基于數(shù)學(xué)模型的熱處理鋁合金水下攪拌摩擦焊接參數(shù)優(yōu)化

劉曉春，趙　歡

（南昌理工學(xué)院，江西南昌330044）

基于數(shù)學(xué)模型的熱處理鋁合金水下攪拌摩擦焊接參數(shù)優(yōu)化

劉曉春，趙歡

（南昌理工學(xué)院，江西南昌330044）

在熱處理鋁合金攪拌摩擦焊接中，焊接熱循環(huán)會(huì)使接頭局部軟化，降低接頭性能。水下攪拌焊接技術(shù)已被證明可以提高接頭強(qiáng)度。為了獲得最佳水下攪拌摩擦焊接工藝條件，建立了2219-T6鋁合金水下攪拌摩擦焊接數(shù)學(xué)模型，最大限度地來優(yōu)化焊接參數(shù)。結(jié)果表明，水下攪拌摩擦焊接接頭可以達(dá)到360 MPa的抗拉強(qiáng)度，遠(yuǎn)高于正常焊接條件下的抗拉強(qiáng)度。

鋁合金；攪拌摩擦焊接；機(jī)械性能

1　簡(jiǎn)介

由于優(yōu)良的比強(qiáng)度性能，熱處理鋁合金廣泛應(yīng)用于航空和航天工程。攪拌摩擦焊接是一種固態(tài)的焊接工藝，特別適用于鋁合金焊縫很難融合的真空焊接領(lǐng)域[1]。關(guān)于熱處理鋁合金的攪拌摩擦焊接，在熱循環(huán)過程中粗大的晶粒會(huì)從接頭處析出或溶解使得機(jī)械性能增強(qiáng)[2]。近幾年，通過控制溫度來提高焊接性能一直是人們關(guān)注的重點(diǎn)。因?yàn)樗渚哂袃?yōu)異的冷卻效果，廣泛應(yīng)用于攪拌摩擦焊接過程中。有研究表明[3]，使用7075-T6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊接，在焊接過程中水流過試件上表面，接頭的拉伸強(qiáng)度得到一定程度的提高。為了充分利用水的吸熱能力，本研究利用2219-T6鋁合金在水下進(jìn)行攪拌摩擦焊接，在焊接過程中，將整個(gè)工件浸沒在水中。結(jié)果表明，水下焊接的接頭拉伸強(qiáng)度高于普通焊接條件下接頭的拉伸強(qiáng)度。

對(duì)于普通的攪拌摩擦焊接，以往研究已經(jīng)非常重視外部冷卻水對(duì)強(qiáng)度提高的作用。從應(yīng)用的觀點(diǎn)出發(fā)，這對(duì)于優(yōu)化攪拌摩擦焊接冷卻效果，獲得最大程度上的機(jī)械性能是非常重要的。通過研究2219-T6鋁合金的水下焊接，建立了數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)接頭處的抗拉強(qiáng)度。利用該模型優(yōu)化焊接參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使其最大程度上提高水下焊接接頭的抗拉強(qiáng)度，并為水下攪拌摩擦焊接性能預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

2　試驗(yàn)過程

試驗(yàn)材料采用7.5mm厚的2219-T6鋁合金板，其化學(xué)元素成分和機(jī)械性能見表1。將鋁合金板加工成300 mm×100 mm的矩形焊接試件。使用丙酮清洗后，將試件放在容器中的墊板上，向容器中導(dǎo)入室溫的水，浸沒整個(gè)試件。水下攪拌摩擦焊接示意如圖1所示。使用攪拌摩擦焊接設(shè)備（FSW-3LM-003）對(duì)試件在水下進(jìn)行縱向焊接。已證實(shí)刀具的幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度和插入深度是影響攪拌摩擦焊接接頭機(jī)械性能的主要因素；以往的研究表明，使用肩部直徑22.5 mm和7.4 mm長的攪拌針能夠使所選材料在攪拌摩擦焊接工藝下生成沒有缺陷的焊縫[4]。本實(shí)驗(yàn)將使用此種攪拌針。通過實(shí)驗(yàn)來確定旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和軸肩插入深度的最佳參數(shù)。確定的焊接參數(shù)范圍如表2所示。

