一種塑制汽車離合器泵的旋轉(zhuǎn)摩擦焊接工藝參數(shù)的設(shè)計方法

盛 精 解若愚

1.廈門理工學(xué)院福建省客車先進設(shè)計與制造重點實驗室，廈門，3610242.廈門理工學(xué)院福建省客車及特種車輛研發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廈門，361024

0 引言

隨著汽車的節(jié)能、環(huán)保要求而引發(fā)的汽車輕量化需求增加,以及高性能工程塑料的不斷涌現(xiàn),車用塑料件替代金屬件已經(jīng)成為一種趨勢。汽車塑制件的摩擦焊接是一種經(jīng)濟、高效、環(huán)保的焊接工藝技術(shù)[1]，許多塑料制件往往要通過旋轉(zhuǎn)摩擦焊接工藝成為一個汽車零部件。具體而言，摩擦焊接是在恒定或遞增壓力以及扭矩的作用下，利用焊接接觸端面之間的相對運動在摩擦面及其附近區(qū)域產(chǎn)生摩擦熱和塑形變形熱，通過界面的分子擴散和再結(jié)晶實現(xiàn)的。因此，在焊接過程中，只有合理地設(shè)計焊接參數(shù)，才能使焊接件的焊接面部位完全融化或塑性變形充分后完全融合，實現(xiàn)塑制零件組合成為一個部件的目標(biāo)。

金屬零件的摩擦焊接成為研究熱點[2-3]，而塑制零件的摩擦焊接尚不多見。TAPPE等[4]研究了旋轉(zhuǎn)摩擦階段焊接參數(shù)和材料對焊接區(qū)域溫度的影響，討論了焊接參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響；KENNEY等[5]給出了幾種焊接頭的結(jié)構(gòu)形式并對其特性進行了討論；CRAWFORD等[6]研究了4種不同熱塑性塑料的旋轉(zhuǎn)焊接過程；STOKES等[7]分析了熱塑性塑料的旋轉(zhuǎn)焊接過程并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)分析模型；POSLINSK等[8]研究了熱塑性塑料在旋轉(zhuǎn)焊接的穩(wěn)定性熔化階段黏度的變化影響。上述對旋轉(zhuǎn)焊接技術(shù)的研究側(cè)重于機理方面，涉及解決工程技術(shù)問題的并不多見。眾所周知，摩擦旋轉(zhuǎn)焊接件焊縫的焊接強度是焊接工藝的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文圍繞一種汽車離合器泵塑料部件的上下泵體旋轉(zhuǎn)焊接工藝參數(shù)設(shè)計，開展焊接參數(shù)之間的耦合關(guān)系的研究，探索一種焊接參數(shù)的設(shè)計方法，最后將研究成果通過數(shù)控設(shè)備應(yīng)用于塑料零件的焊接，實現(xiàn)塑制零部件生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化。

1 上下泵體摩擦面溫度預(yù)測模型的建立

1.1 實驗設(shè)計

本文研究的離合器泵所用塑料為PAMXD6，其結(jié)構(gòu)由上泵體(圖1)與下泵體(圖2)組成。

圖1 離合器泵的上泵體Fig.1 Upper pump body of the clutch pump

圖2 離合器泵的下泵體Fig.2 Lower pump body of the clutch pump

擬采用人工熱電偶測溫法(熱電偶型號TT-K-36)測量焊接面的焊接溫度。為便于測溫，在圖3a所示位置將塑料泵的下泵體上開通一個直徑為1.5 mm的測溫孔，通過測溫孔放入熱電偶的熱端使其與摩擦面接觸；按圖3b所示將上泵體與與下泵體固定在夾具內(nèi)，啟動旋轉(zhuǎn)焊接機后，主軸帶動上泵體旋轉(zhuǎn)下移，直至與下泵體接觸并開始焊接。記錄下溫度顯示儀中出現(xiàn)的溫度值后，通過數(shù)據(jù)處理獲取摩擦面焊接溫度值。

圖3 旋轉(zhuǎn)摩擦焊接測溫實驗Fig.3 Temperature measurement experiment of rotating friction welding

1.2 試驗方法

響應(yīng)曲面法(RSM)[9]是對一個或多個響應(yīng)受多個因素影響的問題進行建模和分析的有效方法。面向數(shù)控塑料旋轉(zhuǎn)焊接機可調(diào)的焊接工藝參數(shù)，本文采用響應(yīng)曲面法，選取對摩擦溫度影響顯著的轉(zhuǎn)速、熔接壓力、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)3個工藝參數(shù)進行研究，在建立摩擦面溫度與焊接參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型的基礎(chǔ)上，完成焊接參數(shù)的設(shè)計。

