基于相關(guān)性對(duì)攪拌摩擦焊接頭特征值的確定

許飛　臧偉鋒　張海英

摘要：通過對(duì)不同焊接參數(shù)下的2024鋁合金L向攪拌摩擦焊接接頭幾何形貌進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用相關(guān)性分析其與焊接參數(shù)的關(guān)系以及對(duì)接頭性能的敏感程度，最終確定聯(lián)系焊接參數(shù)與接頭性能的中間值，即接頭特征值，并舉例說明接頭特征值對(duì)接頭性能的判據(jù)。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊;相關(guān)性;接頭特征值;接頭性能

中圖分類號(hào)：TG453+.9文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）04-0036-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.05

0 前言

攪拌摩擦焊作為一種新型的連接工藝，能將原本難以焊接的鋁合金連接在一起，并獲得優(yōu)良的靜力、疲勞性能[1-6]。該技術(shù)已經(jīng)在航空[7-8]、航天、高速列車、造船和汽車等制造領(lǐng)域顯示出強(qiáng)勁的創(chuàng)新活力和廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)焊接通過工藝和經(jīng)驗(yàn)對(duì)焊接接頭的性能進(jìn)行預(yù)判，只能得出定性的結(jié)果。本文分析了不同轉(zhuǎn)速、焊速組合的2024鋁合金L向攪拌摩擦焊接頭微觀形貌及接頭性能，從接頭組織和幾何形貌中確定聯(lián)系焊接參數(shù)并能表征接頭性能的中間參量，即特征值。此特征值能解決摩擦焊接頭性能好與不好、能不能更好的問題。

1 焊接參數(shù)及接頭特征參量的選取

影響攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有攪拌頭的轉(zhuǎn)速、攪拌頭前進(jìn)的焊速、以及攪拌頭的形狀。本文選擇了8種焊速、6種轉(zhuǎn)速，共48組焊接參數(shù)，如表1所示，對(duì)2024鋁合金L向3 mm板進(jìn)行焊接。

攪拌摩擦焊接頭特征參量示意如圖1所示，分別為：上寬度1、最大下寬度2、最小下寬度3、前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度4、后退側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度5、上深度6、下深度7、總深度8。

2 接頭特征參量及接頭力學(xué)性能統(tǒng)計(jì)

將每組焊接參數(shù)制備的焊件加工成6個(gè)靜力試驗(yàn)件，并加工6個(gè)金相試樣測(cè)量特征參量，求其平均值。轉(zhuǎn)速600 r/min、焊速50 mm/min接頭（2-1組）特征參量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。本文用極限應(yīng)力代表攪拌摩擦焊接頭的靜力學(xué)性能。48組焊接參數(shù)的靜力學(xué)性能如表3所示（加粗部分為有焊接缺陷的試驗(yàn)件）。

3 相關(guān)性

從相關(guān)系數(shù)ρ（X，Y）可知：一般而言，ρ（X，Y）是介于0與1之間的常數(shù)。但是，當(dāng)ρ（X，Y）=1時(shí)，X與Y之間幾乎必然地存在著某種線性關(guān)系。因此，當(dāng)ρ（X，Y）接近1時(shí)，X與Y之間的線性相關(guān)程度較強(qiáng);當(dāng)接近0時(shí)，則說明X與Y之間的線性相關(guān)程度較弱;當(dāng)ρ（X，Y）=0時(shí)，稱X與Y不線性相關(guān)。所以，相關(guān)系數(shù)ρ（X，Y）是一個(gè)反映隨機(jī)變量X與Y之間線性相關(guān)程度的量。

4 焊接參數(shù)與接頭特征參量的相關(guān)性分析

在選擇了8個(gè)接頭特征參量后，需要知道哪些特征參量對(duì)焊接參數(shù)的變化最為敏感，也就是能反映出焊接參數(shù)的變化。因此，本文采用相關(guān)性分析方法來確定哪些接頭特征參量對(duì)焊接參數(shù)的變化最為敏感。相關(guān)性計(jì)算舉例如表4所示。

由表4可知，將轉(zhuǎn)速固定為600 r/min時(shí)，接頭特征參量焊接區(qū)最大下寬度與焊速的相關(guān)性系數(shù)為-0.85，-0.85接近于1，因此焊接區(qū)最大下寬度與焊速的相關(guān)性較好，對(duì)焊速的變化比較敏感。同理，當(dāng)轉(zhuǎn)速固定為400 r/min、600 r/min、800 ?r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min時(shí)，8個(gè)特征參量與焊速的相關(guān)性系數(shù)如表5所示;當(dāng)焊速固定為50 mm/min、100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、250 mm/min、300 mm/min、350 mm/min、400 mm/min，8個(gè)特征參量與轉(zhuǎn)速的相關(guān)性系數(shù)如表6所示。

由表5可知，在轉(zhuǎn)速固定、焊速變化時(shí)，有4個(gè) 相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值大于0.5時(shí)，稱此特征參量為接頭特征表征要素。因此，轉(zhuǎn)速固定焊速變化時(shí)，最大下寬度、前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度、后退側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度、上深度、下深度為接頭特征表征要素。

