李敬勇， 亢曉亮， 趙陽(yáng)陽(yáng)

（江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型的固相連接技術(shù)［1］，是當(dāng)今焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一［2］。攪拌頭是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵，軸肩和攪拌針的幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過(guò)程的熱輸入方式，還影響著焊接過(guò)程中攪拌頭附近塑態(tài)軟化材料的流動(dòng)形式［3］，也就是說(shuō)，攪拌頭的幾何特征不僅對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的溫度場(chǎng)分布，而且對(duì)焊縫的形態(tài)等均有明顯影響。因此，人們?cè)跀嚢桀^設(shè)計(jì)方面開(kāi)展了大量的研究工作［4～6］。

研究攪拌摩擦焊接過(guò)程中焊接試板溫度場(chǎng)的分布，對(duì)于研究摩擦產(chǎn)熱機(jī)制與傳導(dǎo)，建立高溫金屬的塑性變形及流動(dòng)規(guī)律，探討焊接過(guò)程中的傳質(zhì)模型，特別對(duì)于闡述焊接接頭組織的變化規(guī)律具有重要意義，因此，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。目前，其研究主要集中在攪拌摩擦焊接的熱源模型的建立［7～9］，焊接過(guò)程溫度場(chǎng)的數(shù)值模擬［10～12］，以及溫度場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)定［13～15］等方面。盡管關(guān)于攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)的研究報(bào)道很多，但是，在攪拌頭幾何特征對(duì)攪拌摩擦焊試板溫度場(chǎng)的影響方面尚未見(jiàn)系統(tǒng)的研究成果。本研究選擇幾種典型幾何特征的攪拌頭，通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定了攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接試板上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化規(guī)律，初步總結(jié)了攪拌頭幾何特征對(duì)焊接試板溫度場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 攪拌摩擦焊接過(guò)程溫度場(chǎng)測(cè)定

本試驗(yàn)的目的主要在于研究不同幾何特征攪拌頭條件下焊接試板溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，不涉及焊接速度和轉(zhuǎn)速等攪拌摩擦焊參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)的影響，因此，選用純鋁作焊接試板，盡量避免由于參數(shù)選擇不當(dāng)對(duì)溫度場(chǎng)產(chǎn)生的影響，試板尺寸為140mm×40mm×4mm，采用對(duì)接焊接頭。焊接試板從側(cè)面打φ1.2mm的測(cè)溫孔，孔底部即為熱電偶測(cè)溫點(diǎn)，每組試板打深度相同的孔，孔底分別距焊縫中心8mm，15mm和22mm。

焊接試驗(yàn)使用FSW-3LM-002型龍門(mén)式數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁笝C(jī)，焊接試板溫度場(chǎng)測(cè)定采用直徑為1mm的K型鎧裝熱電偶配合無(wú)紙測(cè)溫儀，實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中試板不同位置處的溫度數(shù)據(jù)，利用溫度記錄儀的六個(gè)通道，連接六個(gè)熱電偶，熱電偶的布置位置如圖1所示。

焊接參數(shù)統(tǒng)一設(shè)定為:攪拌頭轉(zhuǎn)速w=1000r/min，焊接速率v=30mm/min。實(shí)驗(yàn)采用不同軸肩尺寸和不同攪拌針形狀五種攪拌頭:軸肩直徑為φ12 mm，φ9 mm，φ15 mm的圓柱形攪拌頭、軸肩直徑為φ12 mm的螺紋形攪拌頭和圓臺(tái)形攪拌頭，攪拌針的直徑為φ4 mm。攪拌頭幾何特征及焊接試板測(cè)溫點(diǎn)分布見(jiàn)表1。

圖1試板上特征點(diǎn)位置及順序示意圖Fig.1 Diagram of distributed feature points on the workpieces

表1 攪拌頭幾何特征及焊接試板測(cè)溫點(diǎn)分布Table 1 Geometrical features of stirring tools and distribution of points for measuring temperature in welding specimens

