基于回歸分析的7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究

張 鑫 韓 冬 吳 軍 殷 凱

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基于回歸分析的7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究

張 鑫 韓 冬 吳 軍 殷 凱

（西安航天動力機(jī)械廠，西安 710025）

基于回歸分析對20mm厚7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊工藝進(jìn)行研究。建立并分析了接頭抗拉強(qiáng)度與焊接工藝參數(shù)之間的回歸模型，重點考察攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸肩下壓量對接頭抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在試驗設(shè)定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度降低；隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度先升高后降低，存在峰值；隨著軸肩下壓量的增加，接頭抗拉強(qiáng)度升高。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)可以使接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到430MPa。

攪拌摩擦焊；焊接工藝；抗拉強(qiáng)度

1 引言

7050鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系熱處理可強(qiáng)化的超高強(qiáng)度變形鋁合金，主要用于要求高強(qiáng)度、高應(yīng)力腐蝕和剝落腐蝕抗力及良好斷裂韌性的結(jié)構(gòu)件中。采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接該合金時，容易產(chǎn)生氣孔、焊縫熱裂傾向大、且伴有合金元素?zé)龘p以及焊縫區(qū)軟化等問題。攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術(shù)，焊接過程中，在攪拌工具的作用下，材料發(fā)生熱塑化并遷移，最終在熱-力的復(fù)合作用下進(jìn)行擴(kuò)散和再結(jié)晶，形成致密的焊縫。由于焊接過程中，母材不熔化，采用FSW可以避免熔焊方法產(chǎn)生的多種缺陷，特別適合鋁合金的焊接[1，2]。

焊接工藝參數(shù)與接頭力學(xué)性能關(guān)系的研究是FSW的基本課題，現(xiàn)有的研究成果多是揭示二者之間的定性關(guān)系。例如，付春坤[3]等人對8mm厚7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊的研究結(jié)果表明，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的升高，接頭抗拉強(qiáng)度降低，但延伸率呈上升趨勢；桂林[4]等人認(rèn)為7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度比值增加而降低。表1列出了部分研究學(xué)者對7xxx鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊后接頭的抗拉強(qiáng)度。

表1 7xxx鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉性能研究結(jié)果

2 試驗材料與方法

試驗所用7050-T7451鋁合金的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表2和表3。試板尺寸為300mm×150mm×20mm。

表2 7050-T7451鋁合金化學(xué)成分 wt%

表3 7050-T7451鋁合金力學(xué)性能

試驗選用帶三平面的圓錐形攪拌頭，如圖1所示。攪拌頭的材質(zhì)選用W360工具鋼，軸肩直徑為30mm，攪拌針根部直徑15mm，針長19.7mm；焊前用機(jī)械方法去除試板表面氧化膜，并用無水乙醇擦拭以去除表面油污及雜質(zhì)，采用平板對接的方法，將試板用剛性夾具緊固在焊接工作臺上，攪拌頭對準(zhǔn)試板對接中心線，調(diào)整焊接參數(shù)，攪拌頭順時針方向旋轉(zhuǎn)，以一定的速度扎入工件結(jié)合面，然后以一定的速度沿接合線方向行走。

圖1 試驗用攪拌頭

采用回歸正交試驗設(shè)計安排試驗，以接頭的抗拉強(qiáng)度作為評定焊接質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，主要考察攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度（）、焊接速度（）和軸肩下壓量（）三個因素對接頭性能的影響。各個參數(shù)的取值范圍見表4。

表4 工藝參數(shù)取值范圍

選用三元多項式回歸模型，并進(jìn)行中心組合設(shè)計試驗。為了便于數(shù)據(jù)處理，將各因素的取值變換為編碼值，其變換公式和結(jié)果見表5，其中γ的取值為1.353[7]。選用經(jīng)過適當(dāng)變換的L8（27）正交表安排試驗，并在各個因素的零水平處進(jìn)行3次重復(fù)試驗，用于回歸方程和回歸系數(shù)的檢驗，具體試驗安排見表6。

表5 工藝參數(shù)水平及其編碼值

焊接完成后，按照GB/T2651—1989 《焊接接頭拉伸試驗方法》在CMT5305型電子萬能試驗機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為2mm/min。每塊試板沿焊縫橫向截取3個拉伸試樣，接頭的抗拉強(qiáng)度取3個試樣的平均值。

3 試驗結(jié)果及分析

回歸正交試驗中，各個工藝參數(shù)下接頭拉伸試驗結(jié)果列于表6。一般地，三元二次多項式回歸模型的通用表達(dá)式為：

轉(zhuǎn)換后行為認(rèn)知成本，指的是用戶在全新電商平臺下，付出成本和學(xué)習(xí)新課程的成本。當(dāng)前電商平臺在對界面設(shè)計、網(wǎng)頁瀏覽操作等環(huán)節(jié)上存在較大差別，因此用戶所感知的服務(wù)質(zhì)量上會出現(xiàn)較為明顯的差異，不利于后續(xù)工作的開展，甚至對用戶忠誠度的維持也將產(chǎn)生負(fù)面影響。

