(chǎn)熱效率；n為焊接轉(zhuǎn)速；ReL為材料的屈服強(qiáng)度。

理論上，得到焊接過程中的主要產(chǎn)熱來源的計算公式能初步判斷焊接參數(shù)對焊接溫度場的影響規(guī)律：焊接轉(zhuǎn)速越高，初始階段的焊接壓力越大；摩擦?xí)r間越長，焊接鋁板得到的溫度場溫度更高。但需要通過試驗(yàn)方法詳細(xì)論述焊接參數(shù)對焊接溫度場的影響，驗(yàn)證建立的摩擦塞焊焊接產(chǎn)熱模型。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用焊接鋁棒和焊接鋁板的材料均為7075-T6鋁合金，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 7075-T6鋁合金的化學(xué)成分 %

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用自主研發(fā)的摩擦塞焊焊接設(shè)備，設(shè)備主要參數(shù)為：焊接主軸轉(zhuǎn)速0～5 000 r/min，焊接進(jìn)給速度0～240 mm/min，夾持焊接塞棒直徑10～20 mm。

2.3 試驗(yàn)方法及過程

焊接塞棒尺寸φ20 mm×100 mm，塞棒錐頭錐度60°，錐頭端部直徑10 mm，焊接鋁板尺寸100 mm×50 mm×5 mm，錐形孔錐度60°，錐形孔底部直徑為10 mm。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表2 焊接工藝參數(shù)

摩擦塞焊焊接示意如圖2所示。焊接塞棒以較高的轉(zhuǎn)速向下進(jìn)給，摩擦塞棒和焊接鋁板開始接觸進(jìn)入焊接摩擦產(chǎn)熱階段，焊接摩擦產(chǎn)熱結(jié)束，保持一定的軸向頂鍛力5 s，最后停止頂鍛，摩擦塞焊焊接結(jié)束。

圖2 摩擦塞焊焊接示意

焊接過程中的主要控制參數(shù)為焊接轉(zhuǎn)速n、焊接進(jìn)給速度v和焊接摩擦?xí)r間t。在摩擦塞焊焊接過程中，需要采集焊接轉(zhuǎn)速n，焊接壓力F，測溫點(diǎn)A、B的溫度值。由圖2可知，測溫點(diǎn)A、B到焊接中心軸的距離均為8 mm，兩個點(diǎn)距上下表面的距離也都相同，測溫傳感器選擇常用的K型熱電偶，探頭頂部與測溫點(diǎn)相接觸，保證測得的溫度值為測溫點(diǎn)處的值。測溫點(diǎn)A、B為對稱位置以避免其他干擾因素導(dǎo)致采集到的溫度值不準(zhǔn)確，兩個測溫點(diǎn)理論上測得的溫度值很接近，當(dāng)差別較大時，可能是其他干擾或者焊接過程不當(dāng)造成的，需要重復(fù)一次試驗(yàn)。當(dāng)測溫點(diǎn)A、B測得的溫度值很接近時，采用測溫點(diǎn)A測得的數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 摩擦塞焊焊接接頭

在焊接轉(zhuǎn)速3 000 r/min、進(jìn)給速度120 mm/min和焊接摩擦?xí)r間4 s的試驗(yàn)條件下，獲得的焊接接頭如圖3所示，基本上沒有焊接缺陷。接下來分別探討焊接轉(zhuǎn)速、焊接進(jìn)給速度和焊接摩擦?xí)r間對溫度場的影響規(guī)律。

3.2 焊接進(jìn)給速度對焊接區(qū)域溫度場的影響

在焊接轉(zhuǎn)速3000r/min、焊接摩擦?xí)r間6s，進(jìn)給速度分別為60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min的焊接參數(shù)下，焊接壓力和測溫點(diǎn)A處的溫度值隨時間的變化曲線如圖4、圖5所示。

由式（4）和式（7）可知，焊接進(jìn)給速度與焊接區(qū)域溫度場沒有直接聯(lián)系。由圖4可知，焊接進(jìn)給速度對焊接過程中的焊接壓力有影響，隨著焊接進(jìn)給速度的增大，焊接過程中的最大焊接壓力也會增大。焊接進(jìn)給速度60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min焊接條件下對應(yīng)的最大焊接壓力分別為3 240 N、4 220 N和4 840 N，焊接進(jìn)給速度達(dá)到一定值，再提高焊接進(jìn)給速度，最大焊接壓力增大幅度相對減小。

圖3 焊接接頭形貌

由圖5可知，測溫點(diǎn)在60 mm/min、120 mm/min和180mm/min下的最大溫度值分別為240℃、361℃和400℃。當(dāng)焊接進(jìn)給速度為60～120 mm/min時，焊接進(jìn)給速度的變化對焊接區(qū)域溫度場影響較大，提高焊接進(jìn)給速度，測溫點(diǎn)A處最大溫度值變化幅度較大。而當(dāng)焊接進(jìn)給速度為120～180 mm/min時，再提高焊接進(jìn)給速度，測溫點(diǎn)A處最大溫度值變化幅度較小。

