不同條件對(duì)摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響

鄭勇樂(lè)，閆崇京

（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）

0 前言

摩擦塞焊（Friction Plug welding）是1995年由英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種新型固相補(bǔ)焊技術(shù)。其基本原理為：在一定的壓力、扭矩作用下，通過(guò)塞棒與塞板的相對(duì)旋轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，使得塞孔孔壁與塞棒在接觸界面摩擦產(chǎn)生摩擦熱和塑性變形熱，待其擴(kuò)散至塞孔孔壁的附近區(qū)域，使得該區(qū)域的溫度逐漸上升到一般低于熔點(diǎn)的溫度區(qū)間（0.6～0.9Tm），隨著溫度的升高，材料的屈服強(qiáng)度會(huì)逐漸降低、而塑性會(huì)逐漸提高，進(jìn)一步在頂鍛壓力的作用下，伴隨著材料塑性變形區(qū)域不斷擴(kuò)散直至發(fā)生金屬塑性流動(dòng)，在摩擦界面發(fā)生分子擴(kuò)散和再結(jié)晶而實(shí)現(xiàn)連接的固態(tài)焊接方法[1]。

摩擦焊接接頭的成形質(zhì)量主要取決于準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)以及頂鍛階段。但是相對(duì)于其他階段，第一階段的焊接過(guò)程是極其復(fù)雜的，而其所占的產(chǎn)熱比例只有10%[2]，因此學(xué)者們?cè)谘芯恐写蠖噙x擇用簡(jiǎn)單的庫(kù)倫摩擦產(chǎn)熱模型或直接忽略的方法來(lái)處理該階段的產(chǎn)熱，從而導(dǎo)致對(duì)于這一階段的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，也造成了接頭成形機(jī)制基礎(chǔ)理論方面的不完善。

李鵬[3]對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦焊第一階段進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)在45#碳鋼的焊接過(guò)程中存在摩擦扭矩平臺(tái)現(xiàn)象。Kimura[4-7]對(duì)于碳鋼類(lèi)材料的旋轉(zhuǎn)摩擦焊焊接過(guò)程中的摩擦扭矩、產(chǎn)熱機(jī)制進(jìn)行了深入的研究，甚至提出其可以不進(jìn)行第二階段即完成焊接。目前對(duì)于摩擦塞焊的研究相對(duì)較少，尤其是第一階段的研究更是少之又少。因此很有必要對(duì)摩擦塞焊的第一階段進(jìn)行深入研究。

本研究首先建立了摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的數(shù)學(xué)模型，其次以7075-T6鋁合金作為試驗(yàn)材料，在焊接進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速以及塞棒錐角等不同條件下，進(jìn)行了多組摩擦塞焊試驗(yàn)系列，采集試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦扭矩，后期整理相關(guān)數(shù)據(jù)，最后分析得到不同條件對(duì)摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響。

1 第一階段摩擦扭矩模型

摩擦塞焊第一階段時(shí)，材料并未發(fā)生塑性變形和材料流動(dòng)，可以通過(guò)建立摩擦扭矩的數(shù)學(xué)模型研究不同條件對(duì)摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響。設(shè)圓臺(tái)體塞棒錐角為2α，側(cè)面受力為P1，根部和端部的半徑分別為R1和R1（見(jiàn)圖1）。則半徑r、厚度為d s的微環(huán)受到的摩擦力為

式中 μ為摩擦系數(shù)。

圖1 塞棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦扭矩分析

塞棒在側(cè)面微環(huán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦扭矩為

因此塞棒旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的摩擦扭矩為

通過(guò)對(duì)摩擦塞焊第一階段建立的摩擦扭矩模型（見(jiàn)式（3））可知，第一階段摩擦扭矩與摩擦系數(shù)、壓力以及塞棒錐角、孔徑等因素有關(guān)。其中摩擦系數(shù)在焊接過(guò)程中與摩擦速度、壓力等因素相關(guān)。因此，為更清晰地了解不同條件下對(duì)摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響，還需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)以進(jìn)一步詳細(xì)分析。

2 試驗(yàn)材料、設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

供摩擦塞焊焊接試驗(yàn)所用的鋁板與塞棒的形狀尺寸如圖2所示，兩者材料均為7075鋁合金，供貨狀態(tài)為T(mén)6，其化學(xué)成分如表1所示。

圖2 摩擦塞焊焊接工件的形狀與尺寸

表1 7075-T6鋁合金的化學(xué)成分 %

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

自主研發(fā)的頂鍛式摩擦塞焊焊接設(shè)備如圖3所示，其主要參數(shù)如表2所示。該設(shè)備基本滿(mǎn)足本試驗(yàn)的基本要求，只需在原有的設(shè)備上加裝部分采集系統(tǒng)完成對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集工作。

表2 設(shè)備主要參數(shù)

