基于響應(yīng)面法的5052鋁合金攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)研究

慕鎧丞，王進(jìn)，王勇強(qiáng)，李寶閣，張會

基于響應(yīng)面法的5052鋁合金攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)研究

慕鎧丞，王進(jìn)，王勇強(qiáng)，李寶閣，張會

（青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266000）

建立攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)與焊接接頭抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系的響應(yīng)曲面模型，并依此模型研究焊接工藝參數(shù)變化對接頭抗拉強(qiáng)度所產(chǎn)生的影響，得到最佳工藝參數(shù)，提高焊接接頭強(qiáng)度。以5052-H112鋁合金為研究對象，基于響應(yīng)面法優(yōu)化設(shè)計(jì)試驗(yàn)方法，以轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩壓入深度為因素，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為響應(yīng)值設(shè)計(jì)試驗(yàn)，建立對應(yīng)的響應(yīng)函數(shù)與回歸模型，對模型進(jìn)行方差分析，根據(jù)模型得到最佳工藝參數(shù)值，并與試驗(yàn)結(jié)果作比較。成功建立了響應(yīng)模型，在分析模型和試驗(yàn)驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，在選定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為737 r/min、焊接速度為60 mm/min、軸肩壓入深度為0.3 mm時，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到最優(yōu)值227 MPa。通過響應(yīng)面分析得到，轉(zhuǎn)速和焊接速度對抗拉強(qiáng)度的影響最大，且兩者交互作用顯著，在給定范圍內(nèi)隨著轉(zhuǎn)速和焊接速度的提高，抗拉強(qiáng)度增大至峰值后下降，軸肩壓入深度單獨(dú)對接頭抗拉強(qiáng)度的影響較小，其與轉(zhuǎn)速交互影響顯著。通過響應(yīng)曲面法優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)明顯提高了5052-H112鋁合金攪拌摩擦焊焊接頭抗拉強(qiáng)度。

攪拌摩擦焊；響應(yīng)面法；方差分析；抗拉強(qiáng)度；5052鋁合金

隨著對交通工具運(yùn)行速度要求的不斷提升，交通設(shè)計(jì)輕量化已成為目前的研究熱點(diǎn)，5052鋁合金由于其輕質(zhì)性、優(yōu)異的耐腐蝕性、易加工性而被廣泛應(yīng)用于汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域的交通運(yùn)輸設(shè)備的制造中[1-3]。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是英國焊接研究所發(fā)明的一種非熔合固態(tài)連接工藝[4]，常用于低熔點(diǎn)合金和傳統(tǒng)焊接方法可焊性低的金屬，擅長于有色金屬焊接，特別是鋁合金[5-7]。

目前國內(nèi)外學(xué)者對用于鋁合金連接的攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究集中在轉(zhuǎn)速、焊速、軸肩壓入深度、攪拌頭幾何輪廓等工藝參數(shù)對焊接接頭組織和力學(xué)性能的影響方面[8-10]。Leal等[11]研究發(fā)現(xiàn)，攪拌針幾何形狀對FSW的材料流動有較大影響，特別是在薄板焊接中，由于較高的冷卻速度，材料流動的限制更為明顯。Pandiyarajan等[12]使用4個參數(shù)和2個目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化了FSW工藝，并使用期望函數(shù)法進(jìn)行優(yōu)化，總結(jié)歸納了焊接過程中影響更為顯著的參數(shù)。Mohammadzadeh Jamalian等[13]發(fā)現(xiàn)，過高或過低的轉(zhuǎn)速將因?yàn)闊彷斎氲倪^大或不足而產(chǎn)生具有顯著缺陷的焊縫。

夏羅生等[14]通過試驗(yàn)證明了攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊接速度的比值（/）是決定FSW接頭質(zhì)量的關(guān)鍵性因素。韋旭等[15]通過對5052鋁合金的FSW對比試驗(yàn)得到，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為800 r/min、焊接速度為0.002 m/s時，抗拉強(qiáng)度最大為197.9 MPa，可達(dá)母材的93.3%。范文學(xué)等[16]通過響應(yīng)面法研究了7A52鋁合金攪拌摩擦焊的焊接速度、攪拌頭轉(zhuǎn)速及軸肩壓入深度對接頭抗拉強(qiáng)度的影響，并獲得接頭最佳參數(shù)組合為：焊接速度110 mm/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速1 436 r/min，軸肩壓入深度0.55 mm，得到最大預(yù)測抗拉強(qiáng)度為380 MPa。

