李朔晗,李 充,郝文波,姚肖潔,韓美玲,王依敬,邢松齡
河北京車軌道交通車輛裝備有限公司,河北 保定 072150
攪拌摩擦焊(Friction stir welding,F(xiàn)SW)是一種新型固相焊接技術(shù),其利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部熔化,即處于熱塑性狀態(tài)[1-4]。當(dāng)焊具沿著焊接界面向前移動時,處于熱塑性狀態(tài)的材料在焊具的轉(zhuǎn)動摩擦力作用下由焊具的前部流向后部,并在焊具的擠壓作用下形成致密的固相焊縫[5-7]。在焊接過程中攪拌針的合理設(shè)計對FSW材料的流動行為以及焊接效果有重要的影響。
傳統(tǒng)的攪拌針通常具有螺紋結(jié)構(gòu),以增加攪拌針與焊接材料的攪拌摩擦作用,增大產(chǎn)熱量。三銑平面螺紋攪拌針是在螺紋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加工出銑平面,能夠更好地促進(jìn)材料流動,有利于減少焊縫缺陷,獲得無缺陷接頭的最大化工藝窗口。Meng[8]等人綜述了不同類型的攪拌針對于FSW焊接的適用性,包括圓臺形、錐形等,對比發(fā)現(xiàn)使用三銑平面螺紋錐形針可以有效促進(jìn)材料在焊接過程中的流動;楊海峰[9]等人使用三銑平面螺紋針對2A14-T4鋁合金T型接頭進(jìn)行靜止軸肩焊接試驗,該過程僅由攪拌針產(chǎn)熱,但最終仍然得到優(yōu)異焊縫成形;張俊林[10]等人使用帶有三銑平面的螺紋錐形針對60 mm厚的5A06-H112鋁合金進(jìn)行FSW焊接,發(fā)現(xiàn)即使對于焊接阻抗較大的厚板,該種類型的攪拌針依然可以有效促進(jìn)材料塑性流動,進(jìn)而形成束腰狀接頭。對于工藝參數(shù)范圍較大的三銑平面螺紋錐形針FSW工藝,焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化可以有效控制焊接過程中的熱輸入和材料塑性流變行為,優(yōu)化焊縫成形與力學(xué)性能[11-12]。
本文針對6082-T6鋁合金進(jìn)行三銑平面螺紋錐形針FSW工藝研究及優(yōu)化,在獲得無明顯缺陷接頭的工藝參數(shù)的試驗基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面法[13-14]建立數(shù)學(xué)模型,最終得到最優(yōu)工藝參數(shù)。并通過試驗最優(yōu)參數(shù)下所獲接頭的成形狀況、接頭各區(qū)域組織及硬度分布和接頭強度,驗證三銑平面螺紋錐形針對6082-T6鋁合金焊接時材料塑性流變的促進(jìn)作用,有助于獲得最佳性能的FSW接頭。
試驗采用尺寸為250 mm×50 mm×2 mm的6082-T6鋁合金,其抗拉強度和斷后伸長率分別為342 MPa和17.32%,化學(xué)成分如表1所示。攪拌針結(jié)構(gòu)為三銑平面螺紋錐形,該結(jié)構(gòu)可改變焊縫材料的塑性流動行為,該塑性流動模式為銑平面作用下的周向運動和螺紋作用下的縱向回流運動相結(jié)合方式。同時,軸肩處的環(huán)形凹槽可約束材料在劇烈塑變狀態(tài)下的溢出行為,被擠出的材料可暫時存儲在軸肩端面的環(huán)形凹槽處,避免材料外流,優(yōu)化焊縫成形且進(jìn)一步提高接頭力學(xué)性能。攪拌頭軸肩直徑為12 mm,攪拌針長度為1.9 mm,具體結(jié)構(gòu)及焊接過程如圖1所示。
表1 6082-T6鋁合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of 6082-T6 aluminium alloy(wt.%)
圖1 焊接過程及焊具設(shè)計示意Fig.1 Schematic diagram of welding process and welding tool
如圖2所示,本文采用光鏡對弧紋形貌及高度進(jìn)行測量分析,來判定不同參數(shù)下表面成形狀況。分別采用800 r/min的轉(zhuǎn)速及600 mm/min的焊速進(jìn)行表面成形研究,宏觀形貌均無明顯缺陷,弧紋間隔均勻,焊縫整體成形較穩(wěn)定?;〖y間距與焊具旋轉(zhuǎn)速度呈負(fù)相關(guān),即隨旋轉(zhuǎn)速度的增加,弧紋間距逐漸減?。换〖y間距與焊具行進(jìn)速度呈正相關(guān),即隨行進(jìn)速度的增加,弧紋間距逐漸增大。這是由于弧紋是由軸肩對熱塑性材料周期性的頂鍛作用導(dǎo)致的,當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較高時,以及行進(jìn)速度較低時,焊縫熱輸入較大,塑化材料流動能力強,在每個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)回填的塑化材料量較大,因此弧紋高度相對較小。