圖3 頂鍛式摩擦塞焊焊接設(shè)備

2.3 試驗(yàn)方法及過(guò)程

焊接塞棒以一定的轉(zhuǎn)速向下進(jìn)給，當(dāng)塞棒端部與鋁板的塞孔側(cè)壁開(kāi)始接觸時(shí)，即進(jìn)入焊接摩擦塞焊的第一階段——摩擦功產(chǎn)熱，隨著摩擦產(chǎn)熱的積累逐漸進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段——塑性功產(chǎn)熱，然后保持一定的軸向頂鍛力3 s，最后停止頂鍛，摩擦塞焊焊接結(jié)束。利用扭矩傳感器及記錄儀采集整個(gè)過(guò)程中的摩擦扭矩?cái)?shù)據(jù)，后期制作扭矩變化曲線并進(jìn)行分析。

綜合摩擦塞焊焊接接頭的質(zhì)量主要與塞棒的進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速以及塞棒錐角等因素緊密相關(guān)，針對(duì)以上因素設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，討論不同條件下第一階段摩擦扭矩的規(guī)律。試驗(yàn)材料形狀尺寸如圖1所示，不同條件下的組合試驗(yàn)見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)參數(shù)

①為研究不同工藝參數(shù)對(duì)第一階段摩擦扭矩的影響，控制塞棒與塞孔的錐角為50°不變，分別在不同焊接進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速下進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

②為研究塞棒錐角對(duì)第一階段摩擦扭矩的影響，控制塞棒焊接進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速一定，改變?nèi)襞c塞孔的錐角進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

同時(shí)考慮到每次試驗(yàn)可能存在一定隨機(jī)誤差，為了保證試驗(yàn)的可靠性，每組參數(shù)都是需要進(jìn)行多次試驗(yàn)，后期整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行最后的分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 不同工藝參數(shù)下的摩擦扭矩曲線變化規(guī)律

在不同焊接轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度條件下摩擦扭矩變化曲線如圖4所示，即試驗(yàn)系列①。峰值時(shí)刻的扭矩即峰值扭矩是區(qū)分摩擦焊焊接過(guò)程不同階段的重要標(biāo)志，當(dāng)摩擦扭矩從零開(kāi)始逐漸增大至峰值扭矩時(shí)為摩擦塞焊的第一階段，此后進(jìn)入第二階段——準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段[3]。

圖4 不同焊接轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度下的摩擦扭矩曲線

李鵬[3]、Luo等人[8]分別在對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦焊、連續(xù)驅(qū)動(dòng)摩擦焊的研究中，均發(fā)現(xiàn)了在第一階段中產(chǎn)熱功率近似線性增加。由圖4中第一階段摩擦扭矩變化曲線可以看出，在不同工藝參數(shù)下摩擦塞焊第一階段的摩擦扭矩均呈近似線性增長(zhǎng)至峰值扭矩。因此對(duì)于摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩線性變化也可以合理的提出：在摩擦塞焊第一階段產(chǎn)熱功率線性化的假設(shè)。

在第一階段中的摩擦阻抗先后存在3種基本類(lèi)型：磨損（Wear）、滑動(dòng)摩擦（Slide）和黏著摩擦（Stick）。由于摩擦扭矩作為摩擦阻抗的一種表征形式，因此3種不同類(lèi)型的摩擦阻抗體現(xiàn)在摩擦扭矩變化曲線上也會(huì)有一定的差異性。

一方面，幾乎在所有條件下第一階段摩擦扭矩變化曲線都呈現(xiàn)出一定的階段性特征：摩擦扭矩變化曲線開(kāi)始以較小變化率持續(xù)一段時(shí)間，然后變化率迅速增大并持續(xù)一段時(shí)間，最后再以一不同的變化率持續(xù)一段時(shí)間至達(dá)到峰值扭矩。

這是因?yàn)樵诓煌Σ翙C(jī)制下摩擦扭矩的變化速度各不相同，在塞棒與塞孔剛剛接觸摩擦?xí)r，由于接觸界面存在微小突起，導(dǎo)致剛開(kāi)始的摩擦面積小于實(shí)際面積即發(fā)生磨損摩擦階段，此時(shí)摩擦扭矩的變化率也較??；隨著摩擦面積逐漸增大至與實(shí)際面積相等進(jìn)入滑動(dòng)摩擦階段，摩擦扭矩的變化率有所提高；持續(xù)一段時(shí)間后，隨著溫度的升高摩擦界面金屬發(fā)生黏著，同時(shí)又不斷被旋轉(zhuǎn)的塞棒剪斷即發(fā)生黏著摩擦階段，相應(yīng)的摩擦扭矩變化率也會(huì)有所不同。第一階段摩擦扭矩的變化率呈現(xiàn)出的階段性特征可以很好的表征磨損摩擦、滑動(dòng)摩擦、黏著摩擦這3種基本類(lèi)型的摩擦機(jī)制的存在。

