謝勝楠，張會杰，孫舒蕾，紀(jì)子杰，劉倩如，張育萱

（東北大學(xué)秦皇島分校 資源與材料學(xué)院，河北 秦皇島 066004）

隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，針對復(fù)雜大型結(jié)構(gòu)件的現(xiàn)場連接制造及維護(hù)維修日漸增多，并且對攪拌摩擦焊（Friction stir welding,FSW）這一高質(zhì)量的焊接技術(shù)提出了迫切的應(yīng)用需求[1]。傳統(tǒng)FSW 工藝所需的焊接載荷較高，導(dǎo)致常規(guī)FSW 設(shè)備的體積和重量都比較龐大[2]，從而極大限制了FSW 技術(shù)在現(xiàn)場焊接制造及就位修復(fù)等方面的應(yīng)用。為了解決這一問題，開發(fā)具有低重量、小體積特征的小型FSW 設(shè)備已經(jīng)勢在必行。而要研發(fā)出這樣的FSW 設(shè)備，首要條件就是要從工藝的角度降低FSW 所需的焊接載荷，即開發(fā)出低載荷FSW 工藝技術(shù)[3]。

實(shí)驗室利用Axis PTZ相機(jī)，通過圖像檢測Rovio的像素重心，然后由坐標(biāo)變換函數(shù)轉(zhuǎn)化為攝像頭姿態(tài)(pan,tilt)。通過支持向量機(jī)算法間接實(shí)現(xiàn)(pan,tilt)和固定坐標(biāo)系(x,y)的轉(zhuǎn)換。具體定位步驟如下：

高轉(zhuǎn)速FSW 工藝是降低FSW 焊接載荷的有效手段[4—7]。所謂高轉(zhuǎn)速，是相對常規(guī)焊接轉(zhuǎn)速而言的。在常規(guī)FSW 中，焊具轉(zhuǎn)速一般不會超過3000 r/min，而高轉(zhuǎn)速FSW 則是指焊具在3000 r/min 以上實(shí)施焊接的過程。在這樣的工藝條件下，焊具的產(chǎn)熱速率較高，設(shè)備只需提供較低的焊接載荷，即可克服被焊材料對焊具所施加的阻力并完成焊接。

近年來，高轉(zhuǎn)速FSW 已得到了廣泛重視，國外已在焊縫成形控制、接頭力學(xué)性能、焊接過程模擬等方面進(jìn)行了一系列的研究[5—7]，國內(nèi)也已開展了鋁合金的高轉(zhuǎn)速焊接試驗，并分析了焊縫形態(tài)和溫度場的特征[8—9]。就這一工藝而言，轉(zhuǎn)速是決定焊接質(zhì)量的最重要因素，但目前有關(guān)焊接轉(zhuǎn)速對工藝特性作用規(guī)律的研究還鮮見報道，這一關(guān)鍵問題亟待闡明。

文中以3A21 鋁合金為焊接對象，進(jìn)行了高轉(zhuǎn)速FSW 工藝試驗研究。通過對焊接溫度場、焊縫成形特征及接頭組織性能與焊接轉(zhuǎn)速相關(guān)性進(jìn)行深入分析，期望能更為深入地理解高轉(zhuǎn)速FSW 工藝的機(jī)理和本質(zhì)，并為其優(yōu)化控制奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗

1.1 材料

焊接中，采用熱電偶記錄了焊縫底部溫度隨焊接時間的變化情況，并獲得了如圖2a 所示的熱循環(huán)曲線（4000 r/min）?？梢?，在1000～4000 r/min 的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，焊縫溫度也逐漸升高；但當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大至5000 r/min 以上時，焊縫溫度隨著轉(zhuǎn)速的升高卻呈現(xiàn)出趨于穩(wěn)定的變化趨勢（見圖2b）。

表1 3A21-O 態(tài)鋁合金的化學(xué)成分Tab.1 Chemical compositions of 3A21-O-state aluminum alloy

圖1 3A21-O 態(tài)鋁合金的原始微觀組織Fig.1 Initial microstructure of 3A21-O-state aluminum alloy

