攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)軸向壓力的影響研究

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型的固相連接技術(shù)，因其具有變形小、無(wú)煙塵和飛濺、焊接質(zhì)量高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在航空航天、電力電子、軌道交通、船舶等行業(yè)領(lǐng)域的鋁合金焊接中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。

攪拌摩擦焊接過(guò)程是一個(gè)熱力耦合作用下的復(fù)雜過(guò)程，與熔焊相比，F(xiàn)SW過(guò)程中力學(xué)因素的影響更為重要。研究攪拌工具對(duì)焊縫的作用力，對(duì)于弄清攪拌摩擦焊焊縫成形機(jī)理，優(yōu)化焊接工藝，設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊設(shè)備以及實(shí)現(xiàn)恒壓力控制都具有重要意義[3-5]。

本研究研制了一套攪拌摩擦焊軸向壓力檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)焊接過(guò)程中軸向壓力的動(dòng)態(tài)檢測(cè)和分析，研究焊接工藝參數(shù)對(duì)軸向壓力的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)采用5A06-H112鋁合金試板進(jìn)行焊接，試板尺寸300 mm×100 mm×6 mm。5A06-H112鋁合金材料主要成分如表1所示。

表1 5A06鋁合金的化學(xué)成分%

試驗(yàn)設(shè)備選用FSW-LM2-1012型攪拌摩擦焊機(jī)，旋轉(zhuǎn)速度 0～2 500 r/min，焊接速度 0～2 000 mm/min，鋁合金最大焊接厚度12 mm。選用的攪拌工具為圓錐帶螺紋攪拌針+內(nèi)凹錐面軸肩結(jié)構(gòu)，其中攪拌針長(zhǎng)5.7 mm，軸肩直徑18 mm，攪拌工具外形如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)用攪拌工具

焊接過(guò)程中，使用自制的攪拌摩擦焊軸向壓力測(cè)力平臺(tái)完成軸向壓力信號(hào)的檢測(cè)，檢測(cè)原理如圖2所示。

圖2 FSW軸向壓力檢測(cè)原理

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)軸向壓力的影響

保持焊接速度200 mm/min，下壓量0.2 mm固定不變，分別采用 400 r/min、600 r/min、800 r/min、1 000 r/min和1 200 r/min的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行攪拌摩擦焊接，同時(shí)采用測(cè)力平臺(tái)檢測(cè)和記錄焊接過(guò)程的軸向壓力，分析旋轉(zhuǎn)速度對(duì)軸向壓力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)速度對(duì)軸向壓力的影響

由圖3可知，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為400r/min時(shí)，軸向壓力最大為6 kN；當(dāng)焊接速度增加到600 r/min時(shí)，軸向壓力迅速降低，為4.8 kN；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min時(shí)，軸向壓力約為3.4 kN；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min時(shí)，軸向壓力約為3.0 kN；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)一步增大至1 200 r/min時(shí)，軸向壓力最小，約為2.4 kN。

圖3表明隨著攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度的增大，攪拌摩擦焊焊縫成形所需要的軸向壓力逐漸減小。原因在于隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，在保持焊接速度和下壓量固定不變的條件下，焊接過(guò)程中的熱輸入增加，攪拌工具周?chē)牧显跓嶙饔孟缕渌苄浴④浕潭仍黾?，因此僅需要較小的力就能形成良好的致密焊縫，因此軸向壓力表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)。

2.2 焊接速度對(duì)軸向壓力的影響

保持?jǐn)嚢韫ぞ咝D(zhuǎn)速度600r/min，下壓量0.2mm不變，分別采用100mm/min、150mm/min、200mm/min、250 mm/min和300 mm/min的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行攪拌摩擦焊接，同時(shí)采用測(cè)力平臺(tái)檢測(cè)和記錄焊接過(guò)程的軸向壓力，分析焊接速度對(duì)軸向壓力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，焊接速度為100mm/min時(shí)，軸向壓力最小，約2.7 kN；當(dāng)焊接速度增加到150mm/min，軸向壓力迅速變大，約4.1 kN；當(dāng)焊接速度為200mm/min時(shí)，軸向壓力約為4.8 kN；當(dāng)焊接速度為250 mm/min時(shí)，軸向壓力約為5.5 kN；當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增大至300 mm/min時(shí)，軸向壓力最大，約為6.0 kN。

圖4 焊接速度對(duì)軸向壓力的影響

圖4表明隨著焊接速度的增加，攪拌摩擦焊焊縫成形所需的軸向壓力逐漸增大。由于下壓量和攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度保持不變，因此由攪拌工具不斷旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的與母材之間的摩擦熱基本保持不變，即單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)熱不變，那么隨著焊接速度的加快，單位長(zhǎng)度焊縫上所分配的熱量就表現(xiàn)為逐漸減小的趨勢(shì)，單位長(zhǎng)度上的母材塑化、軟化程度降低，剛性增強(qiáng)，因此必須施加足夠大的軸向壓力才能形成高質(zhì)量的焊縫，所以在此過(guò)程中軸向壓力表現(xiàn)為逐漸增大的趨勢(shì)。

2.3 下壓量對(duì)軸向壓力的影響

保持?jǐn)嚢韫ぞ咝D(zhuǎn)速度為600 r/min，焊接速度200 mm/min固定不變，分別采用0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm和0.30 mm的下壓量進(jìn)行攪拌摩擦焊接，同時(shí)采用測(cè)力平臺(tái)檢測(cè)和記錄焊接過(guò)程的軸向壓力，分析下壓量對(duì)軸向壓力的影響規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

