鋁合金6061高轉(zhuǎn)速無(wú)傾角微攪拌摩擦焊溫度分布研究

趙慧慧，封小松，熊艷艷，李紅軍，董豐波，胡 藍(lán)，郭立杰

（1.上海航天設(shè)備制造總廠(chǎng)，上海200245；2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院，浙江杭州310018）

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是一種固相連接方法[1]，具有無(wú)需焊接填充材料、熱輸入小、焊接變形小、焊接接頭缺陷少、力學(xué)性能好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，該方法應(yīng)用范圍廣泛，包括鋁、鎂合金以及異種金屬的焊接[4-8]。

攪拌摩擦焊技術(shù)通常針對(duì)壁厚2 mm以上的材料進(jìn)行連接。而微攪拌摩擦焊技術(shù)采用超高轉(zhuǎn)速（是攪拌摩擦焊過(guò)程主軸轉(zhuǎn)速的10倍以上）和超小軸肩攪拌工具進(jìn)行焊接，主要針對(duì)連接厚度為1mm以下的材料，其焊接過(guò)程中材料產(chǎn)熱、流動(dòng)機(jī)制都有其獨(dú)特之處。英國(guó)焊接研究所對(duì)微攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行了研究，其焊接厚度可達(dá)0.3 mm[9]，但關(guān)于該技術(shù)的大規(guī)模實(shí)際工程應(yīng)用仍未見(jiàn)報(bào)道。目前，國(guó)內(nèi)攪拌摩擦焊技術(shù)領(lǐng)域?qū)? mm以下的微小尺寸構(gòu)件的微攪拌摩擦焊連接技術(shù)較為少見(jiàn)。

針對(duì)超薄板的綠色高質(zhì)量連接問(wèn)題，對(duì)0.8 mm厚6061鋁合金超薄板的微攪拌摩擦焊過(guò)程進(jìn)行溫度控制研究，包括工藝參數(shù)如焊接速度、主軸轉(zhuǎn)速、下壓量以及焊接過(guò)程外加壓縮空氣冷卻等因素對(duì)微攪拌摩擦焊過(guò)程工件溫度的影響等。

1 超薄板微攪拌摩擦焊過(guò)程測(cè)溫實(shí)驗(yàn)

上海航天設(shè)備制造總廠(chǎng)研發(fā)并制造了微攪拌摩擦焊設(shè)備HT-MFSW-01，主機(jī)頭采用高轉(zhuǎn)速電主軸，旋轉(zhuǎn)速度是普通攪拌摩擦焊的10倍。舍棄了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊傾角跟隨方案，采用無(wú)傾角焊接方案，降低了在高速旋轉(zhuǎn)和橫向運(yùn)動(dòng)的微攪拌摩擦焊主機(jī)頭上實(shí)現(xiàn)傾角跟隨的設(shè)備控制難度。

工件溫度變化與焊接時(shí)主要工藝參數(shù)密切相關(guān)，包括主軸轉(zhuǎn)速、焊接速度、下壓量。

微攪拌摩擦焊接過(guò)程的熱輸入qE可以近似表示為

式中 k為熱輸入常量系數(shù)；ω為主軸轉(zhuǎn)速；v為焊接速度。

微攪拌摩擦焊過(guò)程進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)焊接時(shí)，攪拌工具固定，軸肩和攪拌針尺寸為常數(shù)，同時(shí)當(dāng)壓入量一定時(shí)，摩擦系數(shù)和焊接壓力也為穩(wěn)定值，因此可以將這些固定的影響因子合并為一個(gè)常量系數(shù)k。同時(shí)，采用攪拌工具的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值（n=ω/v）表示攪拌工具以固定焊接速度移動(dòng)一定位移時(shí)攪拌工具的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，該比值可以近似表征攪拌摩擦焊接線(xiàn)能量。

為了研究微攪拌摩擦焊過(guò)程工件溫度分布，進(jìn)行了微攪拌摩擦焊測(cè)溫試驗(yàn)，如圖1所示。其中圖1a為微攪拌摩擦焊測(cè)溫現(xiàn)場(chǎng)，圖1b為測(cè)溫位置示意圖，采用K型（鎳鉻-鎳硅）熱電偶測(cè)量了焊接過(guò)程中焊縫周?chē)鷾囟茸兓?。測(cè)量點(diǎn)位于沿焊縫長(zhǎng)度方向距起焊點(diǎn)200 mm處，溫度測(cè)量點(diǎn)距離焊縫中心線(xiàn)5 mm、10 mm、15 mm，此時(shí)焊接熱過(guò)程經(jīng)過(guò)前面一段時(shí)間的穩(wěn)定，焊接過(guò)程進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用南京賀普科技有限公司生產(chǎn)的HPXY-8B型數(shù)據(jù)采集-函數(shù)記錄儀。該數(shù)據(jù)采集-函數(shù)記錄儀可實(shí)現(xiàn)8通道數(shù)據(jù)的同步采集，主要用于數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存。