圖2 各參數(shù)下(轉(zhuǎn)速/焊速)的弧紋形貌Fig.2 Arc pattern morphology under various parameters(rotational speed/welding speed)
為了保證焊接質(zhì)量,焊前使用砂紙對工件表面進(jìn)行打磨以去除氧化膜,然后采用丙酮處理工件表面以去除油污。將工件沿長度方向固定在工作臺上,采用對接方式實施焊接。FSW工藝參數(shù)選擇為:焊接速度200~1 000 mm/min,旋轉(zhuǎn)速度600~1 000 r/min,固定壓入量0.05 mm,固定焊具傾角2°。焊后根據(jù)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在垂直于焊縫方向的接頭上選取拉伸試樣,測量其拉伸強度及斷后伸長率。
響應(yīng)面法是指通過一系列確定性實驗,用多項式函數(shù)來近似擬合隱式極限狀態(tài)函數(shù)。通過合理選取試驗點和迭代策略,來保證多項式函數(shù)能夠在失效概率上收斂于真實的隱式極限狀態(tài)函數(shù)。當(dāng)真實的極限狀態(tài)函數(shù)非線性程度不大時,線性響應(yīng)面具有較高的近似精度。其中,Hexagonal Design(HD)是一種擬合二階響應(yīng)曲面的兩影響因素響應(yīng)面試驗設(shè)計方法。其分別由5水平和3水平組成兩個影響因素,其試驗數(shù)據(jù)節(jié)點由六邊形的六個頂點和中心點組合而成。為了對回歸方程的擬合精度進(jìn)行檢驗,通常要求中心點個數(shù)大于4。本研究采用中心點個數(shù)為4,試驗總次數(shù)為10。為了消除各因素取值大小和單位對回歸計算的影響,HD試驗設(shè)計中對不同的因素和水平進(jìn)行了編碼處理。此外,HD的旋轉(zhuǎn)性也使得編碼空間在回歸預(yù)測時獲得高精度,有利于確定最優(yōu)響應(yīng)值。在二階兩水平響應(yīng)面設(shè)計方法中,HD具有所需的試驗次數(shù)相對較少,所有的試驗點均落在安全操作區(qū)域內(nèi)等優(yōu)點。
利用Design-expert 11中HD模型構(gòu)建響應(yīng)面試驗,設(shè)置確立模擬試驗的兩因素為主軸旋轉(zhuǎn)速度ω、焊接速度v。在焊接速度200~1 000 mm/min,旋轉(zhuǎn)速度600~1 000 r/min時,可得到無缺陷且成形良好的焊接接頭,在該范圍內(nèi)進(jìn)行各試驗因素的水平設(shè)計如表2所示。
表2 焊接參數(shù)水平Table 2 Welding parameters and their levels
對設(shè)計的10組試驗進(jìn)行焊后拉伸試驗,得到對應(yīng)參數(shù)下的拉伸性能數(shù)據(jù),各組試驗參數(shù)、斷后伸長率及抗拉強度如表3所示。使用軟件Design-Expert 11對抗拉強度Rm及斷后伸長率A進(jìn)行回歸分析,擬合出如下兩個二次回歸方程式(1)、式(2):
表3 Hexagonal Design設(shè)計試驗與相應(yīng)的試驗結(jié)果Table 3 Hexagonal Design and corresponding experimental results
使用Design-Expert軟件分析試驗結(jié)果的方差,并對不同階次擬合模型進(jìn)行F檢驗,以評估每個階次回歸模型的顯著性。對于給定的顯著性水平α,當(dāng)F值大于Fα(dft,dfe),P值小于α?xí)r,可以判斷該項具有優(yōu)異的顯著性。使用二階回歸模型時,F(xiàn)值最大,P值低于顯著性水平的1%,這表明二階模型具有更高的顯著性。設(shè)定顯著性水平α的值為0.05,結(jié)果見表4??梢钥闯觯估瓘姸萊m響應(yīng)模型的P值為0.001 1,表明該模型顯著性良好,即工藝參數(shù)與接頭抗拉強度之間存在明顯的回歸關(guān)系。顯然,焊接速度v,旋轉(zhuǎn)速度ω、兩因素交互項vω,平方項v2、ω2均顯著影響接頭的抗拉強度,并且焊接速度v的影響程度要明顯高于旋轉(zhuǎn)速度ω。此外,模型的失擬項的P值為0.081 2,表明其具有不顯著性,即沒有其他不可忽略的因素影響回歸分析,驗證了現(xiàn)有模型選擇的合理性。斷后延伸率A響應(yīng)模型的P值為0.039 4,表明該模型顯著且擬合良好。其中兩因素交互項vω和平方項v2、ω2顯著影響接頭的延伸率。模型的失擬項的P值為0.115 1,說明現(xiàn)有模型的選擇的合理性。通過該模型的建立,在已知10組參數(shù)的情況下,可以預(yù)測抗拉強度和斷后伸長率的數(shù)值。同時,通過該數(shù)學(xué)模型可以獲得最優(yōu)的焊接參數(shù)以進(jìn)行工藝試驗研究,從而得到最佳的工藝參數(shù)和接頭性能。