1.2 設(shè)備

焊接過程在尺寸規(guī)格為150 mm×150 mm 的單個試片上進(jìn)行，焊接方向為垂直于板材的軋制方向。焊接轉(zhuǎn)速范圍為1000～8000 r/min。在所有轉(zhuǎn)速下，焊接速度均為25 mm/min，焊具軸肩壓入量為0.05 mm，焊具傾角為0°。焊接中采用K 型熱電偶測量位于焊具攪拌針行進(jìn)路徑正下方的工件下表面的熱循環(huán)。

1.3 方法

試驗設(shè)備為自行研制的高精度攪拌摩擦焊機(jī)床，通過在設(shè)備上安放主軸增速機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)主軸高轉(zhuǎn)速的輸出。當(dāng)焊具處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，易引起焊縫表面過熱，被焊材料容易被擠出焊具軸肩導(dǎo)致飛邊、孔洞等缺陷的產(chǎn)生[10]，因此，在高轉(zhuǎn)速FSW 中，焊縫成形控制是關(guān)鍵。文中所設(shè)計的焊具軸肩直徑是12 mm，軸肩端面上加工有螺旋槽結(jié)構(gòu)，以保證能對被焊材料提供充分的向心驅(qū)動力，確保焊縫的優(yōu)質(zhì)成形。焊具攪拌針為錐狀螺紋結(jié)構(gòu)。在前期的焊接試驗研究中發(fā)現(xiàn)，高轉(zhuǎn)速焊接所形成的焊核的高度要明顯大于焊具對被焊工件的壓入深度，因此，為了保證焊接時攪拌針不會扎到被焊工件背部的墊板上，所選的焊具攪拌針長度要小于工件的厚度，其值為2.65 mm。

在工程項目的實(shí)際測量中，GPS-RTK測量技術(shù)的應(yīng)用顯著提高了測量精度。在實(shí)際的測量過程中，雖然不可避免地會產(chǎn)生一定的系統(tǒng)性誤差，但是只要科學(xué)、合理地選取測量設(shè)備和測量工作站，控制好測量外界的影響，就可有效提高GSPS-RTK技術(shù)的測量精度和可靠性，進(jìn)而推動GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

一篇習(xí)作完成后，不要讓孩子成為唯一的讀者。游戲習(xí)作的主角是孩子自己，怎樣讓孩子的游戲故事在兒童的言語世界中鮮活、靈動起來？快樂聯(lián)動是一種很好的交往情境機(jī)制。每一次習(xí)作完成后都有分享課，讓孩子通過讀自己的習(xí)作，明白自己也可以成為課堂的主體，“我”也可以成為話語的中心，“我”的話語也可以對別人有意義。傾聽的孩子學(xué)會了關(guān)注他人的存在，明白習(xí)作就是用言語和別人進(jìn)行交往，讓他人一起分享自己的生活。孩子在聽到別人的優(yōu)秀習(xí)作時，會自覺鼓掌，大家在這樣的互相被肯定的過程中，獲得自信，獲得快樂。

2 結(jié)果與分析

2.1 焊接溫度場

試驗材料為5 mm 厚的3A21-O 態(tài)鋁合金，其主要微量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。母材的晶粒為板條狀結(jié)構(gòu)（見圖1），尺寸為181.1±41.2 μm。由于試驗材料經(jīng)歷了退火過程，其內(nèi)部位錯密度較低，小角度晶界數(shù)量所占比例僅為9%。

FSW 過程產(chǎn)熱包括摩擦產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱兩部分，在假定焊具周圍材料的塑性變形層為面熱源，且變形層的摩擦切應(yīng)力和屈服切應(yīng)力相等的前提下，可以將摩擦產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱統(tǒng)一為式（1）[11—12]。

水利普查文件材料的歸檔應(yīng)該符合如下要求：①紙質(zhì)文件材料歸檔，應(yīng)該字跡工整、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、圖樣清晰，簽字蓋章、日期等完整齊備。書寫和裝訂材料應(yīng)符合耐久性要求。翻譯為少數(shù)民族文字的水利普查文件材料，應(yīng)將原件及翻譯文一同歸檔。②實(shí)物與音像文件材料歸檔，應(yīng)該規(guī)定注明時間、地點(diǎn)、事件、人物等相應(yīng)的文字說明。③電子文件材料歸檔，應(yīng)符合 《電子文件歸檔與管理規(guī)范》的要求。