從設(shè)計域、計算精度和方案可行性等方面綜合考慮，試驗方案通過二次回歸正交設(shè)計確定。采用長榮EGP-3P塑料旋轉(zhuǎn)焊接機，基于設(shè)備條件，選擇主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)3個參數(shù)作為離合器泵體的焊接工藝參數(shù)。結(jié)合工藝手冊上的推薦值和實際加工經(jīng)驗，確定試驗中各工藝參數(shù)的變化范圍如下：轉(zhuǎn)速1 000～3 000 r/min，熔接壓力0～6 MPa，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)12～28。

1.3 摩擦面溫度預(yù)測模型的構(gòu)建

考慮交互效應(yīng)和二次效應(yīng)，選用三因素二水平響應(yīng)曲面模型，其表達式為

(4)

式中，xi分別為主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力、旋轉(zhuǎn)圈數(shù);βi為單個試驗因素效應(yīng)系數(shù);βij為兩個試驗因素交互效應(yīng)系數(shù);βii為單個試驗因素二次效應(yīng)系數(shù),i,j=1,2,3。

為方便統(tǒng)一處理，需要進行編碼變換，將自變量的變化范圍轉(zhuǎn)換為[-1，1]，編碼表達式為

Z0j=(Z1j-Z2j)/2

(1)

Δj=(Z2j-Z0j)/r

(2)

xij=(Zij-Z0j)/Δj

(3)

其中，Z0j為零水平，Z1j為下水平,Z2j為上水平，Δj為間隔，xij為水平量。查表知正交規(guī)范基r=1.215。編碼后的因素水平見表1。

表1 試驗因素編碼表

選取合適的正交表，將編碼水平按表2所示進行排列，并依照表中順序，依次測取摩擦面溫度，表2中，Z0為常數(shù)；Z10為焊接轉(zhuǎn)速的編碼；Z2為熔接壓力的編碼；Z3為旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的編碼;θ為摩擦面溫度。

對表2中的試驗數(shù)據(jù)進行處理，可得回歸方程，然后將編碼空間轉(zhuǎn)換到自然空間，整理后得到主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)三因素對摩擦面溫度θ的二階響應(yīng)曲面模型(摩擦面溫度的預(yù)測模型):

θ=225.093 4+0.017n+75.505 6p+17.544 9R+
0.000 4np+0.000 3nR-1.1974pR+8.498 0×
10-7n2-5.010 2p2-0.252 5R2

(5)

表2 摩擦面溫度二次回歸正交設(shè)計試驗表

1.4 摩擦面預(yù)測模型的回歸分析

為了對主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與摩擦表面溫度之間的回歸方程進行顯著性檢驗，需要對式(5)中的一次項、二次項進行方差分析，分析結(jié)果見表3。

表3 回歸方程的方差分析

比較分析表3中F值與F0.05發(fā)現(xiàn)，主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對摩擦表面溫度的影響都顯著，其中主軸轉(zhuǎn)速的影響最大，在各因素中起主導(dǎo)作用；旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對摩擦表面溫度的影響程度次之，熔接壓力對摩擦表面溫度的影響程度較小。此外，熔接壓力與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的交互作用對摩擦表面溫度的影響較為顯著，而主軸轉(zhuǎn)速與熔接壓力的交互作用、主軸轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的交互作用對摩擦表面溫度影響并不十分明顯。再者，主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的二次效應(yīng)對摩擦表面溫度的影響也不顯著。從二次回歸效果來看，建立的二階響應(yīng)回歸方程是高度顯著的，即焊接面摩擦溫度的模型是可信的。

2 摩擦焊接參數(shù)耦合模型的創(chuàng)建

2.1 泵體材料熔點的測定

根據(jù)摩擦焊接機理，為提高焊接質(zhì)量，獲取塑制離合器泵旋轉(zhuǎn)焊接的最優(yōu)工藝參數(shù)，需要得到材料的熔解溫度[10]。差示掃描量熱法(DSC)測定塑料熔融、結(jié)晶溫度和熱焓是目前普遍采用的方法之一，本文采用法國塞塔拉姆公司的Labsys Evolution綜合同步熱分析系統(tǒng)。試驗條件如下：加熱速率為10 ℃/min，保護氣體為氮氣，加熱最高溫度為350 ℃，冷卻方式為隨爐冷卻。