圖4 不同焊接進(jìn)給速度下的焊接壓力變化曲線

圖5 不同焊接進(jìn)給速度下測溫點(diǎn)A處的溫度變化曲線

焊接進(jìn)給速度對焊接區(qū)域溫度場的影響實(shí)質(zhì)上是焊接進(jìn)給速度影響了摩擦塞焊焊接初始階段的焊接壓力，而焊接壓力直接影響初始階段的摩擦產(chǎn)熱。當(dāng)初始階段焊接壓力差別較小時，初始階段焊接區(qū)域的溫度場差別不大，穩(wěn)定階段的產(chǎn)熱幾乎不受焊接壓力影響，因此焊接進(jìn)給速度在120 mm/min和180 mm/min時的穩(wěn)定階段產(chǎn)熱差別很小，初始階段結(jié)束后，兩條溫度曲線趨于一致。

3.3 焊接轉(zhuǎn)速對焊接區(qū)域溫度場的影響

在進(jìn)給速度120mm/min、焊接摩擦?xí)r間6s，焊接轉(zhuǎn)速分別為2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min的焊接參數(shù)下，測溫點(diǎn)A處的溫度變化曲線見圖6。

理論分析得出焊接過程中產(chǎn)生的熱量與焊接轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，由圖6可知，測溫點(diǎn)A處的最高溫度值隨著焊接轉(zhuǎn)速的提高而升高，這是因?yàn)闇囟仍礁?，焊接區(qū)域由于摩擦產(chǎn)生的熱量也是越多，故試驗(yàn)結(jié)果與理論分析比較一致。

在焊接初始階段，較高的焊接轉(zhuǎn)速會提高測溫點(diǎn)的升溫速率，而由于焊接鋁板和墊板的接觸熱傳導(dǎo)、焊接鋁板表面和空氣的熱對流，隨著焊接的進(jìn)行，3種轉(zhuǎn)速條件下測溫點(diǎn)處的升溫速率越來越小，到焊接摩擦階段結(jié)束，測溫點(diǎn)處的溫度值達(dá)到最高值，隨后逐漸降低。高的焊接轉(zhuǎn)速提高了摩擦界面材料的升溫速率，材料塑化較快，能有效避免焊接缺陷，提高焊接質(zhì)量。

圖6 不同焊接轉(zhuǎn)速下測溫點(diǎn)A處的溫度變化曲線

3.4 焊接摩擦?xí)r間對焊接區(qū)域溫度場的影響

在進(jìn)給速度120 mm/min、焊接轉(zhuǎn)速3 000 r/min，焊接摩擦?xí)r間分別為2 s、4 s和6 s的焊接參數(shù)下，測溫點(diǎn)A處的溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 不同焊接摩擦?xí)r間下測溫點(diǎn)A處的溫度變化曲線

理論上在其他焊接參數(shù)相同的條件下，焊接過程的產(chǎn)熱量和焊接摩擦?xí)r間成正比關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接摩擦?xí)r間越長，焊接過程中產(chǎn)生的熱量也越多，從而導(dǎo)致測溫點(diǎn)A處的溫度值越高。一般焊接摩擦?xí)r間不能太短，否則產(chǎn)熱量較少，焊接區(qū)域材料塑化較差，導(dǎo)致材料遷移少，容易產(chǎn)生未焊接缺陷。焊接摩擦?xí)r間也不能過長，焊接塞棒消耗較多，焊接接頭飛邊更嚴(yán)重，塑化的材料堆積在焊接接頭上表面較多。通常選擇高的焊接轉(zhuǎn)速，焊接摩擦?xí)r間控制在4～6 s，使得焊接區(qū)域最高溫度值達(dá)到400℃。

4 結(jié)論

（1）理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，焊接參數(shù)對摩擦塞焊焊接溫度場有很大的影響，焊接轉(zhuǎn)速越高、焊接進(jìn)給速度越高、焊接摩擦?xí)r間越長，焊接區(qū)域測溫點(diǎn)A處的溫度值越大。

（2）焊接進(jìn)給速度在不同范圍對焊接區(qū)域溫度場的影響程度不同，主要原因是焊接進(jìn)給速度在不同范圍對焊接壓力的影響程度不同，而焊接壓力的大小直接影響摩擦塞焊焊接初始階段過程中的產(chǎn)熱量從而影響焊接區(qū)域溫度場。焊接壓力對摩擦塞焊焊接穩(wěn)定階段的產(chǎn)熱影響很小，穩(wěn)定階段主要是粘性摩擦產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱。

（3）高的焊接轉(zhuǎn)速能得到較好的焊接接頭，原因是高的焊接轉(zhuǎn)速可提高摩擦界面材料的升溫速率，材料塑化較快。焊接摩擦?xí)r間一般不宜過短或過長，應(yīng)盡量匹配較高的焊接轉(zhuǎn)速。

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