基于田口法的高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊接工藝優(yōu)化

周海波，浦娟，龍偉民，饒嘉威，陳書錦

(1.江蘇航運職業(yè)技術學院，江蘇 南通 226010；2.江蘇科技大學，江蘇 鎮(zhèn)江 212000；3.中機智能裝備創(chuàng)新研究院(寧波)有限公司，浙江 寧波 315700)

0 前言

高硅鋁合金因其密度低、線膨脹系數低、熱力學性能好等特點，應用廣泛[1-5]。但高硅鋁合金具有較大脆硬性較難焊接，采用熔化焊如激光焊、電子束焊等雖然可以實現其連接，但因焊接熱輸入過大，易造成焊接接頭中初晶硅和共晶硅粗大而降低焊接接頭韌性[6]。基于這一現狀，文中擬采用綠色制造方法——超高旋轉速度攪拌摩擦焊開展高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊的工藝研究。

采用傳統(tǒng)方法進行高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊工藝研究需要進行大量的試驗。而田口法通過DOE設計試驗，大大減少了試驗次數，能獲得試驗參數最優(yōu)化趨勢，具有很強的可行性，被國內外學者廣泛地應用于各種焊接工藝參數優(yōu)化中[7-12]。Bozkurt等人[7]以攪拌摩擦焊接聚乙烯薄膜接頭最大拉伸強度為響應值，采用Taguchi法對焊接工藝參數進行優(yōu)化。Datta等人[10]以埋弧焊接接頭幾何尺寸和熱影響區(qū)寬度為響應值，采用Taguchi法對埋弧焊接工藝參數進行優(yōu)化設計。Anawa等人[11]使用Taguchi法優(yōu)化設計異種材料的激光焊接工藝參數。上述學者們研究表明：田口法是一種低成本、高質量、高穩(wěn)定性的一種正交設計方法。

文中采用田口法對高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊接工藝參數進行優(yōu)化，通過信噪比(S/N)分析和方差分析(ANOVA)研究焊接速度、旋轉速度、下壓量3個工藝參數對焊接接頭質量的影響，以期獲得高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊最佳工藝參數。

1 試驗設計及方法

文中所選母材為噴射成型的AlSi70合金，尺寸為60 mm×40 mm×2 mm，母材抗拉強度為135.6 MPa。對高硅鋁合金進行超高旋轉速度攪拌摩擦焊接工藝研究，根據前期的試驗，焊接工藝參數選擇范圍見表1。選定表1中焊接速度、旋轉速度、下壓量3個工藝參數為控制因子，每個控制因子選擇3個水平，設計結果見表2。基于田口法選用L16(34)正交矩陣表設計焊接工藝參數，結果見表3。依據表3對高硅鋁合金進行超高旋轉速度攪拌摩擦焊接工藝試驗研究，所得焊接接頭的宏觀形貌如圖1所示。以焊縫成形質量和焊接接頭抗拉強度作為響應值，表4是焊縫成形質量的考核評分細則。表5是依據表3中焊接工藝參數所得的焊縫成形質量評分和焊接接頭抗拉強度，對結果進行信噪比(S/N)分析和方差分析

表1 超高旋轉速度攪拌摩擦焊接工藝參數

表2 正交試驗中的主要因素及水平值

表3 正交設計結果

表4 焊縫成形質量評定標準

表5 焊縫成型質量評分和焊接接頭抗拉強度

圖1 焊接接頭宏觀形貌

2 結果與分析

2.1 信噪比分析

圖2是基于田口法中望大特性所得的信噪比(S/N)分析結果，信噪比是根據控制因子的數值大小來反映響應值焊縫成形質量和焊接接頭抗拉強度的波動，信噪比越大，焊縫成形質量越好，焊接接頭抗拉強度越大。由圖2可知，當焊接速度為60 cm/min時，旋轉速度為14 000 r/min，下壓量為1.8 mm時，響應值焊縫成形質量和焊接接頭抗拉強度的信噪比值最大，焊接接頭質量最好。由此可以說明，這一工藝參數為最優(yōu)焊接工藝參數。

