楊 鋼

(重慶交通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，重慶 400074)

攪拌摩擦焊開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的設(shè)計與實(shí)踐

楊 鋼

(重慶交通大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，重慶 400074)

為充分發(fā)揮大型儀器設(shè)備在本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中的作用，培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，結(jié)合材料成形及控制工程專業(yè)的“材料連接原理與技術(shù)”課程，設(shè)計了攪拌摩擦焊開放實(shí)驗(yàn)，通過檢測和分析不同加工參數(shù)下鋁合金焊縫區(qū)域的微觀組織和拉伸強(qiáng)度指標(biāo)，從而達(dá)到最優(yōu)加工參數(shù)的目的。通過該實(shí)驗(yàn)既能豐富學(xué)生的專業(yè)知識面，又能培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力與意識。

攪拌摩擦焊； 開放實(shí)驗(yàn)； 材料成形及控制工程

0 引 言

材料成形及控制工程專業(yè)是我校機(jī)電與車輛工程學(xué)院的重慶市特色專業(yè)，“材料連接原理與技術(shù)”是該專業(yè)的一門專業(yè)課，在第6學(xué)期開出，有40個學(xué)時的理論課，雖然開設(shè)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)課和工程訓(xùn)練(開設(shè)有電弧焊、CO2保護(hù)焊、氬弧焊和埋弧焊的焊接訓(xùn)練)，但攪拌摩擦焊(FSW)由于沒有實(shí)驗(yàn)條件一直未開展。該實(shí)驗(yàn)在眾多領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用實(shí)踐性，目前，我國正處在技術(shù)積累和相關(guān)的科研階段。如果將這個項(xiàng)目設(shè)計成綜合型實(shí)驗(yàn)，由于所涉及知識點(diǎn)和檢測環(huán)節(jié)較多，學(xué)生需要做大量的對比和測試實(shí)驗(yàn)才能分析出結(jié)果，而導(dǎo)致時間不夠。因此，將其設(shè)計成開放實(shí)驗(yàn)，才能讓學(xué)生靜下心來學(xué)習(xí)如何發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，為培養(yǎng)從實(shí)踐中來到實(shí)踐中去的刨根問底的鉆研精神提供一個較好的平臺。[1-5]

該實(shí)驗(yàn)的前期應(yīng)開展如下實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目：① 金屬材料的硬度試驗(yàn)； ② 鐵碳合金平衡組織的顯微分析； ③ 碳鋼的熱處理； ④ 碳鋼熱處理后的顯微組織觀察。除此之外，“材料力學(xué)”和“材料成形技術(shù)基礎(chǔ)”理論課必須先修，使學(xué)生能了解相關(guān)的理論基礎(chǔ)知識。

綜合各方面情況，2014年,我院在中央與地方共建高等學(xué)校專項(xiàng)資金的支持下，引進(jìn)了中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司的FSW-LW-AM16型攪拌摩擦焊接設(shè)備，該設(shè)備主要用于鋁合金、銅合金、鎂合金的直線和平面曲線焊接、對接及搭接，焊接鋁合金厚度范圍為1～16 mm。該設(shè)備在重慶地區(qū)高校僅我校擁有，因此，除用于科研之外，為提高大型儀器設(shè)備的利用率，開發(fā)了該開放實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)主要針對材料成形及控制工程專業(yè)開展。

采用該設(shè)備不僅能使學(xué)生掌握這一先進(jìn)的材料連接技術(shù)手段，拓寬學(xué)生的知識面，關(guān)鍵是能通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測、分析和比較，使其深刻地理解不同的加工參數(shù)對焊縫質(zhì)量的影響，培養(yǎng)其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度和良好的工程素質(zhì)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c原理

1.1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

(1) 了解攪拌摩擦焊接設(shè)備的工作原理，掌握其常規(guī)的操作使用方法；

(2) 掌握單因素實(shí)驗(yàn)方法，在檢測和比較實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)后能找出最優(yōu)的焊接參數(shù)；

(3) 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較和分析，找出影響該結(jié)果的主要因素，并提出解決方案。

1.2攪拌摩擦焊接的工作原理

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術(shù)，它是通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌針在兩焊接件的焊接區(qū)域接觸產(chǎn)生摩擦熱，使金屬產(chǎn)生塑性軟化，旋轉(zhuǎn)的攪拌針周圍被軟化的金屬受到攪拌擠壓，并隨攪拌針的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而實(shí)現(xiàn)焊縫的方式，其工藝原理如圖1所示。該技術(shù)自從1991年由英國焊接研究所YWI發(fā)明以來，得到了工業(yè)制造領(lǐng)域的密切關(guān)注。目前，固相連接方式還有真空擴(kuò)散焊、摩擦焊和超聲波焊接等[6-12]。