表4 二次回歸方程方差分析表Table 4 Variance analysis of the second-order polynomial equation
圖3、圖4分別顯示了抗拉強度和斷后延伸率試驗各點的殘差正態(tài)分布??梢钥闯?,各點幾乎呈線性分布,即殘差具有良好的正態(tài)分布特征,進(jìn)而說明通過預(yù)測所產(chǎn)生的誤差是隨機分布的,證實了預(yù)測結(jié)果的合理性。預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果的良好對應(yīng)關(guān)系說明了所得到的二階響應(yīng)回歸模型具有較高的預(yù)測精度,即建立的抗拉強度、斷后延伸率與工藝參數(shù)的二階響應(yīng)模型具有較高精度,保證了在不同的工藝參數(shù)下進(jìn)行抗拉強度和斷后延伸率的預(yù)測具有可靠性。
圖3 關(guān)于抗拉強度回歸相應(yīng)模型的預(yù)測精度Fig.3 On the prediction accuracy of the regression model of tensile strength
圖4 關(guān)于斷后延伸率回歸相應(yīng)模型的預(yù)測精度Fig.4 On the prediction accuracy of the regression model of elongation
圖5為旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的等高線圖(4為中間參數(shù)重復(fù)試驗4次,其余數(shù)值為抗拉強度)和三維示意圖,顯而易見,旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度兩個因素及其交互作用對抗拉強度有顯著影響。在旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下,隨著焊接速度的增加,接頭的抗拉強度先增大后減小,抗拉強度的最大值出現(xiàn)在較高的旋轉(zhuǎn)速度處,因此當(dāng)軸肩下壓量和傾角均不變時,提高主軸旋轉(zhuǎn)速度的同時適當(dāng)提高焊接速度可以使接頭抗拉強度提高,有利于提高焊接效率。這是由于當(dāng)三銑平面螺紋錐形針用于FSW時,銑平面結(jié)構(gòu)造成了材料塑性流動行為的改變,其所帶來的動態(tài)流動效應(yīng)可顯著提高材料流動,同時減小熱輸入,焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度的適當(dāng)提高可有效提高焊接熱輸入,進(jìn)而得到高質(zhì)量的焊縫成形和高的接頭強度。而在設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi),抗拉強度的最低值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度較高而焊接速度較低處,這表明過大的熱輸入會導(dǎo)致熱影響區(qū)溫度過高,難以控制晶粒再結(jié)晶尺寸,造成強度降低。另一處抗拉強度的較低值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度較低而焊接速度較高處,這表明過低的熱輸入會造成塑化材料未充分軟化流動,導(dǎo)致焊接接頭的抗拉強度顯著降低。
圖5 旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對抗拉強度的影響Fig.5 Effect of rotation speed and welding speed on tensile strength
接頭的斷后伸長率是表征材料塑性的重要指標(biāo)之一,直接影響接頭的抗拉強度。如圖6所示,斷后伸長率與抗拉強度具有基本一致的趨勢,具體來說,當(dāng)焊速過大時,材料熱輸入不足,即使三銑平面降低了塑性材料的流動阻力,依然難以形成高質(zhì)量的成形接頭;而當(dāng)轉(zhuǎn)速過大時,材料熱輸入過大,嚴(yán)重影響熱影響區(qū)的晶粒尺寸及其分布,導(dǎo)致斷后延伸率的抗拉強度均下降。
圖6 旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對斷后伸長率的影響Fig.6 Effect of rotation speed and welding speed on elongation
綜上所述,由于三銑平面螺紋攪拌針的應(yīng)用,雖然優(yōu)化了塑性材料的流動性,但是仍需與轉(zhuǎn)速與焊速相匹配,適當(dāng)?shù)臒彷斎肟梢员苊猱a(chǎn)生缺陷[15],并且也可獲得較高的抗拉強度和斷后延伸率。