圖2 信噪比(S/N)分析結果

2.2 方差分析

表6和表7分別是采用逐步回歸法簡化后的二次方模型以高硅鋁合金超高轉速攪拌摩擦焊縫成形質量評分和焊接接頭抗拉強度作為響應值進行方差分析的結果。表格中F是因子均差與殘差均差的比值。若兩方差數值相差不大，兩者比率接近1，則表明此因子對響應無重要影響。p>F表示假定F為1的可能性(假設因子對響應無影響)。如果p>F值非常小(小于0.05)，說明因子對響應的影響較大，且p>F值越小，因子對響應的影響越大。由表6和表7可知，不論是以焊縫成形質量評分還是以焊接接頭抗拉強度作為響應值，焊接速度和下壓量對響應值影響較大。

表6 以焊縫成形質量評分作為響應的方差分析結果

表7 以焊接接頭抗拉強度作為響應的方差分析結果

圖3是旋轉速度為14 000 r/min時，焊接速度和下壓量對焊縫成形質量評分的三維曲面響應圖。由圖可以看出，焊接速度越大，焊縫成形質量評分越高，焊縫成形質量越好；同時隨著下壓量增加至1.8 mm，焊縫成形質量評分最高，焊縫成形質量最好。圖4是旋轉速度為14 000 r/min時，焊接速度和下壓量對焊接接頭抗拉強度值的三維曲面響應圖。由圖可知，隨著下壓量和焊接速度的增加，焊接接頭抗拉強度評分較高，焊接接頭性能較好。上述結果表明：旋轉速度為14 000 r/min時，焊接速度為60 cm/min，下壓量為1.8 mm時，高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊縫成形質量最好，焊接接頭抗拉強度最大，這與信噪比(S/N)分析結果一致。

圖3 焊縫成形質量評分三維曲面響應圖

圖4 焊接接頭抗拉強度三維曲面響應圖

2.3 試驗驗證

圖5是主軸角度為1.011°，攪拌針長為1.9 mm，攪拌頭轉速為14 000 r/min、焊接速度為60 mm/min、下壓量為1.8 mm時，焊縫宏觀形貌和微觀形貌。從圖5a可知，在本工藝參數條件下，高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊接接頭無飛邊、溝槽、隧道和明顯減薄等缺陷，焊縫質量較高。由圖5b可以看出，焊接接頭的焊縫區(qū)域和熱機影響區(qū)組織無粗大顆粒狀硅相，可以推測焊接接頭性能較好。

圖5 焊縫形貌

從焊接接頭上截取5個試樣，依據 GB/T 228—2002《室溫拉伸試驗方法》進行抗拉強度試驗，結果取其平均值。焊接接頭抗拉強度值為129 MPa，達到高硅鋁合金抗拉強度值的97%。圖6是焊接接頭拉伸斷口形貌圖。由圖6a可知，焊接接頭拉伸斷口呈現韌性斷裂特征，具有典型的韌窩，韌窩中硅相顆粒較細，如圖6b所示，這反映了高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊接接頭具有較好的抗拉強度。

圖6 焊接接頭拉伸斷口形貌

3 結論

(1)當焊接速度為60 cm/min時，旋轉速度為14 000 r/min，下壓量為1.8 mm時，響應值焊縫成形質量和焊接接頭抗拉強度的信噪比值最大，焊接接頭質量最好。

(2)不論是以焊縫成形質量評分還是以焊接接頭抗拉強度作為響應值，焊接速度和下壓量均為顯著影響因素，方差分析結果驗證了信噪比分析結果。

(3)在最優(yōu)焊接工藝參數下，高硅鋁合金超高旋轉速度攪拌摩擦焊接頭抗拉強度為129 MPa，為母材抗拉強度的97%。