表1　2219-T6鋁合金的化學(xué)元素成分和機(jī)械性能

圖1　水下攪拌摩擦焊接示意

表2　焊接參數(shù)和等級(jí)設(shè)置

通過Box-Behnken實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，采用3級(jí)3因子實(shí)驗(yàn)找到了響應(yīng)（拉伸強(qiáng)度）和變量（焊接參數(shù)）之間的關(guān)系。該模型的優(yōu)點(diǎn)是允許使用相對(duì)較少的變量組合確定復(fù)雜的響應(yīng)函數(shù)[5]。變量的級(jí)別為1（低），0（中間點(diǎn)）和1（高）（見表2）。一共設(shè)計(jì)了15組實(shí)驗(yàn)，實(shí)際模型和結(jié)果如表3所示。水下的攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)通過這些設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用K型熱電偶來保證攪拌摩擦焊接過程中試件的溫度。所測(cè)量的位置在熱量的影響范圍內(nèi)（HAZ，從焊接中心6 mm范圍內(nèi)），然后延伸到該金屬試件沿寬度方向的中間位置。焊接完成后，將試件從接頭處橫向切開。拉伸試樣按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2651-2008制備。在室溫下，通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)設(shè)備以1mm/min的速度進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。通過在同一接頭處取的三個(gè)拉伸試件來確定該接頭的性能。拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，利用光學(xué)顯微鏡（OM，Olympus-MPG3）和掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi-S4700）對(duì)接頭進(jìn)行斷裂特性分析。并且利用專門設(shè)計(jì)的軟件對(duì)數(shù)學(xué)模型和一系列的統(tǒng)計(jì)進(jìn)行分析。

表3　Box-Behnken的設(shè)計(jì)模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)接頭的細(xì)節(jié)進(jìn)行分析。在熱力影響區(qū)域內(nèi)和焊接體中間厚度的基點(diǎn)平行于焊縫方向切成金屬薄片樣本。這些樣本首先進(jìn)行機(jī)械加工然后再進(jìn)行手工拋光，使其厚度達(dá)到100 μm，最后進(jìn)行電解拋光。

3　結(jié)果和討論

3.1數(shù)學(xué)模型的建立

三個(gè)變量二次方程中的y可表示為

式中b0為常數(shù)項(xiàng)；bi為一次項(xiàng)系數(shù)；bii為二次項(xiàng)系數(shù)；bij為交差項(xiàng)系數(shù)。本研究中，該方程表示為拉伸強(qiáng)度（TS）是旋轉(zhuǎn)速度（ω）、焊接速度（v）和軸肩插入深度（p）的函數(shù)，因此該方程可以表示為

拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過對(duì)設(shè)計(jì)矩陣和方程式結(jié)果進(jìn)行多元回歸分析，建立了二階多項(xiàng)式方程

用方差分析來檢查方程中的重要項(xiàng)（見表4）。這個(gè)模型給出了一個(gè)精確的F值，表明該模型充分代表了實(shí)際的響應(yīng)和變量之間的關(guān)系。很明顯每個(gè)模型中p<0.05，表明ω、v、ω2v2、p2這些系數(shù)非常符合這個(gè)模型。提出了一種決定系數(shù)0.96（R2）和調(diào)整的決定系數(shù)0.89（調(diào)整后-R2），這意味著實(shí)驗(yàn)和預(yù)測(cè)結(jié)果之間有很高的相關(guān)性。

表4　二階多項(xiàng)式方程方差分析

設(shè)計(jì)這個(gè)模型有兩個(gè)作用：

（1）在本方案范圍內(nèi)，任何參數(shù)的結(jié)合都能夠通過該數(shù)學(xué)模型來預(yù)測(cè)接頭的性能。

（2）水下攪拌摩擦焊接工藝的優(yōu)化可以通過該模型來進(jìn)行。

3.2焊接工藝參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響

優(yōu)化之前有必要闡明焊接參數(shù)對(duì)拉伸強(qiáng)度的影響。為此，基于該模型設(shè)定了中間水平參數(shù)和其他兩個(gè)參數(shù)作為變量畫出了三維響應(yīng)面圖和等高線圖，如圖2所示。在焊接速度和軸肩插入深度一定的條件下，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，抗拉強(qiáng)度先增加到一個(gè)最大值后減小（見圖2a～圖2d）。由于攪拌針攪拌作用不足，使得在低轉(zhuǎn)速下抗拉強(qiáng)度較低，在一定范圍內(nèi)增加旋轉(zhuǎn)速度可以提高拉伸強(qiáng)度。但是，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加到一個(gè)很大的值后，其產(chǎn)生的熱量就會(huì)成為主要的熱量輸入，反而降低拉伸強(qiáng)度。這就是為什么當(dāng)速度接近1 000 r/min時(shí)能得到較高的抗拉強(qiáng)度。

