占宏偉，焦向東，高 輝，周燦豐，陳家慶，陳 煜

(1.北京石油化工學(xué)院 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市工程研究中心，北京 102617；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

摩擦疊焊單元成型質(zhì)量影響因素研究

占宏偉1，焦向東1，高 輝1，周燦豐1，陳家慶1，陳 煜2

(1.北京石油化工學(xué)院 能源工程先進(jìn)連接技術(shù)北京市工程研究中心，北京 102617；2.上海核工程研究設(shè)計(jì)院，上海 200233)

摩擦疊焊單元成型的工藝參數(shù)對(duì)接頭表面成形及其性能有著決定性的影響。進(jìn)行了大量焊接工藝試驗(yàn)，考查了各種參數(shù)組合下的焊接接頭質(zhì)量，對(duì)比各焊接參數(shù)下接頭的微觀組織、宏觀形貌和焊接壓力，分析缺陷出現(xiàn)的原因并提出改善方法。結(jié)果表明：主軸轉(zhuǎn)速在3500r／min以上，焊接速度40mm／min以上的范圍內(nèi)，得到的焊接接頭組織致密均勻，缺陷少；圓頭圓底的形狀組合能帶來比其他組合更好的接頭質(zhì)量。焊縫區(qū)域材料在接頭底部“過渡區(qū)域”的流動(dòng)性較差，而且缺陷大多出現(xiàn)在此，采用圓頭圓底形狀組合能夠明顯改善這一現(xiàn)象。焊接壓力變化也對(duì)焊接質(zhì)量影響很大，在合適的參數(shù)組合作用下，得到的焊接壓力變化過程與實(shí)際焊接過程中金屬材料的加熱、塑化、凝固的變化過程對(duì)應(yīng)。

摩擦疊焊；接頭質(zhì)量；微觀組織；形狀組合；焊接壓力

0 前言

近年來，隨著海上油氣勘探和生產(chǎn)活動(dòng)的不斷增加，海洋石油的開采逐漸從近海向深海發(fā)展，水下結(jié)構(gòu)物修復(fù)的重要性也隨其使用年限的增加而凸顯出來。常用的修復(fù)方式有水下高壓干式焊接，其優(yōu)點(diǎn)是可以形成與陸上常壓焊接質(zhì)量相當(dāng)?shù)慕宇^，但是干式艙建造費(fèi)用高昂，且焊接電弧的穩(wěn)定性會(huì)隨著水深的增加而大幅度降低[1]。摩擦疊焊技術(shù)作為高壓干式焊接技術(shù)的有效補(bǔ)充，是英國(guó)焊接研究所(TWI)于1992年發(fā)明的以海洋平臺(tái)、海底管道修復(fù)為主要目的的固相焊接技術(shù)，該技術(shù)具有接頭性能優(yōu)異且高效、節(jié)能、無污染和廣泛的工藝適應(yīng)性等技術(shù)特色，而且對(duì)水不大敏感、不同水深焊接參數(shù)變化不大，是當(dāng)前深水金屬結(jié)構(gòu)物水下維修的熱門研究領(lǐng)域。近十年來，英國(guó)、德國(guó)、日本、美國(guó)、挪威等國(guó)家先后對(duì)摩擦疊焊焊接工藝進(jìn)行了研究[2-3]。在我國(guó)，以攪拌摩擦焊為代表的新型摩擦焊技術(shù)才剛剛起步，而摩擦疊焊技術(shù)從裝備到焊接工藝的研究均為空白。因此，摩擦疊焊焊接工藝的研究對(duì)我國(guó)摩擦疊焊技術(shù)的發(fā)展具有重要意義，能夠?yàn)槲覈?guó)海底管線、海洋平臺(tái)修復(fù)，以及眾多涉及水下工程的行業(yè)，如海洋工程、國(guó)防艦艇、港口橋梁等提供一定的技術(shù)儲(chǔ)備。