式中：q為熱流密度；ω為焊具轉(zhuǎn)速；r為焊具表面上任一點(diǎn)到焊具軸線的距離；τ(T)為與溫度相關(guān)的材料切應(yīng)力。

從上述分析可見，高轉(zhuǎn)速FSW 中，隨著轉(zhuǎn)速的增大，焊接溫度一直都是決定焊縫組織演變的重要因素，使得焊縫焊核區(qū)的晶粒尺寸及亞結(jié)構(gòu)比例等微觀組織特征隨轉(zhuǎn)速增大呈現(xiàn)出與溫度類似的演變規(guī)律。

可見，轉(zhuǎn)速增大時，決定焊接產(chǎn)熱的主導(dǎo)因素會發(fā)生變化，最終使焊縫溫度顯現(xiàn)出了圖2b 所示的變化特征。正是由于高轉(zhuǎn)速FSW 能夠顯著降低材料切應(yīng)力，焊縫溫度在轉(zhuǎn)速升高至一定程度時才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。這與常規(guī)FSW 中常見的焊縫溫度隨轉(zhuǎn)速增大而升高的變化趨勢是不同的[13]。

圖2 焊接溫度場測量結(jié)果Fig.2 Measurement results of welding temperature field

2.2 焊縫成形特征

為顯示焊縫的成形情況，圖3 給出了焊縫橫截面的照片。需說明的是，所有橫截面的左側(cè)均為后退側(cè)，右側(cè)均為前進(jìn)側(cè)。在所研究的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，均獲得了無內(nèi)部缺陷的焊縫成形。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速對焊縫的焊核形態(tài)產(chǎn)生了顯著的影響。在轉(zhuǎn)速較低時（如2000 r/min 和4000 r/min），由于焊具軸肩對被焊材料的攪拌作用較弱，焊核顯現(xiàn)出上窄下寬的形態(tài)特征；而當(dāng)轉(zhuǎn)速較高時（如6000 r/min 和8000 r/min），焊縫上部受到了焊具軸肩較為強(qiáng)烈的熱機(jī)作用，從而觀察到了上寬下窄的焊核形狀。

焊后沿垂直于焊接方向截取接頭橫截面，經(jīng)粗磨、精磨和拋光處理后，用Keller 試劑對試樣進(jìn)行腐蝕，并用光學(xué)顯微鏡分析焊縫成形特征。焊縫晶粒形態(tài)采用電子背散射衍射（EBSD）的分析方法予以觀察。在拋光后的焊縫橫截面上進(jìn)行顯微硬度測試，分析位置位于焊具扎入深度的中部所在的截面上，硬度測試載荷及停留時間分別為200 g 和10 s。

圖3 焊縫橫截面顯微形貌Fig.3 Micro morphology of weld cross section

另外，焊核寬度也與轉(zhuǎn)速存在很強(qiáng)的相關(guān)性。圖4 匯總了焊具在扎入深度的中心位置所對應(yīng)的焊核寬度值?？梢姡?dāng)轉(zhuǎn)速位于1000～4000 r/min 區(qū)間時，焊核寬度較小，略大于對應(yīng)位置的攪拌針直徑；而繼續(xù)增大到5000 r/min 以上時，焊核寬度發(fā)生突變，急劇增大了50%以上，并在5000～8000 r/min 范圍內(nèi)保持了一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)。焊核寬度的突然增大實(shí)際上是由焊接產(chǎn)熱機(jī)制發(fā)生突變所引起的。在1000～4000 r/min 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，焊具周圍大多數(shù)材料的流動速度要低于焊具旋轉(zhuǎn)速度，即焊具/被焊材料的界面相互作用以滑動摩擦為主；而當(dāng)轉(zhuǎn)速升至 5000 r/min 以上時，被焊材料應(yīng)變速率增大，較多的塑性變形材料能夠粘著到焊具表面，并隨之高速旋轉(zhuǎn)，焊具/被焊材料的界面產(chǎn)熱就轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉持Σ翞橹鞯漠a(chǎn)熱機(jī)制[14—15]；此時焊具周圍材料塑性變形能力得到顯著增強(qiáng)，較大體積范圍的材料都能夠在焊具的旋轉(zhuǎn)帶動下發(fā)生塑性流動[15]，并參與到焊核組織的形成過程當(dāng)中，從而引起焊核寬度的突然增大。