在一定的旋轉(zhuǎn)速度和軸肩插入深度時(shí)，隨著焊接速度的增加，抗拉強(qiáng)度會(huì)達(dá)到一個(gè)確定的值，繼續(xù)增加焊接速度，抗拉強(qiáng)度基本保持不變（見圖2a、2b和2e、2f）。較低的焊接速度會(huì)使得大量的熱量傳入到焊接樣品中，嚴(yán)重影響接頭處的機(jī)械性能。當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增加，溫度循環(huán)對(duì)接頭性能的影響會(huì)降低，拉伸強(qiáng)度提高。因此，相對(duì)較高的焊接速度（200 mm/min）有利于形成高質(zhì)量的水下接頭。

轉(zhuǎn)速和焊接速度一定時(shí)，隨著軸肩插入深度的增加抗拉強(qiáng)度的變化趨勢(shì)與轉(zhuǎn)速變化時(shí)的趨勢(shì)類似，即先增加到一個(gè)最大值然后降低（見表2c～2f）。但是，相對(duì)于改變轉(zhuǎn)速而言，改變軸肩插入深度并不能使抗拉強(qiáng)度產(chǎn)生較大的變化。在一定范圍內(nèi)增加軸肩插入深度能夠增強(qiáng)金屬的鍛造性和提高金屬的混合程度和相互擴(kuò)散性，這樣能夠使強(qiáng)度提高。如果設(shè)定一個(gè)相當(dāng)大的肩插入深度，導(dǎo)入到工件中的熱量就會(huì)使強(qiáng)化后的析出物溶解而降低拉伸強(qiáng)度的降低。試驗(yàn)可知，肩插入深度接近0.3 mm時(shí)能夠獲得較高的拉伸強(qiáng)度。

3.3焊接工藝參數(shù)優(yōu)化

圖2　響應(yīng)面圖及其分別對(duì)應(yīng)的等高線

在任何兩個(gè)變量和相應(yīng)函數(shù)構(gòu)成的響應(yīng)面曲線中都能觀察到一個(gè)最大值點(diǎn)，這表明實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)抗拉強(qiáng)度有一個(gè)最大值。通過分析響應(yīng)面曲線和等高線，能夠獲得最佳的焊接參數(shù)和和最大的拉伸強(qiáng)度如表5所示。為了證明該過程的有效性，水下攪拌摩擦焊接將會(huì)使用優(yōu)化的焊接參數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果跟預(yù)測(cè)值表現(xiàn)出高度的一致性。在轉(zhuǎn)速600r/min、焊接速度200 mm/min、肩插入深度0.3 mm的焊接條件下，利用普通的攪拌摩擦焊，可獲得最高強(qiáng)度330 MPa的接頭。焊接參數(shù)相同，采用水下攪拌摩擦焊能夠獲得強(qiáng)度360 MPa接頭，比普通的攪拌摩擦焊接得到的強(qiáng)度高9％。

表5　最佳焊接參數(shù)和最大拉伸強(qiáng)度

3.4水下攪拌摩擦焊接提高強(qiáng)度的原因分析

為了準(zhǔn)確地了解水下攪拌摩擦焊接提高強(qiáng)度的原因，詳細(xì)分析了普通條件和水下攪拌摩擦焊接中得到的最佳的接頭。

從圖3的焊接熱循環(huán)中可知，最佳水下接頭實(shí)驗(yàn)的最高溫度低于普通條件下接頭的最高溫度。此外，最佳的水下接頭具有更高的加熱和冷卻速度，使給定的溫度在接頭處停留更短。這就意味著在攪拌摩擦焊接中用水冷卻有效的控制了此過程中溫度的變化。溶質(zhì)原子的擴(kuò)散受到限制，這使得攪拌摩擦焊接期間沉淀劣化程度降低，如圖4所示。