a) 母材; b) 熱影響區(qū); c) 熱機(jī)影響區(qū); d) 焊核區(qū)圖1 攪拌摩擦焊接原理圖

圖2所示為FSW-LW-AM16型攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。

圖2 FSW-LW-AM16型攪拌摩擦焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

2 項(xiàng)目設(shè)置與實(shí)驗(yàn)步驟

2.1項(xiàng)目設(shè)置

由于金屬材料的種類較多，在結(jié)合科研需求和現(xiàn)有各方面條件的綜合情況下，選擇了A6061、A6016和A5083作為實(shí)驗(yàn)對象。建議讓每組學(xué)生選擇1種材料，每組至少選擇1個單一因素，每個單一因素至少測量5組數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。各組以5人為單元(1人負(fù)責(zé)操作設(shè)備，2人負(fù)責(zé)裝卸和調(diào)試試件，1人負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)，1人負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)和安全監(jiān)督)，每次進(jìn)行焊接操作實(shí)驗(yàn)的均為2組，一組操作另一組觀摩的交替方式進(jìn)行。由于每次開放實(shí)驗(yàn)人數(shù)和每組思考與解決問題方式的不一致，同學(xué)們也可自己選擇如何配置，并給出配置的理由，同時設(shè)計出實(shí)驗(yàn)的步驟與方案和論證報告，交給指導(dǎo)教師審核并討論方案的可行性。

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 安裝試件。根據(jù)試件的尺寸調(diào)整好夾具，使試件能安全穩(wěn)定地裝夾到工作臺上，并保證加工過程不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。如圖3所示。

圖3 試件的安裝固定

(2) 檢查設(shè)備的各個功能是否正常。并正確安裝攪拌頭、對刀和工件坐標(biāo)系設(shè)定；然后在設(shè)備操作系統(tǒng)里根據(jù)不同界面輸入程序和各項(xiàng)參數(shù)并進(jìn)行試運(yùn)行；最后，根據(jù)預(yù)先的實(shí)驗(yàn)參數(shù)按步驟地進(jìn)行攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)，并及時記錄數(shù)據(jù)。圖4所示為焊接后的試件。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1數(shù)據(jù)測量

通過攪拌摩擦焊接設(shè)備可以使用不同工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。限于篇幅，只記錄了A6016鋁合金的焊接情況。表1是其中一組學(xué)生自行設(shè)計的表格與實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計，記錄了通過改變焊接橫向速度v所測得的相關(guān)數(shù)據(jù)。一般學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中為便于分析和減少誤差，要求采集至少5組數(shù)據(jù)。

3.2微觀組織分析

通過線切割設(shè)備對攪拌摩擦焊后的試件進(jìn)行取樣并制備微觀觀察試樣后，在金相顯微鏡下即可觀察到相應(yīng)區(qū)域的顯微組織，如圖5所示。

3.3數(shù)據(jù)分析比較與歸納總結(jié)

將上述所記錄的工藝參數(shù)和測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出3個結(jié)論：① 焊接速度逐漸增大至某一臨界值時，拉伸強(qiáng)度呈逐漸增大的趨勢，繼續(xù)增大將出現(xiàn)下降趨勢;② 焊核區(qū)的晶粒最細(xì)，熱影響區(qū)受熱影響其晶粒最大，熱機(jī)影響區(qū)越靠近焊核區(qū)的晶粒越細(xì)，越靠近熱影響區(qū)出現(xiàn)逐漸增大的趨勢;③ 對A6016鋁合金，在焊接參數(shù)為表1所示的特定情況下，其最優(yōu)的焊接速度約為400 mm/min。

最后，通過回顧實(shí)驗(yàn)過程和設(shè)備狀況，可讓學(xué)生分析對焊接質(zhì)量影響的主要因素和解決措施，并形成實(shí)驗(yàn)報告。

表1 單因素(焊接橫向速度v)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表

備注:限于現(xiàn)有檢測條件,對焊縫缺陷的判斷種類為:飛邊、未填滿、未焊透、未熔合、過度焊透、表面溝槽、孔洞等[13-16]。

(a) 母材

(b) 焊核區(qū)

(c) 熱機(jī)影響區(qū)

(d) 熱影響區(qū)

圖5 A6016焊接后各區(qū)域焊接顯微組織

4 結(jié) 語

所設(shè)計的開放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目首次應(yīng)用于我校的材料成形及控制工程專業(yè)5～6學(xué)期的學(xué)生，開放人數(shù)遠(yuǎn)超預(yù)期。經(jīng)過為期32學(xué)時的開放實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，學(xué)生不但掌握了攪拌摩擦焊接的工作原理，而且用自己設(shè)計的工藝參數(shù)得到了不同質(zhì)量的焊縫，深入地理解了工藝參數(shù)對焊接質(zhì)量的影響。更重要的是，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中始終保持孜孜不倦的求索精神，使其深刻體會到了養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)(如實(shí)驗(yàn)的前期準(zhǔn)備工作、試件的制備、試件的測試觀察和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納與整理對結(jié)果的影響)的重要性，并體會到通過辛勤勞動而獲得的成果的喜悅。