內(nèi)生菌與病原菌之間的競爭主要包括對物理位點(diǎn)侵入的競爭、對生態(tài)位點(diǎn)搶占的競爭以及對營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣的競爭。內(nèi)生菌作為拮抗菌可以通過與病原菌競爭果實(shí)表面的營養(yǎng)物質(zhì)及侵染位點(diǎn)，達(dá)到降低果蔬表面病原真菌數(shù)量的效果[20]。

圖4 焊核寬度隨轉(zhuǎn)速的變化情況Fig.4 Evolutions of nugget zone width with rotation speed

2.3 焊縫微觀組織

高轉(zhuǎn)速FSW 熱機(jī)作用的特殊性必然會影響到焊縫微觀組織特征。圖5 給出了焊核區(qū)晶粒照片，圖6統(tǒng)計了晶界取向差的分布情況。在晶粒照片中，大角度晶界（晶界取向差大于15°）用黑色實(shí)線表示，小角度晶界（晶界取向差位于2°和15°之間）用紅色實(shí)線表示。

為闡明高轉(zhuǎn)速FSW 接頭力學(xué)性能的分布情況，在焊縫橫截面上沿焊具扎入深度的中部位置進(jìn)行了顯微硬度測量，結(jié)果如圖7 所示。需要說明的是，硬度曲線中，實(shí)心點(diǎn)所標(biāo)記的是焊核區(qū)的硬度，空心點(diǎn)所反映的則是焊縫其他區(qū)域的硬度。很顯然，在3 組轉(zhuǎn)速下，焊核區(qū)的硬度都高于母材，顯示出了不可熱處理強(qiáng)化鋁合金FSW 接頭硬度分布的一般特征。對比來看，2000 r/min 焊縫的焊核區(qū)硬度較低，而5000 r/min 及8000 r/min 焊縫的硬度較高且比較接近。結(jié)合圖6 可知，焊核區(qū)的硬度值與其組織特征存在一定的相關(guān)性，具體分析如下。

圖5 不同轉(zhuǎn)速下焊縫微觀組織Fig.5 Microstructures of welds at different rotation speeds

圖6 不同轉(zhuǎn)速下的晶粒尺寸及小角度晶界數(shù)量百分比Fig.6 Grain sizes and fractions of low angle grain boundaries at different rotation speeds

由于FSW 中發(fā)生了塑性變形、位錯增殖、動態(tài)回復(fù)等過程，與母材相比，焊縫焊核區(qū)晶粒的小角度晶界數(shù)量有所提高，且其數(shù)量比例同樣受到了焊接轉(zhuǎn)速的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)速為2000 r/min 時，小角度晶界所占比例為17.7%，而在5000 r/min 和8000 r/min 的轉(zhuǎn)速下，小角度晶界所占比例分別為22.9%和21.6%。高轉(zhuǎn)速下小角度晶界的比例之所以提高，是因為高轉(zhuǎn)速下劇烈的塑性變形會產(chǎn)生大量變形位錯，且這些變形位錯在高溫下更容易發(fā)生多邊形化（即動態(tài)回復(fù)），從而有利于形成小角度晶界。

在轉(zhuǎn)速較高時，焊具對被焊材料的加熱速率也較高，使位于焊具前沿的被焊材料迅速受熱并被軟化至較低的應(yīng)力狀態(tài)。這也正是高轉(zhuǎn)速FSW 能夠降低焊接載荷的本質(zhì)原因。由式（1）可知，F(xiàn)SW 過程產(chǎn)熱由轉(zhuǎn)速ω和材料切應(yīng)力τ來決定?？梢酝茢?，在1000～4000 r/min 的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速的增大對焊接產(chǎn)熱量的影響起到了主導(dǎo)作用，而在轉(zhuǎn)速從4000 r/min 增大到8000 r/min 的過程中，材料切應(yīng)力的減小應(yīng)該是影響產(chǎn)熱的主要因素，從而導(dǎo)致逐漸趨于穩(wěn)定的溫度變化趨勢。

2.4 焊縫力學(xué)性能

從圖6 所示的晶粒尺寸計算結(jié)果來看，與2000 r/min 的常規(guī)轉(zhuǎn)速相比，在5000 r/min 和8000 r/min的高轉(zhuǎn)速下，焊核晶粒有所粗化，這是由于在高轉(zhuǎn)速參數(shù)下，焊縫區(qū)溫度較高，高溫停留時間長，更有利于焊后焊核區(qū)組織的長大。