另一方面，隨著焊接轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的不斷增大，可以發(fā)現(xiàn)在摩擦扭矩曲線中“磨損”持續(xù)的時(shí)間在不斷的減少，當(dāng)焊接轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度增大到一定值時(shí)，甚至是從摩擦扭矩變化曲線中“消失”了。這是因?yàn)殡S著轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度的增大，接觸界面的微小突起等會(huì)迅速地被磨平，很快進(jìn)入了“滑動(dòng)摩擦”的階段。

3.2 不同工藝參數(shù)對(duì)峰值扭矩和達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間的影響

峰值扭矩和達(dá)到峰值扭矩所需的時(shí)間是完成第一階段進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段的兩個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)系列試驗(yàn)①，統(tǒng)計(jì)每組試驗(yàn)中的峰值扭矩、達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間以及相應(yīng)的工藝參數(shù)，制作峰值扭矩和達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間與工藝參數(shù)的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 焊接進(jìn)給速度、轉(zhuǎn)速對(duì)峰值扭矩及到達(dá)峰值扭矩所需時(shí)間的影響

由圖5a可知，一方面，隨著焊接進(jìn)給速度的增大，無(wú)論在何種焊接轉(zhuǎn)速下達(dá)到峰值扭矩所需的時(shí)間均在逐漸減少；另一方面，在任一焊接進(jìn)給速度下，隨著焊接轉(zhuǎn)速的增大，達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間也相應(yīng)減小。這是因?yàn)闊o(wú)論是焊接進(jìn)給速度還是焊接速度的增加都會(huì)使接觸界面摩擦產(chǎn)熱功率得到一定的提升，更快地完成進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)階段所需的熱積累，因此相應(yīng)減少第一階段所需時(shí)間。但當(dāng)焊接進(jìn)給速度或轉(zhuǎn)速增大到一定程度時(shí)，完成第一階段所需時(shí)間會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5b可知，焊接進(jìn)給速度和轉(zhuǎn)速對(duì)峰值扭矩的影響規(guī)律不同。在焊接轉(zhuǎn)速相同時(shí)，隨著焊接進(jìn)給速度的增大，峰值扭矩相應(yīng)的也會(huì)有所增大；但是，在同一焊接進(jìn)給速度時(shí)，隨著焊接轉(zhuǎn)速的增大，峰值扭矩并沒(méi)有增大卻有所減小。

3.3 塞棒錐角對(duì)峰值扭矩和達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間的影響

在焊接轉(zhuǎn)速3 500r/min、進(jìn)給速度120 mm/min的條件下，研究α/β變化時(shí)摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的變化，即試驗(yàn)系列②，其中，當(dāng)α為40°、50°以及60°時(shí)一例的摩擦扭矩變化曲線如圖6a所示?？梢钥闯觯谶_(dá)到峰值扭矩之前，塞棒錐角越大，摩擦扭矩稍大一些，這與建立的摩擦扭矩模型相符，但在峰值時(shí)刻的摩擦扭矩基本都差不多，達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間也只有略微的差別。進(jìn)一步將試驗(yàn)系列②中所有試驗(yàn)條件下的峰值扭矩以及達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間的進(jìn)行整理，如圖6b所示。

在圖6b中，當(dāng)α從40°到50°時(shí)，峰值扭矩出現(xiàn)了略微的下降，而當(dāng)α從50°到60°時(shí)，峰值扭矩又出現(xiàn)些許的回升，錐角的變化幾乎不會(huì)對(duì)峰值扭矩產(chǎn)生顯著的影響，且達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間的變化也是十分的微弱。這是因?yàn)樵诮咏瓿傻谝浑A段時(shí)接觸界面的狀態(tài)已經(jīng)發(fā)生了較為明顯的塑化變形，同時(shí)摩擦界面的位置也發(fā)生了些許的偏移，這才導(dǎo)致僅出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）在不同工藝參數(shù)下第一階段摩擦扭矩均呈近似線性變化，可以合理的提出摩擦塞焊第一階段產(chǎn)熱功率線性化的假設(shè)，并且當(dāng)在大進(jìn)給速度、高轉(zhuǎn)速下的線性化表現(xiàn)則更加顯著。

（2）達(dá)到峰值扭矩所需的時(shí)間隨著焊接進(jìn)給速度或轉(zhuǎn)速的增大會(huì)相應(yīng)的減少；峰值扭矩隨著進(jìn)給速度的增大而增大，卻隨著焊接轉(zhuǎn)速的增大而減小。

（3）隨著塞棒錐角增大，在完成第一階段之前的摩擦扭矩相應(yīng)的有所提高，但對(duì)峰值扭矩和達(dá)到峰值扭矩所需時(shí)間的影響是非常微弱的。

圖6 接觸界面面積對(duì)峰值扭矩和達(dá)到峰值扭矩所需的時(shí)間的影響