焊接工藝參數(shù)與FSW接頭強(qiáng)度間的聯(lián)系尤為密切，通過優(yōu)化工藝參數(shù)，將最大限度地提高FSW接頭的抗拉強(qiáng)度，而通過經(jīng)驗(yàn)判斷亦或大量試驗(yàn)獲得最優(yōu)工藝參數(shù)在時間、成本、效率上均不可取，因此，文中采用響應(yīng)面法（Response Surface Method，RSM），通過建立轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩壓入深度對接頭抗拉強(qiáng)度的響應(yīng)模型，分析3種因素對FSW焊接質(zhì)量的影響程度，并最終得到最佳工藝參數(shù)值。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用材料為AA5052–H112鋁合金板材，尺寸為120 mm′60 mm′5 mm，兩塊板材進(jìn)行對接攪拌摩擦焊，板材的化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金5052-H112化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of aluminum alloy 5052-H112 wt.%

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)使用型號為HT–JC6×8/2的攪拌摩擦焊機(jī)（中國航天集團(tuán)制造），攪拌針為圓錐螺紋型，長為4.7 mm，軸肩直徑為15 mm，攪拌頭傾角為2°，板材在焊接前用砂紙打磨去除氧化層后用丙酮清洗表面，焊接時兩塊板材對接固定在工作臺，固定后的焊縫間隙應(yīng)小于0.5 mm，刀具順時針旋轉(zhuǎn)。焊接后用線切割在中心區(qū)域截取長為120 mm、寬度為37 mm的拉伸樣件，具體取樣位置如圖1所示。經(jīng)線切割后得到的拉伸試樣用800目的砂紙進(jìn)行打磨處理，直到試樣邊緣處光滑，利用型號為WDW–50KN的高溫拉伸機(jī)以2 mm/min的速度進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄抗拉強(qiáng)度。值得注意的是，試驗(yàn)中應(yīng)確保斷裂位置在焊接接頭處，如若在其他區(qū)域斷裂則需重新試驗(yàn)，拉伸后的試件實(shí)物如圖2所示。

圖1 拉伸試驗(yàn)取樣示意圖

圖2 拉伸后斷裂的樣件

此次試驗(yàn)采用BBD（Box-Behnken Design）設(shè)計(jì)方法，該方法具有試驗(yàn)次數(shù)少、允許使用相對較少的因素組合來確定復(fù)雜的響應(yīng)函數(shù)模型、設(shè)計(jì)簡便等優(yōu)點(diǎn)[17-20]，可以較為準(zhǔn)確地描述各因素之間的交互作用和作用機(jī)制，故采取此種設(shè)計(jì)方法。本文選取轉(zhuǎn)速（），焊接速度（）、軸肩壓入深度（）3個因素為變量進(jìn)行歸一化處理。為確定因素水平范圍，進(jìn)行了試驗(yàn)性實(shí)驗(yàn)，通過光學(xué)顯微鏡對接頭橫截面進(jìn)行觀測，以驗(yàn)證參數(shù)的可行性，確定接頭外觀光滑，表面平整，無明顯缺陷（如裂紋、孔洞）形成等，最終選定各因素水平，得到BDD 3因素3水平設(shè)計(jì)表，具體見表2。

表2 BBD 3因素3水平

Tab.2 BBD’s 3 factors and 3 levels

2 數(shù)學(xué)模型與方差分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

建立的響應(yīng)函數(shù)表達(dá)式如式（1）所示。

響應(yīng)面二階函數(shù)表達(dá)式如式（2）所示。

式中：0為常數(shù)項(xiàng)；b為單個因素項(xiàng)影響系數(shù)；b為2個因素項(xiàng)交互作用系數(shù)；b為單個因素項(xiàng)的二次影響系數(shù)。

試驗(yàn)最終以抗拉強(qiáng)度m作為響應(yīng)值輸出，即m是轉(zhuǎn)速（）、焊接速度（）、軸肩壓入深度（）的函數(shù)，故式（2）又可以式（3）來表達(dá)。

使用DesignExpert10.0作BBD設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)樣本試驗(yàn)，選取樣本中心值為3次，共計(jì)15次樣本試驗(yàn)，各試驗(yàn)方案及其抗拉強(qiáng)度結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)方案與抗拉強(qiáng)度結(jié)果