由表6可知，在焊速固定、轉(zhuǎn)速變化時(shí)，有5個(gè)相關(guān)性系數(shù)的絕對(duì)值大于0.5時(shí)，此時(shí)前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度、后退側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度、最小下寬度、上深度、下深度與轉(zhuǎn)速相關(guān)性較好，因此確定它們?yōu)榻宇^特征表征要素。

綜合表5、表6，對(duì)L向攪拌摩擦焊而言，前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度、后退側(cè)熱影響區(qū)與熱力影響區(qū)斜度、最小下寬度、最大下寬度、上深度、下深度為接頭特征表征要素。

5 接頭特征表征要素與接頭性能的相關(guān)性分析

在確定了與焊接參數(shù)相關(guān)性較大的接頭特征參量即接頭特征表征要素后，從這些接頭要素中繼續(xù)尋找與接頭性能相關(guān)性的特征參量，即接頭特征值。

在這次相關(guān)性分析中，要去掉通過金相觀察到的有明顯缺陷的試驗(yàn)件，即表3中加粗部分的試驗(yàn)件。表7為L(zhǎng)向攪拌摩擦焊轉(zhuǎn)速相對(duì)固定、焊速變化時(shí)接頭特征表征要素與靜力學(xué)性能相關(guān)性分析，并繪制曲線如圖2所示。表8為L(zhǎng)向攪拌摩擦焊焊速相對(duì)固定、轉(zhuǎn)速變化時(shí)接頭特征表征要素與靜力學(xué)性能相關(guān)性，并繪制曲線如圖3所示。

圖2的曲線給出了相關(guān)性為0.9的標(biāo)準(zhǔn)線，可以看出，在L向焊接轉(zhuǎn)速相對(duì)固定、焊速變化時(shí)，靜強(qiáng)度性能對(duì)最大下寬度變化最為敏感，焊核區(qū)下深度次之。同樣，由圖3曲線可以看出，在L向焊接焊速相對(duì)固定、轉(zhuǎn)速變化時(shí)，靜強(qiáng)度性能對(duì)上深度變化最為敏感，焊核區(qū)下深度次之。

由于上深度與下深度線性相關(guān)，綜合考慮，在L向攪拌摩擦焊接中，焊接區(qū)最大下寬度、下深度為接頭特征值，也就是聯(lián)系焊接參數(shù)又能表征接頭性能的中間參量。

6 應(yīng)用

在確定了L向攪拌摩擦焊接頭的特征值后，以焊接區(qū)最大下寬度為例，對(duì)其應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單的描述。以固定轉(zhuǎn)速600 r/min、800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min，焊速依次變化為例，分析性能與最大下寬度的關(guān)系（轉(zhuǎn)速400 r/min、1 400 r/min出現(xiàn)較多缺陷，因此去掉），如圖4所示?？梢钥闯?，當(dāng)接頭最大下寬度為3 500～3 600 μm時(shí)接頭的力學(xué)性能最好。則認(rèn)為當(dāng)攪拌摩擦焊接頭最大下寬度在3 500～3 600 μm范圍內(nèi)，接頭的力學(xué)性能較好，也就是將最大下寬度作為接頭性能的一個(gè)判據(jù)。

7 結(jié)論

本文選擇了48組攪拌摩擦焊焊接參數(shù)，對(duì)每組參數(shù)的焊接接頭進(jìn)行靜力試驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)接頭制備金相試樣進(jìn)行觀察。當(dāng)焊接參數(shù)選擇合適后（過大或過小的焊接參數(shù)值都會(huì)使焊接接頭產(chǎn)生缺陷），即不使焊接接頭產(chǎn)生缺陷的情況下，存在與焊接參數(shù)、性能相關(guān)的形貌參量。通過相關(guān)性分析，最終確定了聯(lián)系焊接參數(shù)與接頭性能的中間參量，稱作接頭特征值，即焊接區(qū)最大下寬度、下深度。確定了接頭特征值后并用最大下寬度舉例說明接頭特征值對(duì)接頭性能的判據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Thomas M W，Nicholas E D，Needham J C，et al. Friction stir welding[P]. GB Patent Application，1991：9125978.

[2] Mishra R S，Ma Z Y. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering，2005（50）：1-78.

[3] Chen Yingchun，Liu Huijie，F(xiàn)eng Jicai. Friction stir welding characteristics of different heat-treated-state 2219 aluminum alloy plates[J]. Materials Science and Engineering，2006（420）：21-25.

[4] Khodir S A，Shibayanagi T. Friction stir welding of dissimilar AA2024 and AA7075 aluminum alloys[J]. Materials Science and Engineering，2008（B148）：82-87.

[5] Uzun H. Friction stir welding of SiC particulate reinforced AA2124 aluminium alloy matrix composite[J]. Materials and Design，2007（28）：1440-1446.

[6] Benavides S，Li Y，Murr L E，et al. Low-temperature friction-stir welding of 2024 aluminum[J]. Scripta Materialia，1999，41（8）：809-815.

[7] Talwar R，Bolser D，Lederich R，et al. Friction stir welding of airframe structures[C]. Sweden：Proceedings of the second international symposium on friction stir welding，2000.

[8] Lohwasser D. Application of friction stir welding for aircraft industry[C]. Sweden：Proceedings of the second international symposium on friction stir welding，2000.