本研究旨在從三個(gè)方面進(jìn)行摩擦疊焊焊接工藝的研究。第一，研究焊接主軸轉(zhuǎn)速、焊接進(jìn)給速度對(duì)摩擦疊焊單元成型FHPP(Friction Hydro Pillar Processing)質(zhì)量的影響，并對(duì)各參數(shù)下接頭的微觀組織和出現(xiàn)缺陷的原因進(jìn)行分析；第二，研究塞棒和預(yù)制孔形狀組合對(duì)焊接接頭質(zhì)量的影響；第三，對(duì)不同焊接參數(shù)下的焊接壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和分析，能夠?yàn)榉治龊附映尚蜋C(jī)理和進(jìn)一步提高焊接質(zhì)量打下基礎(chǔ)，同時(shí)為深入開展理論和試驗(yàn)研究提供指導(dǎo)意義。

1 試驗(yàn)條件與方法

本試驗(yàn)設(shè)備是由北京石油化工學(xué)院海洋工程連接技術(shù)研究中心自主設(shè)計(jì)制造的國(guó)內(nèi)第一臺(tái)摩擦疊焊試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，焊接主軸頭是該設(shè)備中最為關(guān)鍵的部件，其最高軸向工作壓力20 kN，最高扭矩50 N·m，液壓馬達(dá)的最高轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到5000r／min。電控系統(tǒng)采用PLC為主控單元，觸摸屏作為人機(jī)操作界面。在摩擦疊焊工藝試驗(yàn)過程中，需要對(duì)各工藝參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和記錄，以便于進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和總結(jié)。因此，設(shè)計(jì)開發(fā)了一套專門用于摩擦疊焊焊接工藝試驗(yàn)的摩擦疊焊試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過西門子PLC采集由溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器和激光測(cè)速傳感器監(jiān)測(cè)到的各工藝參數(shù)信號(hào)，并由Wavebook數(shù)據(jù)采集器中的信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理，并將處理結(jié)果傳輸?shù)诫娔X，實(shí)現(xiàn)了工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在進(jìn)行摩擦疊焊單元成型工藝參數(shù)試驗(yàn)之后，選擇出不同焊接參數(shù)下的典型試樣進(jìn)行分析，對(duì)轉(zhuǎn)速一定、進(jìn)給速度不同和進(jìn)給速度一定、轉(zhuǎn)速不同條件下的接頭外貌進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速較進(jìn)給速度更為重要，轉(zhuǎn)速較高如3 500 r／min以上且進(jìn)給速度也較大時(shí)，工藝參數(shù)組合具有較好的穩(wěn)定性，且能獲得性能良好的接頭質(zhì)量，同時(shí)，接頭質(zhì)量呈現(xiàn)出隨著進(jìn)給速度的增加而不斷提高的趨勢(shì)。

圖1 摩擦疊焊試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 Friction stitch welding experiment system

2.1.1 轉(zhuǎn)速對(duì)焊接質(zhì)量的影響

在焊接速度一定，焊接轉(zhuǎn)速不同的情況下，進(jìn)行了焊接單元成型試驗(yàn)，其微觀組織如圖2所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速明顯帶來了更好的焊接質(zhì)量，其材料組織更致密，晶粒更細(xì)小(見圖2a)；轉(zhuǎn)速低時(shí)，材料組織相對(duì)疏松(見圖2b)。因?yàn)檗D(zhuǎn)速高，產(chǎn)熱率大，材料的熱輸入多，摩擦面附近材料則更容易達(dá)到塑性化狀態(tài)，材料在基孔內(nèi)的流動(dòng)性和擴(kuò)散性更好，因而材料填充得更加充分，使得組織材料更加致密。同時(shí)，晶粒大小對(duì)接頭力學(xué)性能影響較大，晶粒越細(xì)小，晶界越多，由于晶界對(duì)位錯(cuò)的阻塞作用，使得材料對(duì)變形的阻力增大，這樣材料強(qiáng)度和硬度越高[4-5]。晶粒細(xì)小在提高接頭強(qiáng)度的同時(shí)，還提高了接頭的塑韌性[6]，使接頭具有較好的綜合力學(xué)性能。