從教學(xué)效果來看，取得了較好的效果，得到了學(xué)生和校教學(xué)部門認(rèn)可和好評。但是，還存在需要完善的問題：① 目前，因考慮到師資、科研和實(shí)驗(yàn)耗材的綜合情況，主要只針對了材料成形及控制工程專業(yè)開展了開放實(shí)驗(yàn)，后期將隨著各方面條件的完善而逐步加大開放力度。② 實(shí)驗(yàn)材料只針對鋁合金，而對于銅合金和鎂合金還沒有開展，后期還需要進(jìn)一步拓展其應(yīng)用領(lǐng)域，使該設(shè)備在服務(wù)于教學(xué)的同時也為科研積累部分?jǐn)?shù)據(jù)。③ 實(shí)驗(yàn)參數(shù)還需要進(jìn)一步細(xì)化，以使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更精確，為后續(xù)確定某一特定條件下的攪拌摩擦焊接最優(yōu)工藝參數(shù)提供數(shù)據(jù)支持。

[1] 王 麗,周 玲,尹麗丹,等.創(chuàng)新性實(shí)踐教學(xué)在大學(xué)生能力培養(yǎng)中的作用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2013,32(3):143-146.

[2] 陳 爽.應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式的實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索,2012,31(8):1-3.

[3] 孫 盾,姚纓英,范承志,等.實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)與創(chuàng)新能力的培養(yǎng) [J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,29(5):28-30.

[4] 謝惠波,楊 艷,陳 麗,等.論開放實(shí)驗(yàn)室建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2011,28(5):178-181.

[5] 張 靜,董 偉,姚 軍.論多形式開放實(shí)驗(yàn)室教學(xué)模式[J].教育與職業(yè),2013,18(3):142-143.

[6] 劉 杰,楊景宏,韓風(fēng)武,等.厚板鋁合金攪拌摩擦焊匙孔補(bǔ)焊接頭組織與性能[J].材料工程,2012(7):29-33.

[7] 李 博,沈以赴,胡偉葉.伸縮式攪拌頭后鋁板攪拌摩擦焊缺陷及其補(bǔ)焊工藝[J].中國有色金屬學(xué)報,2012,22(1):62-71.

[8] R S Mishra, Z Y Ma.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering R,2005,50:1-78.

[9] Moreira PMGP, de Figueiredo MAVA, de Castro PMST.Fatigue behaviour of FSW and MIG weld mentsfor two aluminium alloys[J].Theoretical and Applide Fracture Mechanics,2007,48:169-177.

[10] Rajakumar S , Muralidharan C, Balasubramanian V.Influence of friction stir welding process and tool parameters on strength properties of AA7075-T6 aluminium alloy joints[J].Materials and Design,2011,32:535-549.

[11] 劉 艷,王 淮,宮文彪,等.6005A合計攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的研究[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,30(1):12-17.

[12] 肖 靜, 宮文彪,劉 威,等.6005A-T6/6082-T6鋁合金FSW與MIG接頭組織與性能研究[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,36(1):1-5.

[13] 國際標(biāo)準(zhǔn)化組織委員會(ISO).ISO25239-2011鋁合金攪拌摩擦焊焊接工藝規(guī)程及鑒定[S].瑞士出版社,2011:3-5.

[14] 王大臣.鋁合金攪拌摩擦焊缺陷及修補(bǔ)方法[J].長春工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2016,37(2):171-174.

[15] Rajakumar S, Muralidharan C, Balasubramanian V.Influence of friction stir welding process and tool parameters on strength ptoperties of AA7075-T6 a-lnminium alloy joints[J].Materials and Design,2011,32:535-549.

[16] 李 博,沈以赴,胡偉葉.伸縮式攪拌頭厚鋁板攪拌摩擦焊缺陷及其補(bǔ)焊工藝[J].中國有色金屬學(xué)報,2012,22(1):62-71.

DesignandPracticeofOpenExperimentProjectforFrictionStirWelding

YANGGang

(Engineering Training Center, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To utilize large-scal equipment, cultivate student to have qualities of scientific thinking, combine the requirements of the "Material Linkage Theory and Technology" course in material shaping and control engineering field, we designed an open experiment entitledFriction Stir Welding, measured and analyzed the microstructure and tensile stretchof aluminum alloy under different parameters.We then obtained optimal parameters of processing.As a result of experimenting, students’expertise and ability of solving and detectingproblem are enhanced.

friction stir welding(FSW)； open experiment； material formation and control engineering

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0210-03

2016-10-17

重慶交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革研究項(xiàng)目(SYJ201510)

楊 鋼(1975-)，男，重慶人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，工程訓(xùn)練中心主任，主要從事材料成形與控制工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)管理。Tel.：13617680211; E-mail：yg31415926@163.com