根據(jù)離合器泵所用塑料加熱溫度和熱流變化的數(shù)據(jù)，獲得塑料PAMXD6的DSC曲線(圖4)；采用國際熱分析聯(lián)合會(ainternational confederation for thermal analysis，ICT)推薦的方法，對DSC曲線進行分析，找出基線并尋出峰的位置，最后獲取材料的熔融吸熱峰。圖4中，B點是起始溫度θi，C點是峰頂溫度θp，D點是終止溫度θf。由圖4不難得到，θi=208 ℃，θp=232 ℃，θf=258 ℃。

圖4 PAMXD6塑料的DSC曲線熔點分析Fig.4 The DSC curve melting point analysisof PAMXD6 plastics

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)焊接材料被加熱到208 ℃時(B點處)，熱流曲線發(fā)生突變，表明此時材料開始因熔化而吸熱；當(dāng)加熱溫度升至232 ℃時，出現(xiàn)吸熱峰的極大值點，即C點的位置，此時材料完全熔化；當(dāng)加熱溫度繼續(xù)上升至257 ℃時，到達外推終止點,即D點位置，焊接材料的熔化逐漸終止。

2.2 摩擦焊接參數(shù)耦合模型的建立

結(jié)合摩擦面溫度預(yù)測模型與DSC試驗獲取的材料熔點，可得焊接參數(shù)的關(guān)聯(lián)耦合模型：

208≤225.093 4+0.017n+75.505 6p+17.544 9R+
0.000 4np+0.000 3nR-1.197 4pR+8.498 0×
10-7n2-5.010 2p2-0.252 5R2≤258

(6)

分析式(6)可知，在設(shè)計旋轉(zhuǎn)焊接參數(shù)時，可先設(shè)定3個焊接參數(shù)中的兩個，即可確定另外一個焊接參數(shù)值。這樣既節(jié)省了焊接調(diào)試的時間，也節(jié)省了試驗材料的消耗。

2.3 摩擦面溫度的響應(yīng)分析

主軸轉(zhuǎn)速和熔接壓力對摩擦面溫度的響應(yīng)曲面圖(旋轉(zhuǎn)圈數(shù)設(shè)定為20圈)見圖5?？梢钥闯觯褐鬏S轉(zhuǎn)速n在1 000～3 000 r/min之間、熔接壓力在0～10 MPa之間時，摩擦面溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力的增大而升高；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、熔接壓力為5.3 MPa時，摩擦面溫度達到最大值240.5 ℃，隨后摩擦面溫度開始隨著熔接壓力的增大而降低。要使摩擦面溫度達到材料的熔點，必須保證摩擦面溫度在208～258 ℃內(nèi)，因此，熔接壓力最小應(yīng)為2.9 MPa，對應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為2 850 r/min；主軸轉(zhuǎn)速最小應(yīng)為1 900 r/min，對應(yīng)的熔接壓力為5.1 MPa。

圖5 摩擦面溫度相對于主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力的響應(yīng)曲面Fig.5 The response surface of friction surface temperaturerelative to spindle speed and welding pressure

主軸轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對摩擦面溫度的響應(yīng)曲面圖(熔接壓力設(shè)定為4 MPa)見圖6。可以看出，主軸轉(zhuǎn)速在1 000～3 000 r/min、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)在0～60圈之間時，摩擦面溫度首先隨著主軸轉(zhuǎn)速與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大而升高；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為3 000 r/min、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為28圈時，摩擦面溫度達到最大值241.0 ℃；隨后摩擦面溫度開始隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大而降低。要使摩擦面溫度達到材料的熔點，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)最小應(yīng)為18圈，相應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速為2 800 r/min；主軸轉(zhuǎn)速最小應(yīng)為1 400 r/min，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為28。

圖6 摩擦面溫度相對于主軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.6 The response surface of friction surface temperature relative to spindle speed and number of rotating circles

旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和熔接壓力對摩擦面溫度的響應(yīng)曲面圖(主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 r/min)見圖7?？梢钥闯?，熔接壓力在0～10 MPa、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)在0～60圈之間時，摩擦面溫度首先隨著熔接壓力與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的增大而升高；當(dāng)熔接壓力為4.7 MPa、旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為26圈時，摩擦面溫度達到最大值246.0 ℃；隨后摩擦面溫度開始隨著旋轉(zhuǎn)圈數(shù)、熔接壓力的增加而降低。要使摩擦面溫度達到材料的熔點，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)最小應(yīng)為13，相應(yīng)的熔接壓力為5.9 MPa；熔接壓力最小應(yīng)為1.8 MPa，對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為30。