2.1.2 進(jìn)給速度對(duì)焊接質(zhì)量的影響

圖2 接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of the joints

在焊接轉(zhuǎn)速一定，焊接進(jìn)給速度不同的情況下，進(jìn)行了焊接單元成型試驗(yàn)，其微觀組織如圖3所示。發(fā)現(xiàn)進(jìn)給速度高時(shí)材料填充較好，但塞棒和母材間有明顯的焊接熔合線和黑色析出物(見圖3a)；進(jìn)給速度低時(shí)底部接觸區(qū)域熔合較差，存在較大氣孔(見圖3b)。由于鋁合金容易在高溫下被氧化，導(dǎo)致焊縫中出現(xiàn)了氧化夾渣，呈黑色(見圖3a)；焊接熔合線是由于鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)和體積收縮率均較大，因而產(chǎn)生了焊接變形和內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)致出現(xiàn)了焊接熔合線。圖3b中缺陷產(chǎn)生的主要原因有兩點(diǎn)：一是焊接進(jìn)給速度不足，焊合區(qū)內(nèi)部孔隙大，材料填充不夠充分，出現(xiàn)了疏松、氣孔等缺陷；二是焊接過程中試件表面的氧化鋁易吸收水分[7]，產(chǎn)生了氫氣但來不及逸出而造成氣孔的出現(xiàn)。

圖3 接頭缺陷微觀形貌Fig.3 Microstructure of joints＇lacuna

2.2 試件形狀對(duì)焊接質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)采用三種不同形狀的塞棒與基塊預(yù)置孔組合進(jìn)行了試驗(yàn)，分別為平頭平底、錐頭錐底、圓頭圓底形狀組合，挑選出各形狀下典型的焊接接頭，如圖4所示。由圖可見：塞棒與基塊預(yù)置孔形狀組合為平頭平底的試件焊接質(zhì)量明顯差于其他兩種形式的組合，而且圓頭圓底形狀組合的接頭質(zhì)量尤其好，如圖4c所示。大量的焊接對(duì)比試驗(yàn)顯示：在相同的保護(hù)氣流量、主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等參數(shù)條件下，圓頭圓底組合的接頭是以上焊接過程中質(zhì)量最好，成品率最高的組合。這是由于隨著塞棒與基孔組合形狀的改善，焊縫區(qū)域金屬材料更容易達(dá)到超塑性狀態(tài)，塑性材料在焊接底部“過渡區(qū)域”的流動(dòng)性也更好，因而材料填充更加充分，焊接缺陷得以減少。

圖4 不同形狀組合下的接頭形貌Fig.4 Joints features of different shape combinations

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊接缺陷大多出現(xiàn)在焊接初始階段，因?yàn)楹附娱_始時(shí)接觸摩擦面附近區(qū)域的材料溫度較低，因而提高焊接初始溫度能夠減少缺陷的產(chǎn)生和缺陷的大小。因?yàn)樵龃竽Σ两佑|面積可以增加塞棒與基孔開始接觸時(shí)的摩擦阻力，進(jìn)而增加摩擦?xí)r間，導(dǎo)致產(chǎn)生更多的焊接熱輸入，所以圓頭圓底組合能夠比前者帶來更好的焊接質(zhì)量。另外，增加輔助熱源也是有效提高焊接接頭質(zhì)量的方法之一。

2.3 不同工藝參數(shù)下的焊接壓力比較

在摩擦疊焊單元成型試驗(yàn)中，焊接壓力對(duì)焊接質(zhì)量影響較大。焊接壓力增加會(huì)使材料熔化速率增加，焊接時(shí)間減小，加熱時(shí)間減小，材料冷卻速率增加，導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)的硬度增加以及材料拉伸強(qiáng)度的增加[8]。焊接壓力上升過快，表明結(jié)合面上未形成焊接所需達(dá)到的塑性狀態(tài)，而得不到良好的焊接質(zhì)量；焊接壓力上升過慢，會(huì)使金屬材料在冷卻結(jié)晶過程中，塑性層與塑性層之間不能緊密結(jié)合，亦不能得到質(zhì)量?jī)?yōu)異的焊接接頭，如圖5中焊接轉(zhuǎn)速為4 000 r／min，進(jìn)給速度為20 mm／min參數(shù)下的焊接壓力，其微觀缺陷如圖3b所示；同時(shí)，焊接壓力在焊接實(shí)際過程中是一個(gè)上下變化的循環(huán)過程，這樣才與超塑性材料的塑化、凝固、連接的焊接過程相對(duì)應(yīng)。