本文對近代青島城市建設(shè)中的對景手法進(jìn)行研究，其作為城市景觀組織的主要手法對城市空間特色的形成起到了積極作用：

圖7 焊縫硬度分布曲線(實(shí)心標(biāo)記數(shù)據(jù)為焊核區(qū)硬度)Fig.7 Hardness distribution profiles of the welds (the data points marked by solid symbols are located in the nugget zone)

3A21 鋁合金作為一種不可熱處理強(qiáng)化鋁合金，特別是在退火狀態(tài)下，其內(nèi)部第二相質(zhì)點(diǎn)對材料力學(xué)性能的貢獻(xiàn)很小，焊縫性能主要由晶粒尺寸和位錯密度來決定，這已經(jīng)在已有的一些有關(guān)防銹鋁合金FSW工藝的研究結(jié)果中得到了證實(shí)[13]。從圖5 和圖6 可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速由2000 r/min 提高至5000 r/min 和8000 r/min的高轉(zhuǎn)速時，焊核區(qū)晶粒尺寸有所增大。根據(jù)Hall-Petch 公式所描述的晶粒尺寸與顯微硬度的關(guān)系推斷，晶粒增大將降低焊縫硬度，因此，圖7 所示的焊核區(qū)顯微硬度的提高，應(yīng)該是由轉(zhuǎn)速增高時小角度晶界數(shù)量的增多所引起的。小角度晶界是由變形增殖位錯發(fā)生多邊形化所形成的，較多的小角度晶界體現(xiàn)了焊核內(nèi)儲存著較高的塑性變形能，從而對焊核區(qū)產(chǎn)生了亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化效果。

通過對焊接熱機(jī)特征及焊縫組織性能的分析可知，高轉(zhuǎn)速FSW 這種特殊工藝體現(xiàn)出了與常規(guī)FSW不同的焊接特性。由于它能顯著降低材料變形抗力，導(dǎo)致焊縫溫度能夠在轉(zhuǎn)速增大到一定范圍后保持穩(wěn)定狀態(tài)，并使焊核區(qū)組織演變呈現(xiàn)出類似的規(guī)律，從而提高焊縫性能并使其在較寬的轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)保持穩(wěn)定。這說明當(dāng)轉(zhuǎn)速提高至一定程度時，高轉(zhuǎn)速FSW顯現(xiàn)出較寬范圍的優(yōu)質(zhì)工藝參數(shù)調(diào)控區(qū)間，這一優(yōu)異的工藝可控性非常有利于高轉(zhuǎn)速FSW 在實(shí)際焊接制造中的應(yīng)用。

定義集合Bμ(R,R2)={C(R,R2)|Φ(·)|μ<+∞},其中 μ>0, Φ(ξ)=(φ1(ξ),φ2(ξ)) 且

3 結(jié)論

1）當(dāng)轉(zhuǎn)速由1000～4000 r/min 區(qū)間增大至5000～8000 r/min 區(qū)間時，焊核寬度急劇增大了近50%。分析認(rèn)為這是高轉(zhuǎn)速FSW 產(chǎn)熱機(jī)制由以滑移摩擦產(chǎn)熱為主，轉(zhuǎn)變?yōu)橐哉持Σ廉a(chǎn)熱為主所導(dǎo)致的。

2）隨著轉(zhuǎn)速的增大，高轉(zhuǎn)速FSW 焊縫的溫度呈現(xiàn)出特殊的先升高而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。造成這一變化特征的原因在于，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高至一定值時，主導(dǎo)焊接產(chǎn)熱的因素由焊具轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)變成了被焊材料的切應(yīng)力。

3）焊縫溫度直接決定了焊縫組織特征及力學(xué)性能。焊核區(qū)晶粒尺寸及小角度晶界所占比例都隨著轉(zhuǎn)速增大表現(xiàn)出先增大而后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。對于不可熱處理強(qiáng)化鋁合金而言，亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化是決定焊核區(qū)硬度的主要因素，因此，提高轉(zhuǎn)速有利于增大小角度晶界比例并提高焊縫焊核區(qū)的力學(xué)性能。