Tab.3 Experimental scheme and tensile strength results

通過對設(shè)計(jì)矩陣和響應(yīng)值進(jìn)行多元回歸分析，可以建立如式（4）所示二階多項(xiàng)式方程。

2.2 方差分析

利用方差分析可以檢驗(yàn)所建立模型方程擬合的顯著性，當(dāng)<0.05時，即表示所對應(yīng)的模型有超過95%的概率是顯著的，即可以認(rèn)為該值所對應(yīng)的模型項(xiàng)顯著，從表4中可以看出，模型<0.05，故該回歸模型具有顯著意義。模型項(xiàng)、、、、、2具有顯著性，失擬項(xiàng)不顯著。確定系數(shù)2反應(yīng)了模型的擬合程度，該值在0～1之間變化，越接近1則說明模型與實(shí)際情況擬合度越高。該模型的確定系數(shù)2=0.96，扣除回歸方程所受到的包含項(xiàng)數(shù)影響的相關(guān)系數(shù)，得到調(diào)整后的確定系數(shù)adj2=0.90，兩值相差較小，意味著試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測結(jié)果之間存在高度的相關(guān)性。圖3為真實(shí)值和預(yù)測值的分布圖，圖中所有參數(shù)點(diǎn)近似沿直線兩側(cè)分布，表明該模型的預(yù)測值基本與真實(shí)值相吻合。綜上分析，所開發(fā)的模型可用于預(yù)測當(dāng)前工藝參數(shù)水平范圍內(nèi)任意參數(shù)組合下FSW接頭的抗拉強(qiáng)度。

表4 響應(yīng)面模型方差分析

Tab.4 Variance analysis of response surface model

3 結(jié)果與討論

3.1 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖4是截取的部分抗拉強(qiáng)度較高的試驗(yàn)組的工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線圖，在所有試驗(yàn)中，最好的結(jié)果產(chǎn)生在第15組（轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，焊接速度60 mm/min，軸肩壓入深度為0.2 mm的條件下），在此條件下測得的抗拉強(qiáng)度為221 MPa，約達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的92%，表明在給定參數(shù)范圍內(nèi)，F(xiàn)SW接頭抗拉強(qiáng)度都是無法超過母材的。從圖4中還可以較為直觀地看到，不同工藝參數(shù)組合下得到的FSW接頭抗拉強(qiáng)度差異顯著，這主要是在焊接過程中熱輸入量不同所導(dǎo)致的，通常認(rèn)為，轉(zhuǎn)速與焊接速度共同決定了FSW過程中的熱輸入量，而軸肩壓入深度對材料的流動有影響[21]，3種工藝參數(shù)包括其兩兩之間的交互作用最終決定了FSW接頭質(zhì)量。因此，在進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化之前有必要闡明焊接工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的影響。

3.2 工藝參數(shù)對FSW接頭抗拉強(qiáng)度的影響

基于所開發(fā)的模型，在一個參數(shù)固定的條件下，將另外兩個參數(shù)作為變量，可以得到3D響應(yīng)曲面圖和等高線圖，如圖5所示。在給定的軸肩壓入深度和焊接速度下，轉(zhuǎn)速對FSW接頭抗拉強(qiáng)度的影響較為顯著，如圖5a—d所示。轉(zhuǎn)速為500 r/min時，接頭抗拉強(qiáng)度最低；轉(zhuǎn)速約為950 r/min時，接頭抗拉強(qiáng)度增加至最大值，之后繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速，抗拉強(qiáng)度下降。較低轉(zhuǎn)速下FSW接頭的抗拉強(qiáng)度較差，主要是因?yàn)閿嚢桀^攪拌作用不足，在一定范圍內(nèi)提高轉(zhuǎn)速可以增強(qiáng)攪拌頭的攪拌作用，從而產(chǎn)生加工硬化效應(yīng)，提高抗拉強(qiáng)度，而當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)提高時，過量的熱輸入起到主導(dǎo)作用，熱輸入不足或過量會影響材料流動行為，導(dǎo)致攪拌區(qū)內(nèi)的晶粒粗化，因此抗拉強(qiáng)度隨之降低[22]。