其中，0，1，2，3…為回歸系數(shù)，為隨機(jī)誤差，服從均值為0，方差為2的正態(tài)分布。另外，規(guī)定1表示攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，2表示焊接速度，3表示軸肩下壓量。

表6 回歸正交試驗結(jié)果

采用最小二乘法對回歸系數(shù)進(jìn)行估計，得到的各個回歸系數(shù)的估計值見表7。

表7 回歸系數(shù)估計值

用檢驗考察回歸方程和各個回歸系數(shù)在顯著性水平為=0.05的有效性，并進(jìn)行失擬檢驗?；貧w系數(shù)的檢驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 回歸系數(shù)顯著性檢驗結(jié)果

失擬檢驗中比=2.79<（5,2），且回歸方程的比=18.9>(9,7)，即回歸模型是合適的，且回歸方程是有效的。

由圖2可見，1，3，22是顯著的，而33較為顯著，且有3>1>22>33。即各個工藝參數(shù)對接頭的抗拉強(qiáng)度均有顯著影響，且軸肩下壓量的影響最強(qiáng)，焊接速度次之，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度最弱。

綜上，可確定以各個參數(shù)編碼值表示的回歸方程為：

根據(jù)各次試驗得到的抗拉強(qiáng)度以及由回歸方程計算得到的相應(yīng)工藝參數(shù)下的接頭的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行殘差分析，得到圖3所示的殘差圖，可見殘差均勻地分布在橫軸兩側(cè)，表明回歸方程已經(jīng)能較好地描述抗拉強(qiáng)度與各個工藝參數(shù)之間的關(guān)系。

通過變量代換可以得到以各個參數(shù)實際值表示的回歸方程為：

3.1 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

由式（2），求接頭抗拉強(qiáng)度b關(guān)于攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的偏導(dǎo)數(shù)可得：

可見，在所考察的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對接頭抗拉強(qiáng)度的影響是線性的，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度下降。圖4為焊接速度v=50mm/min，軸肩下壓量d=0.2mm時，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω從300r/min增加到400r/min，接頭抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。

對于7050這類熱處理強(qiáng)化鋁合金而言，若攪拌摩擦焊過程中熱影響區(qū)經(jīng)歷的溫度超過母材人工時效的溫度后，其中的強(qiáng)化相將會發(fā)生溶解，并且伴有晶粒的長大，導(dǎo)致接頭軟化，降低了硬度、強(qiáng)度。在其他工藝參數(shù)不變的前提下，提高攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度，接頭的熱輸入增大，經(jīng)歷的溫度升高，接頭抗拉強(qiáng)度下降。

3.2 焊接速度對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

由式（2），求接頭抗拉強(qiáng)度b關(guān)于焊接速度的偏導(dǎo)數(shù)可得：

可見，在所考察的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，焊接速度對抗拉強(qiáng)度的影響是非線性的。隨著焊接速度v的增加，接頭抗拉強(qiáng)度先升高后降低，在v=50mm/min時，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到峰值。圖5為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=350r/min，軸肩下壓量d=0.2mm時，焊接速度從30mm/min增加到70mm/min，接頭抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。

焊接速度可以表征焊接過程中的材料流入焊縫的速度。Pasquale[8]等人的研究結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)增加焊接速度可以細(xì)化焊核區(qū)晶粒，改善接頭焊核區(qū)、熱-機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)之間的結(jié)合狀態(tài)，提高接頭的強(qiáng)度和硬度。但是焊接速度過高時，不僅不能進(jìn)一步細(xì)化晶粒，反而會使晶粒粗化，接頭力學(xué)性能變差。這與攪拌摩擦焊過程中，材料的熱塑化程度和流動狀態(tài)相關(guān)。

3.3 軸肩下壓量對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

由式（2），求接頭抗拉強(qiáng)度b關(guān)于軸肩下壓量的偏導(dǎo)數(shù)可得：

可見，在所考察的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，軸肩下壓量對抗拉強(qiáng)度的影響也是非線性的，隨著軸肩下壓量的增大，接頭抗拉強(qiáng)度持續(xù)提高。圖6為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=350r/min，焊接速度v=50mm/min，軸肩下壓量d從0.1mm增加到0.3mm，接頭抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律。