圖5 下壓量對(duì)軸向壓力的影響

由圖5可知，當(dāng)軸向壓入量為0.10mm時(shí)，軸向壓力最小，約為3.0kN；隨著軸向壓入量增加至0.15 mm，軸向壓力迅速變大，約為3.5 kN；當(dāng)軸向壓入量為0.20 mm時(shí)，軸向壓力約為4.8 kN；當(dāng)軸向壓入量為0.25 mm時(shí)，軸向壓力約為5.2 kN；當(dāng)軸向壓入量進(jìn)一步增大至0.30mm時(shí)，軸向壓力最大，約為6.0kN。

圖5表明隨著焊接過(guò)程下壓量的增大，攪拌摩擦焊過(guò)程的軸向壓力逐漸增大。在保持?jǐn)嚢韫ぞ咝D(zhuǎn)速度和焊接速度恒定的條件下，單位時(shí)間內(nèi)單位長(zhǎng)度母材上的熱輸入量基本保持不變，那么攪拌工具附近材料發(fā)生塑化、軟化的程度相近，在這種條件下軸向壓力的大小只與下壓量相關(guān)。理論上來(lái)講，使攪拌工具在軸向發(fā)生相同位移所需軸向壓力應(yīng)基本一致，即軸向壓力與下壓量應(yīng)具有大致的線性關(guān)系。

2.4 軸向壓力影響因素正交試驗(yàn)

為明確攪拌摩擦焊過(guò)程中各工藝參數(shù)對(duì)軸向壓力的影響效果，設(shè)計(jì)了正交試驗(yàn)表格并對(duì)軸向壓力進(jìn)行檢測(cè)與分析，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，當(dāng)改變攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，極差R為2.92；當(dāng)改變焊接速度時(shí)，R為2.06；當(dāng)改變下壓量時(shí)，R為1.70。因此攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度對(duì)軸向壓力的影響最大，焊接速度次之，最后是下壓量。

2.5 軸向壓力對(duì)焊縫力學(xué)性能的影響

保持?jǐn)嚢韫ぞ咝D(zhuǎn)速度600 r/min、焊接速度200 mm/min固定不變，通過(guò)施加不同軸向壓力研究其對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響，結(jié)果如圖6所示。

圖6 軸向壓力對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響

由圖6可知，當(dāng)軸向壓力為3.8 kN時(shí)，焊縫的抗拉強(qiáng)度較差，為177MPa，僅達(dá)到母材強(qiáng)度的50.1%；當(dāng)軸向壓力為4.3 kN時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度顯著提高，為318.6 MPa，達(dá)到母材的90.2%；繼續(xù)增加軸向壓力至4.8 kN和5.3 kN時(shí)，焊縫抗拉強(qiáng)度保持緩慢上升的趨勢(shì)，均達(dá)到335 MPa，為母材強(qiáng)度的94.8%；隨后進(jìn)一步增加軸向壓力至5.8kN和6.3kN，焊縫抗拉強(qiáng)度繼續(xù)微弱增加，分別為342.8MPa和345MPa，達(dá)到母材強(qiáng)度的97.0%和97.7%。觀察軸向壓力為3.8 kN和4.8 kN時(shí)接頭的宏觀形貌發(fā)現(xiàn)：當(dāng)軸向壓力為3.8 kN時(shí)，焊縫內(nèi)部出現(xiàn)嚴(yán)重的隧道缺陷，該缺陷導(dǎo)致接頭力學(xué)性能大幅下降；當(dāng)軸向壓力為 4.8 kN時(shí)，焊縫結(jié)構(gòu)完好，組織致密，因此力學(xué)性能良好，如圖7所示。

表2 工藝參數(shù)對(duì)軸向壓力的影響正交試驗(yàn)

圖7 接頭宏觀形貌

3 結(jié)論

（1）在保持其他焊接工藝參數(shù)恒定的條件下，攪拌摩擦焊過(guò)程的軸向壓力隨攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度的增加而減小，隨焊接速度的增加而增大，隨下壓量的增加而增大。

（2）各焊接工藝參數(shù)對(duì)軸向壓力的影響程度不同，攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度對(duì)軸向壓力的影響最大，焊接速度次之，軸向壓入量影響最小。

（3）軸向壓力大于4.8kN時(shí)，焊縫力學(xué)性能良好。

[1]柯黎明，邢麗，劉鴿平，等.攪拌摩擦焊工藝及應(yīng)用[J].焊接技術(shù)，2000，29（2）：6-9.

[2]Dawes C，Thomas W M.Friction stir joining of Aluminum alloys[R].TWI，1995（6）：12-34.

[3]Masatoshi Enomoto.Application of friction stir welding for Al alloy[J].Light Metal Welding and Construction，1998，36（2）：75-79.

[4]張昭，劉亞麗，張洪武.軸向載荷變化對(duì)攪拌摩擦焊接工程中材料變形和溫度分布的影響[J].金屬學(xué)報(bào)，2007，43（8）：868-874.

[5]王希靖，韓道彬，張忠科.攪拌摩擦焊過(guò)程中下壓力的檢測(cè)及影響因素[J].焊接，2008（9）：22-25.