圖3 真實(shí)值與預(yù)測值

圖4 工程應(yīng)力–應(yīng)變曲線

在給定的旋轉(zhuǎn)速度和軸肩壓入深度下，焊接速度在初始提高時會使接頭抗拉強(qiáng)度提高，在焊接速度為130 mm/min時達(dá)到峰值，隨后再提高焊接速度，接頭抗拉強(qiáng)度維持在一定水平后下降，如圖5a、e所示。在較低的焊接速度下，過量的熱輸入起主導(dǎo)作用將顯著降低接頭質(zhì)量，隨著焊接速度提升而得到改善。當(dāng)焊接速度過高，熱量輸入并未使得金屬材料達(dá)到較好的塑性流動狀態(tài)，攪拌頭就已進(jìn)入下一焊接區(qū)域，將導(dǎo)致焊接接頭冷卻速度過快，從而降低發(fā)生在FSW中的再沉淀，沉淀硬化，抗拉強(qiáng)度下降[23-24]。結(jié)合等高線圖（圖5b）來看，等高線呈橢圓形說明轉(zhuǎn)速與焊接速度交互作用顯著，抗拉強(qiáng)度的最大值靠近響應(yīng)面中心。

從圖5c、e中可以看到，軸肩壓入深度單獨(dú)對抗拉強(qiáng)度的影響較不顯著，其主要受轉(zhuǎn)速交互作用影響，在轉(zhuǎn)速較低時，軸肩壓入深度的初始增加會顯著提高接頭抗拉強(qiáng)度，產(chǎn)生這一現(xiàn)象是因?yàn)檩S肩壓深的增大增強(qiáng)了材料流動，在一定范圍內(nèi)增大軸肩壓入深度可以對材料起到增塑作用，加強(qiáng)材料的混合和相互擴(kuò)散，有利于強(qiáng)度的提高。當(dāng)軸肩壓入深度過大時，軸肩伸入材料過多產(chǎn)生擠壓作用，使得塑性狀態(tài)金屬溢出，冷卻后會在接頭外部形成層狀飛邊缺陷[25]，此外，軸肩與材料接觸面變大，致使摩擦力增大，攪拌頭向前移動的阻力也會增大，還會導(dǎo)致過量的熱輸入，沉淀強(qiáng)化條件惡化，從而使得抗拉強(qiáng)度降低，這一現(xiàn)象在轉(zhuǎn)速較高時尤為明顯。從等高線圖（圖5d）來看，軸肩壓入深度與轉(zhuǎn)速的交互作用顯著。另外，軸肩壓入深度與焊接速度的交互作用較小，抗拉強(qiáng)度最大值偏離響應(yīng)面中心（圖5e、f）。

圖6是不同工藝參數(shù)下FSW焊縫表面的宏觀形貌圖，通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，圖6a中焊縫表面較為粗糙，紋路間隙較大且略有凸起感，這可能是因?yàn)檗D(zhuǎn)速較低，攪拌作用不充分，且焊接速度較高所產(chǎn)生的摩擦熱不足以使得材料達(dá)到較好的塑性流動狀態(tài)所導(dǎo)致的；圖6b中試樣焊縫表面有大量毛刺，并伴隨著起皮現(xiàn)象，以及大量飛邊出現(xiàn)，這可能是由于轉(zhuǎn)速較高及軸肩壓入深度較大，從而產(chǎn)生較高的熱輸入量，導(dǎo)致接頭出現(xiàn)缺陷。圖6c中試樣在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下獲得，該接頭表面魚鱗狀紋路均勻致密，外觀光滑無缺陷，雖然在較高的軸肩壓入深度下存在一些飛邊缺陷，但其只影響焊縫美觀，并不影響最終接頭質(zhì)量。

圖5 工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的響應(yīng)面圖及其對應(yīng)的等高線圖

圖6 焊縫宏觀形貌

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

利用響應(yīng)面分析得出焊接工藝參數(shù)對FSW接頭抗拉強(qiáng)度影響的同時，根據(jù)Design Expert軟件還能得出模型預(yù)測的最佳工藝參數(shù)：轉(zhuǎn)速=736.7 r/min、焊接速度=60.000 1 mm/min、軸肩壓入深度= 0.3 mm。考慮到機(jī)床精度問題，最終選定轉(zhuǎn)速= 737 r/min、焊接速度=60 mm/min、軸肩壓入深度= 0.3 mm作為最終優(yōu)化工藝參數(shù)并對其進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，測得抗拉強(qiáng)度為227 MPa，與軟件模擬結(jié)果232 MPa基本吻合，該結(jié)果明顯優(yōu)于其他試驗(yàn)結(jié)果，其焊縫宏觀形貌如圖6c所示。