攪拌摩擦焊過程中，軸肩對被焊材料有兩個方面的作用，即頂鍛作用和攪拌作用。軸肩下壓量的大小直接影響軸肩對試件上表面壓力的大小，進(jìn)而影響攪拌頭與工件之間的摩擦產(chǎn)熱效率，進(jìn)而改變焊縫的熱輸入。下壓量較小時，軸肩對材料的頂鍛作用較小，且焊縫的熱輸入低，不利于熱塑化金屬的流動，接頭強(qiáng)度低。隨著軸肩下壓量的增大，這種情況得到改善，接頭強(qiáng)度提高。本試驗中，由于攪拌針長度的限制，軸肩下壓量最大只能為0.3mm。但是可以預(yù)見，接頭的抗拉強(qiáng)度不可能隨著軸肩下壓量的增加而一直增大。這是因為，下壓量超過一定值后，繼續(xù)提高下壓量會使焊縫的熱輸入過高，材料過渡軟化甚至發(fā)生局部熔化，流動狀態(tài)改變，降低接頭的強(qiáng)度。

3.4 熱輸入對接頭抗拉強(qiáng)度的影響

攪拌摩擦焊過程中，焊接熱輸入由摩擦產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱兩部分構(gòu)成。大量文獻(xiàn)研究表明，摩擦產(chǎn)熱在熱輸入中占有的比重很大。于是，在忽略變形產(chǎn)熱的前提下，攪拌摩擦焊的熱輸入可以由式（6）表示[9]。

其中，為輸入工件的總的熱功率，μ為攪拌頭與工件之間的摩擦系數(shù)，0和1分別為軸肩半徑和攪拌針半徑，和分別為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，為焊接壓力。μ可視為與材料狀態(tài)有關(guān)的常數(shù)，而攪拌頭選定后，0和1也為常數(shù)。焊接壓力與軸肩下壓量具有相關(guān)關(guān)系，軸肩下壓量固定時，焊接壓力也固定。由前文分析可知，選用大的軸肩下壓量時，接頭的抗拉強(qiáng)度高?，F(xiàn)固定軸肩下壓量為0.3mm，則焊接壓力可視為常數(shù)。那么，攪拌摩擦焊熱輸入的高低就可用（/）的大小來表征。

圖7表示了接頭抗拉強(qiáng)度與焊接熱輸入之間的關(guān)系?？梢?，焊接熱輸入過高或過低時，接頭抗拉強(qiáng)度均較低，焊接熱輸入適中時，得到的接頭的抗拉強(qiáng)度最高。并且，在相同的熱輸入條件下，低攪拌頭轉(zhuǎn)速與低焊接速度的組合得到的接頭的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于高攪拌頭轉(zhuǎn)速與高焊接速度的組合。

圖7 接頭抗拉強(qiáng)度與熱輸入的關(guān)系

3.5 焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

通過回歸方程（2）以及式（3）、式（4）、式（5）計算得到的所考察工藝參數(shù)范圍內(nèi)的最優(yōu)參數(shù)組合及所對應(yīng)的接頭抗拉強(qiáng)度如表8所示。由此工藝參數(shù)焊接得到的FSW接頭的抗拉強(qiáng)度也列于表8中。

表8 優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)及接頭的抗拉強(qiáng)度

由表8可見，采用優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)進(jìn)行7050-T7451鋁合金的攪拌摩擦焊，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到430MPa，與回歸方程的計算結(jié)果438MPa基本相符。這說明運用式（2）模型來表征7050-T7451鋁合金FSW工藝參數(shù)與接頭抗拉強(qiáng)度之間的關(guān)系是可靠的。

4 結(jié)束語

a. 通過回歸分析建立了7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊主要工藝參數(shù)與接頭抗拉強(qiáng)度之間的回歸模型，定量描述了二者之間的關(guān)系。

b. 在本文所考察的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度下降；隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強(qiáng)度先升高后降低，存在峰值；隨著軸肩下壓量的增加，接頭抗拉強(qiáng)度升高。

c. 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度=300r/min，焊接速度=50mm/min，軸肩下壓量=0.3mm時，得到的接頭的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值430MPa。

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Study on Friction Stir Welding of 7050-T7451 Aluminum Alloy Based on Regression Analysis

Zhang Xin Han Dong Wu Jun Yin Kai

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025)

The effect of friction stir welding process parameters on tensile strength of 7050-T7451 aluminum alloy plate with 20mm thickness was studied through regression analysis. The regression model between tensile strength of welded joint and welding process parameters (tool rotational speed, welding speed and plunge depth of shoulder) is established and analyzed. The results show that the tensile strength decrease with the increase of tool rotational speed; the relationship between tensile strength and welding speed first goes up and then falls down; the tensile strength increase with the increase of plunge depth of shoulder. Under the optimum parameters, the tensile strength of the joint can reach 430MPa.

friction stir welding；welding process parameters；tensile strength

張鑫（1990），碩士，材料科學(xué)與工程專業(yè)；研究方向：金屬材料成型及控制。

2017-12-21