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

圖2為攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊接試板上各測(cè)溫點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線。攪拌摩擦焊接整個(gè)過(guò)程分為三個(gè)階段，（1）攪拌頭插入和預(yù)熱階段:在此階段本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為插入速率5mm/min，在攪拌針完全插入試板（49.4s）后，并非立即往前行進(jìn)，而是原地停留旋轉(zhuǎn)10s，以增大熱輸入同時(shí)軟化焊縫金屬。（2）攪拌頭行進(jìn)階段:在此階段，攪拌頭是以30mm/min速率向前行進(jìn)，行程為120mm，所用時(shí)間為240s。（3）攪拌頭升出階段:達(dá)到焊接行程后，攪拌頭從試板中升出。在焊接過(guò)程中，熱源是以攪拌頭為中心的。由圖2可以看出，在攪拌頭行進(jìn)過(guò)程中，試板上各測(cè)溫點(diǎn)溫度隨著攪拌頭的移近而逐漸升高，在攪拌頭距特征點(diǎn)最近時(shí)達(dá)到最高，然后隨攪拌頭遠(yuǎn)離測(cè)溫點(diǎn)，溫度逐漸降低。在整個(gè)焊接過(guò)程中，先經(jīng)過(guò)的測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度略低于后經(jīng)過(guò)的測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度，因?yàn)閿嚢桀^與試板摩擦產(chǎn)生的熱量對(duì)未焊到試板有預(yù)熱作用，后面的測(cè)溫點(diǎn)有溫度累積。

圖2 特征點(diǎn)溫度曲線示意圖Fig.2 Temperature-time curve of feature points

2.2 軸肩尺寸對(duì)焊接試板溫度場(chǎng)的影響

由表1，第1，2，3號(hào)實(shí)驗(yàn)主要用來(lái)研究軸肩直徑對(duì)試板溫度場(chǎng)的影響。由于試板上各測(cè)溫點(diǎn)的溫度曲線大致趨勢(shì)相同，而CH002和CH005處于焊接過(guò)程中的穩(wěn)定階段，故取不同軸肩直徑條件下CH002和CH005的溫度曲線來(lái)比較分析，如圖3所示。

圖3 不同軸肩尺寸下前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度曲線Fig.3 Temperature-time curve for layout of opposite side feature points with different size of pin shoulders（a）CH002;（b）CH005

由圖3可以看出，在同樣焊接參數(shù)下，攪拌頭軸肩直徑分別為φ9 mm，φ12 mm，φ15 mm時(shí)，其對(duì)應(yīng)的溫度曲線依次升高，基本上在同一時(shí)刻（第179s時(shí)），攪拌針經(jīng)過(guò)該兩個(gè)測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，達(dá)到峰值溫度，對(duì)應(yīng)的峰值溫度分別約為300℃，350℃，450℃。說(shuō)明攪拌摩擦焊過(guò)程中，軸肩與試板的摩擦產(chǎn)熱是熱輸入的主要部分。在攪拌針相同而軸肩尺寸不同時(shí)，軸肩的直徑越大，所產(chǎn)生的摩擦熱越大。同時(shí)，從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，在焊接開(kāi)始階段，軸肩直徑為φ9 mm時(shí)，兩個(gè)測(cè)溫孔的溫度曲線均較為平緩，說(shuō)明軸肩直徑較小的攪拌頭，其試板上測(cè)溫點(diǎn)溫度上升的速度較慢，溫度梯度較小。而在到達(dá)峰值溫度后，各測(cè)溫點(diǎn)溫度下降的速度則大致相同。

2.3 攪拌針形狀對(duì)焊接溫度場(chǎng)的影響

圖4為不同攪拌針形狀攪拌頭焊接過(guò)程中，焊接試板各測(cè)溫點(diǎn)的溫度分布曲線。攪拌針形狀不同，插入階段試板上測(cè)溫點(diǎn)的溫度曲線出現(xiàn)明顯的差異?？拷附悠鹗级说腃H001和CH006測(cè)溫點(diǎn)的溫度曲線，在攪拌頭插入試板階段（前49s），溫度逐漸上升，其中，采用圓柱形攪拌針試板的溫度上升最快，圓臺(tái)形次之，螺紋形則上升較為緩慢。在攪拌頭原地停留旋轉(zhuǎn)的10s內(nèi)，采用圓柱形攪拌針焊接試板的溫度基本保持不變，曲線出現(xiàn)了平臺(tái)現(xiàn)象，而采用螺紋形和圓臺(tái)形攪拌針焊接試板的溫度則有所降低，降低幅度約為30～50℃。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是:在攪拌頭剛插入時(shí)，試板金屬在攪拌頭的旋轉(zhuǎn)摩擦和剪切作用下產(chǎn)生塑性變形，釋放出大量的熱量，造成溫度上升。而在停留階段，攪拌頭周?chē)慕饘僖呀?jīng)塑化，此時(shí)的試板與攪拌頭之間的摩擦因數(shù)變小，摩擦熱及變形熱減小。而停留時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量逐漸向試板的徑向和縱向傳遞及部分熱量散失，造成了溫度的下降。