通過求解極值點的方法進(jìn)行優(yōu)化,從而獲得最佳的工藝參數(shù)。任意兩個因素的響應(yīng)面都對應(yīng)著一個極大值,說明在所得響應(yīng)關(guān)系式中存在極大值。結(jié)果如表5所示,兩者優(yōu)化參數(shù)結(jié)果同時接近于850 r/min的旋轉(zhuǎn)速度和650 mm/min的焊接速度,在此參數(shù)下對所得接頭進(jìn)行拉伸測試,接頭拉伸試驗結(jié)果與HD法優(yōu)化結(jié)果十匹配良好,表明回歸模型及其優(yōu)化有較高的準(zhǔn)確性。
表5 最優(yōu)工藝參數(shù)及其性能Table 5 Optimized welding process and performances
利用最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行特征表征,可得到6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW的高質(zhì)量接頭,其表面形貌如圖7所示。在相匹配的焊速與轉(zhuǎn)速下,接頭表面宏觀成形優(yōu)異,飛邊較少,弧紋均勻穩(wěn)定,無宏觀缺陷。
圖7 最優(yōu)接頭表面形貌Fig.7 Macro-morphology of the optimized joint surface
接頭宏觀形貌如圖8所示,焊縫形貌呈碗狀,頂部寬,底部窄且左右對稱。在最優(yōu)參數(shù)下,三銑平面充分發(fā)揮促進(jìn)流動性的作用,塑化材料具有良好的流動性且熱輸入適中,焊縫內(nèi)部成形良好,焊縫整體尺寸適中,未產(chǎn)生缺陷。
圖8 最優(yōu)接頭宏觀形貌Fig.8 Macro-morphology of the optimized weld joint
接頭硬度分布如圖9所示,接頭硬度曲線呈現(xiàn)“W”形,母材區(qū)硬度最高,熱機影響區(qū)硬度最低,熱影響區(qū)和焊核區(qū)硬度略微提升。三銑平面螺紋攪拌針導(dǎo)致焊縫材料具有良好的流動性,焊縫前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)硬度差異不明顯,整體呈對稱分布。
圖9 最優(yōu)接頭硬度分布Fig.9 Hardness distribution of the optimized weld joint
采用最優(yōu)的工藝參數(shù)對三銑平面攪拌針FSW后接頭及母材進(jìn)行了拉伸試驗,測試結(jié)果如圖10所示,最優(yōu)參數(shù)下抗拉強度達(dá)到257.29 MPa,通過對斷前斷后長度的測量及計算,得到斷后伸長率達(dá)到10.68%,表明三銑平面攪拌針的焊接效果優(yōu)異。
圖10 最優(yōu)接頭拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.10 Tensile stress-strain curve of the optimized weld joint
因此,在最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度850 r/min與焊接速度650 mm/min下,焊縫宏觀成形良好,前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)硬度基本呈對稱分布,且抗拉強度與斷后伸長率達(dá)到最優(yōu),表明了試驗工藝力學(xué)性能的優(yōu)異性,同時證明三銑平面螺紋攪拌針焊接6082-T6鋁合金時,可產(chǎn)生促進(jìn)材料流動的有益影響。
(1)試驗利用響應(yīng)面法HD模型構(gòu)建了6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW工藝參數(shù)(旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度)與抗拉強度及斷后伸長率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系,并得到了三銑平面螺紋錐形針FSW接頭性能的預(yù)測模型。
(2)在最優(yōu)參數(shù)下,三銑平面攪拌針充分發(fā)揮促進(jìn)流動性的作用,塑化材料流動好且熱輸入適中,焊縫內(nèi)部成形好,無缺陷,焊縫整體尺寸適中,硬度呈對稱分布。
(3)在設(shè)計區(qū)間范圍內(nèi)提高旋轉(zhuǎn)速度,并選取適當(dāng)?shù)暮附铀俣?,可以有效的?yōu)化抗拉強度和斷后伸長率。轉(zhuǎn)動速度850 r/min、焊接速度650 mm/min時,接頭的抗拉強度最大為257.29 MPa,斷后伸長率為10.68%。