圖1 平板微攪拌摩擦焊測(cè)溫試驗(yàn)

焊接速度是影響焊接過(guò)程工件溫度的重要參數(shù)，在其他工藝參數(shù)一定的情況下，研究焊接速度對(duì)工件溫度分布的影響。焊接過(guò)程工藝參數(shù)如表1所示（序號(hào)1～3）。主軸轉(zhuǎn)速固定為20 000 r/min，焊接速度分別為 100mm/min、300mm/min、500mm/min。攪拌摩擦焊接過(guò)程依靠攪拌工具高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱量，微攪拌摩擦焊焊縫寬度很小，因此主軸需要達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速來(lái)維持焊接過(guò)程所需能量，轉(zhuǎn)速要達(dá)到攪拌摩擦焊過(guò)程的10倍左右。研究主軸轉(zhuǎn)速對(duì)工件溫度變化的影響，采取的工藝參數(shù)見(jiàn)表1（序號(hào)4～7）。同時(shí)，下壓量也是重要的工藝參數(shù)，研究了下壓量及焊接過(guò)程外加壓縮空氣冷卻的影響作用。

表1 焊接過(guò)程工藝參數(shù)

2 微攪拌摩擦焊接頭組織特征

首先分析微攪拌摩擦焊接頭宏觀組織特征。攪拌摩擦焊焊縫為非對(duì)稱(chēng)性焊縫，可分為前進(jìn)側(cè)、后退側(cè)，如圖2所示。典型微攪拌摩擦焊接頭區(qū)域可分為焊核區(qū)、軸肩影響區(qū)、熱機(jī)影響區(qū)與熱影響區(qū)，焊核區(qū)位于焊縫中心，軸肩影響區(qū)位于焊縫上表面附近，熱機(jī)影響區(qū)位于焊核區(qū)外側(cè)，既受到熱作用的影響又受到機(jī)械攪拌作用的影響而使晶粒拉長(zhǎng)、變形，熱影響區(qū)位于熱機(jī)影響區(qū)外側(cè)，只受到熱作用的影響而呈現(xiàn)與母材不同的形態(tài)。

圖2 攪拌摩擦焊焊縫各區(qū)域劃分

圖3 微攪拌摩擦焊實(shí)際接頭形貌

圖4 低轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊搭接接頭

圖3a為0.5 mm厚鋁合金微攪拌摩擦焊搭接接頭形貌。主軸轉(zhuǎn)速25000r/min、焊接速度300mm/min，接頭金屬流動(dòng)紋路清晰可見(jiàn)，出現(xiàn)洋蔥環(huán)，組織為均勻細(xì)小的等軸晶，通過(guò)攪拌頭的花紋設(shè)計(jì)及焊接過(guò)程中下壓量控制，對(duì)焊接接頭減薄量控制較好。攪拌工具在焊接時(shí)高速旋轉(zhuǎn)（通常達(dá)到20 000 r/min以上）并向前運(yùn)動(dòng)，被焊區(qū)域被劇烈攪拌，達(dá)到再結(jié)晶溫度，在高溫和大變形速率條件下，形成了細(xì)密的再結(jié)晶等軸晶。

低轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊邊緣搭接面在攪拌針作用下向攪拌針后上方轉(zhuǎn)移，因?yàn)榻饘俅怪狈较蛄鲃?dòng)不充分，原有搭接面未充分結(jié)合，而形成如圖4所示的Hook缺陷。

圖3b為微攪拌摩擦焊搭接界面處組織，可以看出搭接界面處在微攪拌摩擦焊過(guò)程中通過(guò)攪拌工具的超高轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)，將搭接界面進(jìn)行了攪拌、混合和破碎，與低轉(zhuǎn)速焊接過(guò)程中仍保留的向上平滑彎曲的Hook搭接界面不同。而且熱影響區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)較不明顯，主要是由于微攪拌摩擦焊接過(guò)程中，攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度快，焊縫附近冷卻速度變化大，受到熱作用的影響區(qū)域較窄。微攪拌摩擦焊接頭受熱區(qū)域小，接頭軟化現(xiàn)象不明顯。因此適用于對(duì)于焊縫周?chē)牧匣蛟袦囟确秶蟮膽?yīng)用場(chǎng)合。