圖7 摩擦面溫度相對旋轉(zhuǎn)圈數(shù)和熔接壓力的響應(yīng)曲面Fig.7 The response surface of friction surface temperaturerelative to the number of rotating circles and the welding pressure

3 摩擦焊接面溫度預(yù)測模型與焊接參數(shù)耦合模型的驗證

3.1 摩擦焊接面溫度預(yù)測模型的驗證

實驗驗證在長榮EGP-3P塑料旋轉(zhuǎn)焊接機上進行。在主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)適用范圍內(nèi)，隨機選取9組焊接參數(shù)進行試驗：第1組(1 000 r/min，3 MPa，10圈)、第2組(1 000 r/min，5 MPa，20圈)、第3組(1 000 r/min，7 MPa，30圈)、第4組(2 000 r/min，3 MPa，10圈)、第5組(2 000 r/min，5 MPa，20圈)、第6組(2 000 r/min，7 MPa，30圈)、第7組(3 000 r/min，3 MPa，10圈)、第8組(3 000 r/min，5 MPa，20圈)和第9組(3 000 r/min，7 MPa，30圈)，結(jié)果見圖8。

圖8 焊接過程中上下泵摩擦面溫度的試驗值與預(yù)測值Fig.8 Experimental and predictive values of the friction surface temperature of upper and lower pump during welding

通過對圖8中的數(shù)據(jù)進行分析不難發(fā)現(xiàn)，在選用隨機組合的焊接參數(shù)進行實驗時，測試與預(yù)測的摩擦面溫度的相對誤差在10%之內(nèi)，證明摩擦焊接溫度的預(yù)測模型是可靠的。

3.2 焊接參數(shù)耦合模型的驗證

為了檢驗焊接參數(shù)耦合模型對焊接參數(shù)設(shè)計的有效性與正確性，分別選取3組預(yù)測摩擦面溫度超過熔點的焊接參數(shù)組與3組預(yù)測摩擦面溫度低于熔點的焊接參數(shù)組進行摩擦焊接試驗，分組情況如下：第1組(2 000 r/min，5 MPa，20圈)、第2組(3 000 r/min，5 MPa，20圈)、第3組(2 500 r/min，5 MPa，30圈)、第4組(1 000 r/min，3 MPa，10圈)、第5組(2 000 r/min，7 MPa，30圈)和第6組(3 000 r/min，2 MPa，20圈)。焊接面實測的溫度分別為211、239、222、116、167和187 ℃。顯然，前3組焊接面溫度達到理想值。在高壓試驗機(圖9)上分別對試件進行高壓試驗，測試結(jié)果見圖10。

圖9 焊接后離合器泵的樣件Fig.9 The sample of clutch pump after welding

圖10 6組參數(shù)焊接的試件承受的壓力Fig.10 Pressure on welded specimenswith 6 sets of parameters

由圖10可以看出，使用焊接參數(shù)耦合模型設(shè)計的3組(序號1，2，3)焊接參數(shù)的試件，焊縫所能承受的壓力均在14 MPa以上，高于技術(shù)要求規(guī)定的13.5 MPa；而隨意組合的3組數(shù)據(jù)(序號4,5,6)，其焊縫所能承受的壓力在6 MPa以下，不能滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求。為了評價焊接參數(shù)設(shè)計方法的有效性，量產(chǎn)了一批2 000余件的離合器泵，合格率高達95%。

4 結(jié)論

(1)采用響應(yīng)曲面法開展了試驗研究，獲取了旋轉(zhuǎn)摩擦面溫度預(yù)測模型，經(jīng)試驗驗證，摩擦面溫度的預(yù)測誤差小于10%。

(2)主軸轉(zhuǎn)速、熔接壓力和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對摩擦表面溫度的影響都顯著，其中主軸轉(zhuǎn)速的影響最大，旋轉(zhuǎn)圈數(shù)對摩擦表面溫度的影響程度次之，熔接壓力對摩擦表面溫度的影響程度最小。此外，熔接壓力與旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的交互作用對摩擦面溫度的影響較為顯著，其他交互作用對摩擦面溫度影響甚微。

(3)提出了基于焊接焊接參數(shù)耦合模型的焊接參數(shù)設(shè)計方法。在獲取離合器泵材料的熔點的基礎(chǔ)上，結(jié)合摩擦面溫度的預(yù)測模型，得到了旋轉(zhuǎn)摩擦焊接參數(shù)的耦合模型。

(4)批量焊接離合器泵的合格率達95%以上。結(jié)果表明，提出的離合器泵旋轉(zhuǎn)摩擦焊接工藝參數(shù)設(shè)計方法是有效的。