4 結(jié)論

1）利用響應(yīng)面法可以成功建立了分析AA5052– H112鋁合金FSW工藝參數(shù)（轉(zhuǎn)速、焊接速度、軸肩壓入深度）與接頭抗拉強(qiáng)度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并使用方差分析和散點(diǎn)圖檢查了模型的可靠性。

2）通過對響應(yīng)曲面圖的分析得出了焊接工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的影響，并討論了產(chǎn)生這些影響的原因。轉(zhuǎn)速和焊接速度對接頭抗拉強(qiáng)度影響最大，且兩者交互作用顯著?？估瓘?qiáng)度隨兩者的增大呈現(xiàn)先增大至峰值而后減小的趨勢。軸肩壓入深度單獨(dú)作用不顯著，但受轉(zhuǎn)速交互影響明顯。在較低的轉(zhuǎn)速下提高軸肩壓入深度有利于材料的流動，對接頭抗拉強(qiáng)度起增強(qiáng)作用。但轉(zhuǎn)速較高時，再提高軸肩壓深會產(chǎn)生過量熱輸入，致使FSW接頭抗拉強(qiáng)度下降。

3）工藝參數(shù)優(yōu)化結(jié)果表明，接頭抗拉強(qiáng)度在=737 r/min、=60 mm/min、=0.3 mm時獲得最優(yōu)值227 MPa，該值約為母材強(qiáng)度的94%。

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Process Parameters of 5052 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Based on Response Surface Method

MU Kai-cheng, WANG Jin, WANG Yong-qiang, LI Bao-ge, ZHANG Hui

(School of Mechanical and Automotive Engineering, Qingdao University of Technology, Shandong Qingdao 266000, China)

The work aims to establish a response surface model of the relationship between the friction stir welding process parameters and the tensile strength of friction stir welded joints, and analyze the effects of the changes of welding process parameters on the tensile strength of joints, to obtain the best process parameters and improve the strength of welded joints. With 5052-H112 aluminum alloy as the research object, with rotating speed, welding speed, shaft shoulder pressing depth as factors, and with welded joint tensile strength as the response value, the experiment was designed based on the response surface method optimization design experiment method. The corresponding response function and regression model were established for variance analysis. The best process parameters obtained from the model were compared with the experimental results. Finally, the mathematical model was established successfully. After the analysis of the model and the test verification, it was found that the optimal joint tensile strength was 227 MPa when the rotating speed was 737 r/min, the welding speed was 60 mm/min and the shaft shoulder pressing depth was 0.3 mm in the selected process parameters. The conclusion can be obtained from response surface analysis that rotating speed and welding speed have the greatest influence on tensile strength, and the interaction between the two is significant. In a given range, with the increase of rotating speed and welding speed, the tensile strength increases to the peak and then decreases. The depth of shoulder pressing has a small influence on the tensile strength of the joint alone, and the interaction effect with the speed is significant. The welding parameters optimized by response surface method can obviously improve the tensile strength of 5052-H112 aluminum alloy friction stir welded joint.

friction stir welding; response surface method; variance analysis;tensile strength; 5052 aluminum alloy

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.02.005

TG456.9

A

1674-6457(2023)02-0037-07

2022–06–22

2022-06-22

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2019GGX102023）

Key Research and Development Project of Shandong Province (2019GGX102023)

慕鎧丞（1996—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)殒V-鋁異種合金攪拌摩擦焊。

MU Kai-cheng (1996-), Male, Postgraduate, Research focus: friction stir welding of Mg-Al dissimilar alloy.

王進(jìn)（1978—），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)闈u進(jìn)成形、旋壓成形和攪拌摩擦焊。

WANG Jin (1978-), Male, Doctor, Professor, Research focus: progressive forming, spinning forming and friction stir welding.

慕鎧丞, 王進(jìn), 王勇強(qiáng), 等. 基于響應(yīng)面法的5052鋁合金攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(2): 37-43.

MU Kai-cheng,WANG Jin, WANG Yong-qiang, et al. Process Parameters of 5052 Aluminum Alloy Friction Stir Welding Based on Response Surface Method[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(2): 37-43.