圖3c為軸肩影響區(qū)+熱機(jī)影響區(qū)+熱影響區(qū)，軸肩影響區(qū)在攪拌工具的熱和力的共同作用下成細(xì)小等軸晶，組織分布與母材相比晶粒被極大地細(xì)化了。攪拌工具軸肩的線(xiàn)速度比攪拌針的線(xiàn)速度大得多，因此攪拌作用更劇烈，晶粒尺寸也更細(xì)小。熱機(jī)影響區(qū)同時(shí)受到攪拌工具的機(jī)械作用和熱影響，受到高溫作用部分出現(xiàn)了等軸晶，另外部分晶粒受到機(jī)械拉伸作用發(fā)生變形。熱影響區(qū)只受到熱作用，晶粒長(zhǎng)大。與傳統(tǒng)攪拌焊相比，微攪拌摩擦焊接頭熱影響區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)不明顯，這是由于微攪拌摩擦焊旋轉(zhuǎn)速度快、焊接速度快、攪拌工具尺寸小，僅少量材料經(jīng)歷了快速加熱和冷卻過(guò)程，周?chē)绊憛^(qū)域較少。另外高速旋轉(zhuǎn)的攪拌工具和焊縫金屬局部溫度升高，使攪拌工具與焊縫金屬之間的摩擦系數(shù)有所降低，對(duì)于焊縫金屬的帶動(dòng)作用也不如傳統(tǒng)攪拌摩擦焊顯著，使熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)分布區(qū)域較小。

3 焊接速度對(duì)工件溫度變化的影響

主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min，焊接速度為100mm/min、300 mm/min、500 mm/min，對(duì)焊縫旁 5 mm、10 mm、15 mm距離處溫度分布進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。從單點(diǎn)溫度值變化趨勢(shì)可見(jiàn)，焊接過(guò)程中，溫度隨焊接熱源與被測(cè)點(diǎn)距離的減小而升高，當(dāng)距離較近時(shí)，溫度急劇升高，熱源遠(yuǎn)離后，溫度逐漸降低。被測(cè)點(diǎn)與焊縫中心線(xiàn)距離越遠(yuǎn)，溫度峰值越低。不同焊接過(guò)程，隨焊接速度的升高，焊接熱輸入降低，溫度峰值下降，焊接速度從100mm/min提升至500mm/min，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從116℃降至72℃。

工件晶粒溫度歷史決定了該點(diǎn)的組織形態(tài)變化，因此溫度峰值和溫度下降段的冷卻速度是決定該點(diǎn)組織變化的重要參數(shù)。經(jīng)計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)表1中不同工藝參數(shù)、不同被測(cè)位置處溫度下降階段的平均冷卻速度，如表2所示。其中負(fù)值代表了該過(guò)程為溫度下降的冷卻過(guò)程，相同焊接工藝參數(shù)下，距離焊縫中心線(xiàn)越遠(yuǎn)，冷卻時(shí)冷卻速度值越小。同一測(cè)量位置，其他參數(shù)不變，焊接速度越大，工件溫度峰值越低，冷卻時(shí)冷卻速度值越小。因此，當(dāng)選擇越大的焊接速度時(shí)，對(duì)其周?chē)M織的影響較小。

圖5 焊接速度變化時(shí)，焊縫旁5 mm、10 mm、15 mm處溫度分布

表2 不同參數(shù)、被測(cè)位置冷卻階段冷卻速度 ℃/s

4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)工件溫度變化的影響

焊接速度為150mm/min，主軸轉(zhuǎn)速分別為10000、15000、20000、25000r/min，對(duì)焊縫旁邊5mm、10mm、1 5 mm距離處進(jìn)行了溫度測(cè)試，如圖6所示。隨主軸轉(zhuǎn)速的升高，焊接熱輸入升高，溫度峰值升高，焊接速度不變，主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0000r/min升至25000r/min時(shí)，距離焊縫5mm處溫度峰值從100℃升至148℃。經(jīng)計(jì)算，得出對(duì)應(yīng)表1中不同工藝參數(shù)、不同被測(cè)位置處溫度下降階段的平均冷卻速度，如表4所示，表中冷卻速度負(fù)值代表該過(guò)程為冷卻過(guò)程。綜合分析圖6和表4中數(shù)據(jù)，隨焊接主軸轉(zhuǎn)速升高，攪拌工具提供給工件的能量密度變大，工件峰值溫度升高，且工件溫度下降時(shí)的冷卻速度值也變大。與焊縫距離越遠(yuǎn)，冷卻速度值越小。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速升高時(shí)，相應(yīng)提高焊接速度，可以降低工件高溫停留時(shí)間，并提高焊接效率。