圖4 不同形狀攪拌針焊接時(shí)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度曲線 （a）螺紋形攪拌針;（b）圓臺(tái)形攪拌針;（c）圓柱形攪拌針Fig.4 Temperature-time curve welded with different shape of stirring pins（a）screw-shaped pin;（b）circular truncated cone-shaped pin;（c）column-shaped pin

表2 不同攪拌針形下試板測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度Tab.2 Peak temperature of feature points with different shape of pins

表2列出采用三種攪拌針形攪拌頭焊接時(shí)，各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度。不難發(fā)現(xiàn)，在用螺紋針形和圓臺(tái)針形攪拌頭時(shí)，CH001和CH006的峰值溫度較低，隨著攪拌頭行進(jìn)，CH002和CH005，與CH003和CH004的峰值溫度值相差不大。而采用圓柱針形攪拌頭時(shí)，此種現(xiàn)象則不明顯，說(shuō)明攪拌針的形狀對(duì)焊接熱輸入有一定的影響。采用螺紋針形和圓臺(tái)針形攪拌頭，焊接初始階段的熱輸入較采用圓柱針形攪拌頭時(shí)小。

由表2數(shù)據(jù)，在軸肩幾何參數(shù)完全相同的情況下，采用螺紋針形攪拌頭焊接時(shí)，試板上同一測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度明顯低于采用其他兩種針形攪拌頭焊接時(shí)該點(diǎn)的峰值溫度，說(shuō)明攪拌針與試板之間的摩擦產(chǎn)熱對(duì)焊接過(guò)程中總的熱輸入也有貢獻(xiàn)。螺紋形攪拌針特殊的幾何特征，使得其攪拌摩擦焊接過(guò)程中，在促進(jìn)塑態(tài)金屬的流動(dòng)方面作用更多突出，而對(duì)摩擦產(chǎn)熱的貢獻(xiàn)則相對(duì)于圓臺(tái)形和圓柱形攪拌針要小。

2.4 圓柱形攪拌頭下試板溫度分布回歸分析

表3列出通過(guò)表1中1，6，7，8號(hào)實(shí)驗(yàn)，采用軸肩為φ12的圓柱形攪拌頭焊接過(guò)程中，試板寬度方向上各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度。

表3 距焊縫中心不同位置的峰值溫度Table 3 Peak temperature on different distance form welding center

圖5 溫度隨寬度變化的回歸曲線Fig.5 Regression curves for temperature distributions in the width direction

利用Origin軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，分別用線性模型和二次函數(shù)模型來(lái)描述溫度值在試板寬度方向上的變化規(guī)律［15］。函數(shù)方程為:

式中T表示試板寬度方向上距焊縫中心距離為d處的溫度，a1～a5為待定的常數(shù)，通過(guò)最小二乘法確定［16］。在最小二乘法里標(biāo)準(zhǔn)差用下式表示:

式中ΔT為實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與擬合值之差，i=4。

垂直焊縫方向上實(shí)驗(yàn)測(cè)得的溫度值及兩個(gè)模型的擬合曲線如圖5所示。

直線模型方程式如下:二次函數(shù)模型方程式如下:

實(shí)驗(yàn)測(cè)量的溫度、兩個(gè)模型的回歸溫度及得到的標(biāo)準(zhǔn)差如表4所示。從表中可以看出，二次函數(shù)模型的標(biāo)準(zhǔn)差較?。é?0.55℃），其對(duì)溫度在試板寬度方向變化規(guī)律擬合較好，與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果較為吻合。

表4 不同模型回歸分析得到焊縫中心的溫度Table 4 Regression analysis for temperature prediction at the joint line with different models

3 結(jié)論

（1）軸肩與試板的摩擦熱是攪拌摩擦焊接熱輸入的主要來(lái)源，同樣焊接速度和轉(zhuǎn)速下，攪拌頭的軸肩越大，產(chǎn)生的焊接熱量越大，對(duì)應(yīng)試板測(cè)溫點(diǎn)溫度越高。

（2）針形對(duì)焊接初始階段試板溫度有明顯影響，采用螺紋形攪拌針和圓臺(tái)形攪拌針時(shí)，焊接初期試板溫度較采用圓柱形攪拌針低;在穩(wěn)定焊接階段，試板溫度與攪拌針的形狀，及各種針形攪拌作用下焊縫金屬的塑性流動(dòng)有關(guān)，采用圓臺(tái)針形的試板溫度最高，圓柱針形的試板溫度次之，螺紋針形的最低。

（3）對(duì)圓柱針形下距焊縫不同距離的測(cè)溫點(diǎn)溫度進(jìn)行擬合，得到了擬合曲線的解析式為T(mén)=400.89-5.43d+0.048d2，結(jié)果顯示與實(shí)測(cè)值較為吻合。

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