圖3　最佳接頭的溫度變化過程

兩個(gè)接頭的斷裂特性如圖5所示。普通焊接接頭的斷裂面靠近機(jī)械熱影響區(qū)（TMAZ）和熱影響區(qū)（HAZ）（見圖5a）。與其相反，水下攪拌摩擦焊接接頭斷裂界面通過焊接區(qū)域，接近焊接中心。斷裂位置的變化進(jìn)一步證明了材料軟化的減少。圖5c中大的凹陷反映出，靠近機(jī)械熱影響區(qū)和熱影響區(qū)晶粒明顯增大；與之相反，圖5d中的凹陷表示的是典型的焊接晶粒的結(jié)構(gòu)。

之前的研究還發(fā)現(xiàn)，對(duì)于外部冷卻液對(duì)攪拌摩擦焊接接頭的強(qiáng)度提高有積極的影響。然而，在攪拌摩擦焊接的過程中進(jìn)行冷卻所得到的參數(shù)跟普通條件下攪拌摩擦焊接的參數(shù)相同。通過外部液體的冷卻，可以使用于攪拌摩擦焊接的熱處理鋁合金接頭的機(jī)械性能得到提高。進(jìn)行攪拌摩擦焊接的過程中，冷卻水盡可能多的限制工件附近的熱量傳入接頭中。因此跟普通攪拌摩擦焊接條件相比，能夠進(jìn)一步減小由于熱循環(huán)對(duì)接頭局部微小結(jié)構(gòu)的影響。通過水下攪拌摩擦焊接能夠獲得具有良好拉伸性能的接頭。

4　結(jié)論

（1）通過2219-T6鋁合金水下攪拌摩擦焊接建立拉伸強(qiáng)度和焊接參數(shù)之間的數(shù)學(xué)模型，用于預(yù)測(cè)接頭拉伸強(qiáng)度。方差分析表明，旋轉(zhuǎn)速度和焊接強(qiáng)度是影響拉伸強(qiáng)度的主要參數(shù)。

（2）分析建立的模型，明確影響水下接頭拉伸強(qiáng)度的焊接參數(shù)，分析影響這些因素的內(nèi)在原因。

（3）最佳結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)證實(shí)水下攪拌摩擦焊接能夠使接頭最高強(qiáng)度達(dá)到360 MPa，這個(gè)值比普通條件下攪拌摩擦焊接的最大值高9％。水下攪拌摩擦焊接溫度控制和微觀結(jié)構(gòu)的改變是強(qiáng)度增加的主要因素。

[1]楊景宏，張欣盟，夏常青，等.6082-T6鋁合金厚板的攪拌摩擦焊[J].焊接，2013（05）：25-28+69.

[2]傅志紅，賀地求，周鵬展，等.7A52鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的組織分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2010（03）：65-68+116.

[3]李志剛，賈慧芳，李剛，等.水下焊接穩(wěn)弧裝置的磁場(chǎng)及其雙流道流場(chǎng)[J].電焊機(jī)，2014，44（03）：55-59.

[4]黃華，董仕節(jié)，劉靜，等.攪拌摩擦焊在車船制造中的應(yīng)用[J].有色金屬，2011（04）：22-25.

[5]沈洋，何曉梅，呂爽，等.攪拌摩擦焊數(shù)值模擬的現(xiàn)狀[J].材料導(dǎo)報(bào)，2012（03）：223-225+229.

Parameters optimizations of underwater friction stir welding for heat-treated aluminum alloy based on mathematical model

LIU Xiaochun，ZHAO Huan
（NanchangligongUniversity，Nanchang330044，China）

In the friction stir welding(FSW)process of heat-treated aluminum alloy，the welding thermal cycle can soften part of joints and thus lead to joint performance degradation.Relative to the common joints，it has been proved that underwater welding technique can improve joint strength.In order to get the best underwater welding technique conditions，in the study of this paper a mathematical model of underwater friction stir welding for 2219-T6 aluminum alloy is established to optimize the welding parameters to the greatest extent.The results show that the underwater friction stir welding can achieve maximum tensile strength of 360 MPa，which is higher than the maximum tensile strength under normal welding condition.

aluminum alloy；friction stir welding；mechanical property

圖4　在基體和熱影響區(qū)內(nèi)的沉淀分布

TG453+.9

A

1001－2303（2015）11－0040-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.08

2015-03-25

劉曉春（1980—），男，江西泰和人，講師，碩士，主要從事數(shù)學(xué)建模、應(yīng)用數(shù)學(xué)的研究工作。