圖6 主軸轉(zhuǎn)速變化時(shí)，焊縫旁5 mm、10 mm、15 mm處溫度分布

表3 不同參數(shù)、被測(cè)位置冷卻階段冷卻速度 ℃/s

5 下壓量及外加壓縮空氣冷卻作用的影響

分別對(duì)不同下壓量0.05mm和0.1mm焊接過(guò)程進(jìn)行了研究，溫度結(jié)果如圖7所示。下壓量從0.05 mm增大至0.1 mm，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從72.28℃增加至115.06℃，峰值增加了54.65%。溫度峰值試驗(yàn)證明，減小下壓量是工件溫度控制的有效手段之一。這是因?yàn)橄嗤附庸に噮?shù)，攪拌工具下壓量對(duì)焊接過(guò)程具有重要影響，下壓量越大，攪拌工具對(duì)工件的頂鍛力越大，焊接時(shí)攪拌工具移動(dòng)，隨之產(chǎn)生的摩擦系數(shù)、摩擦力也越大，因而增加了大量的摩擦熱，并對(duì)工件溫度產(chǎn)生巨大影響。在保證良好的焊縫成形和焊接質(zhì)量的前提下，應(yīng)盡量減小下壓量。

焊接過(guò)程中對(duì)焊縫噴冷卻壓縮空氣進(jìn)行氣冷，外加氣冷前后被測(cè)位置冷卻階段冷卻速度如表4所示。外加氣冷前后過(guò)程焊縫周?chē)鷾囟茸兓瘜?duì)比結(jié)果如圖8所示。距離焊縫5 mm處溫度峰值由100℃降至89℃，且冷卻過(guò)程溫度急劇下降，冷卻速度值增大約為未加氣冷時(shí)的4倍，有利于降低高溫停留時(shí)間，改善焊縫冷卻過(guò)程。

圖7 不同下壓量的焊接過(guò)程溫度變化

圖8 外加氣冷對(duì)于工件溫度變化的影響

表4 外加氣冷前后被測(cè)位置冷卻階段冷卻速度 ℃/s

6 結(jié)論

（1）微攪拌摩擦焊將搭接界面進(jìn)行了攪拌、混合和破碎，與低轉(zhuǎn)速焊接過(guò)程中仍保留的向上平滑彎曲的Hook搭接界面不同，且熱影響區(qū)與熱機(jī)影響區(qū)較不明顯。微攪拌摩擦焊過(guò)程熱輸入較低，加熱和冷卻速度較快。

（2）焊接速度越高，焊接熱輸入降低，溫度峰值下降，平均冷卻速度值降低，焊接速度從100mm/min提升至500 mm/min，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從116℃降至72℃；焊接主軸轉(zhuǎn)速越高，熱輸入越大，溫度峰值上升，平均冷卻速度值升高，距離焊縫5mm處，主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?0 000r/min提升至25000r/min時(shí)，溫度峰值從100℃升至148℃。

（3）下壓量是對(duì)焊接過(guò)程摩擦產(chǎn)熱影響較大的參數(shù)。下壓量增大，產(chǎn)熱劇烈升高。下壓量從0.05 mm增大至0.1 mm，距離焊縫5 mm處的溫度峰值從72.28℃增加至115.06℃，增加了54.65%。在保證焊接質(zhì)量的前提下，盡量降低下壓量對(duì)控制溫度峰值具有良好效果。

（4）外加氣冷對(duì)控制溫度峰值也具有良好效果，對(duì)冷卻速度的影響最大。加氣冷時(shí)距離焊縫5 mm處溫度峰值由100℃降至89℃，且冷卻速度值增大約為未加氣冷時(shí)的四倍，有利于降低高溫停留時(shí)間，改善焊縫冷卻過(guò)程。

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