3 結(jié)論

(1)摩擦疊焊單元成型的工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭質(zhì)量影響重大。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)焊接過程中采用高轉(zhuǎn)速時(shí)，能顯著增大產(chǎn)熱功率，使得接觸摩擦面附近材料容易達(dá)到塑性狀態(tài)，材料組織更加致密均勻，晶粒更加細(xì)?。徊捎酶哌M(jìn)給速度時(shí)，焊接壓力對(duì)材料起著密封和鍛造的作用，對(duì)晶粒也有破碎的效果。

圖5 各工藝參數(shù)下的焊接壓力曲線Fig.5 Welding pressure of different parameters

(2)通過不同摩擦面形狀組合的對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)圓頭圓底的形狀組合能帶來最好的接頭質(zhì)量。焊縫區(qū)域材料一般在接頭底部“過渡區(qū)域”的流動(dòng)性較差，缺陷大多出現(xiàn)在此，采用圓頭圓底形狀組合能夠明顯減少初始階段的焊接缺陷。

(3)在焊接過程中，焊接壓力的控制對(duì)焊接質(zhì)量的影響同樣很大，高轉(zhuǎn)速和較高進(jìn)給速度的參數(shù)組合下能出現(xiàn)良好的焊接壓力變化過程，得到優(yōu)異的焊接接頭質(zhì)量。

[1]焦向東，周燦豐，陳家慶，等.21世紀(jì)海洋工程連接技術(shù)的挑戰(zhàn)與對(duì)策[J].電焊機(jī)，2007，37(6)：75-80

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[8] Meyer A.Friction hydro pillar processing bonding mechanism and properties[D].GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH，Geesthacht，2003.

Study on the influence factor for friction hydro pillar processing

ZHAN hong-wei1，JIAO Xiang-dong1，GAO Hui1，ZHOU Can-feng1，CHEN Jia-qing1，CHEN Yu2
(1.Research Center of Offshore Engineering Joining Technology，Beijing Institute of Petrol-chemical Technology, Beijing 102617，China；2.Shanghai Nuclear Engineering Research＆Design Institute，Shanghai 200233，China)

The welding parameters of friction hydro pillar processing play an important part in the welded joints'figuration and properties.Large numbers of welding processing experiments were conducted，and the welding quality，microstructure，macro features as well as the welding pressure of various parameters were tested.Besides，the cause of welding defects was analyzed and improvements were put forward.The results indicated that the microstructure of welded joints was regular and compact，and the welding defect was seldom when the spindle speed was above 3 500 r／min and welding speed was above 40 mm／min.The welding quality from the round head-round bottomed combination was better than the other combinations.Welding material's flowability at the transitional area of joints bottom was poor and the welding defects always occur nearby，and this problem can be solved by using the round bottomed combination.Moreover，welding pressure also has a great influence on the welding quality.The acquired pressure history was in line with process of actual welding while the welding parameters were set properly.

friction stitch welding；joint quality；microstructure；shape combinations；welding pressure

TG453+.9

A

1001-2303(2011)05-0062-04

2011-04-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50675022)；北京市自然基金資助項(xiàng)目(3102012)；北京市人才強(qiáng)教計(jì)劃高層次人才資助項(xiàng)目(PHR20090519)；北京市人才強(qiáng)教計(jì)劃高層次人才資助項(xiàng)目(PHR201007134)；北京市教委科研項(xiàng)目(KM201010017002)

占宏偉(1987—)，男，湖北荊州人，在讀碩士，主要從事摩擦疊焊和機(jī)電一體的研究工作。