李朔晗，李 充，郝文波，姚肖潔，韓美玲，王依敬，邢松齡

河北京車軌道交通車輛裝備有限公司，河北 保定 072150

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，F(xiàn)SW）是一種新型固相焊接技術(shù)，其利用高速旋轉(zhuǎn)的焊具與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部熔化，即處于熱塑性狀態(tài)[1-4]。當(dāng)焊具沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，處于熱塑性狀態(tài)的材料在焊具的轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓作用下形成致密的固相焊縫[5-7]。在焊接過(guò)程中攪拌針的合理設(shè)計(jì)對(duì)FSW材料的流動(dòng)行為以及焊接效果有重要的影響。

傳統(tǒng)的攪拌針通常具有螺紋結(jié)構(gòu)，以增加攪拌針與焊接材料的攪拌摩擦作用，增大產(chǎn)熱量。三銑平面螺紋攪拌針是在螺紋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加工出銑平面，能夠更好地促進(jìn)材料流動(dòng)，有利于減少焊縫缺陷，獲得無(wú)缺陷接頭的最大化工藝窗口。Meng[8]等人綜述了不同類型的攪拌針對(duì)于FSW焊接的適用性，包括圓臺(tái)形、錐形等，對(duì)比發(fā)現(xiàn)使用三銑平面螺紋錐形針可以有效促進(jìn)材料在焊接過(guò)程中的流動(dòng)；楊海峰[9]等人使用三銑平面螺紋針對(duì)2A14-T4鋁合金T型接頭進(jìn)行靜止軸肩焊接試驗(yàn)，該過(guò)程僅由攪拌針產(chǎn)熱，但最終仍然得到優(yōu)異焊縫成形；張俊林[10]等人使用帶有三銑平面的螺紋錐形針對(duì)60 mm厚的5A06-H112鋁合金進(jìn)行FSW焊接，發(fā)現(xiàn)即使對(duì)于焊接阻抗較大的厚板，該種類型的攪拌針依然可以有效促進(jìn)材料塑性流動(dòng)，進(jìn)而形成束腰狀接頭。對(duì)于工藝參數(shù)范圍較大的三銑平面螺紋錐形針FSW工藝，焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化可以有效控制焊接過(guò)程中的熱輸入和材料塑性流變行為，優(yōu)化焊縫成形與力學(xué)性能[11-12]。

本文針對(duì)6082-T6鋁合金進(jìn)行三銑平面螺紋錐形針FSW工藝研究及優(yōu)化，在獲得無(wú)明顯缺陷接頭的工藝參數(shù)的試驗(yàn)基礎(chǔ)上，采用響應(yīng)面法[13-14]建立數(shù)學(xué)模型，最終得到最優(yōu)工藝參數(shù)。并通過(guò)試驗(yàn)最優(yōu)參數(shù)下所獲接頭的成形狀況、接頭各區(qū)域組織及硬度分布和接頭強(qiáng)度，驗(yàn)證三銑平面螺紋錐形針對(duì)6082-T6鋁合金焊接時(shí)材料塑性流變的促進(jìn)作用，有助于獲得最佳性能的FSW接頭。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用尺寸為250 mm×50 mm×2 mm的6082-T6鋁合金，其抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率分別為342 MPa和17.32%，化學(xué)成分如表1所示。攪拌針結(jié)構(gòu)為三銑平面螺紋錐形，該結(jié)構(gòu)可改變焊縫材料的塑性流動(dòng)行為，該塑性流動(dòng)模式為銑平面作用下的周向運(yùn)動(dòng)和螺紋作用下的縱向回流運(yùn)動(dòng)相結(jié)合方式。同時(shí)，軸肩處的環(huán)形凹槽可約束材料在劇烈塑變狀態(tài)下的溢出行為，被擠出的材料可暫時(shí)存儲(chǔ)在軸肩端面的環(huán)形凹槽處，避免材料外流，優(yōu)化焊縫成形且進(jìn)一步提高接頭力學(xué)性能。攪拌頭軸肩直徑為12 mm，攪拌針長(zhǎng)度為1.9 mm，具體結(jié)構(gòu)及焊接過(guò)程如圖1所示。

表1 6082-T6鋁合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical compositions of 6082-T6 aluminium alloy（wt.%）

圖1 焊接過(guò)程及焊具設(shè)計(jì)示意Fig.1 Schematic diagram of welding process and welding tool

如圖2所示，本文采用光鏡對(duì)弧紋形貌及高度進(jìn)行測(cè)量分析，來(lái)判定不同參數(shù)下表面成形狀況。分別采用800 r/min的轉(zhuǎn)速及600 mm/min的焊速進(jìn)行表面成形研究，宏觀形貌均無(wú)明顯缺陷，弧紋間隔均勻，焊縫整體成形較穩(wěn)定?；〖y間距與焊具旋轉(zhuǎn)速度呈負(fù)相關(guān)，即隨旋轉(zhuǎn)速度的增加，弧紋間距逐漸減??；弧紋間距與焊具行進(jìn)速度呈正相關(guān)，即隨行進(jìn)速度的增加，弧紋間距逐漸增大。這是由于弧紋是由軸肩對(duì)熱塑性材料周期性的頂鍛作用導(dǎo)致的，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度較高時(shí)，以及行進(jìn)速度較低時(shí)，焊縫熱輸入較大，塑化材料流動(dòng)能力強(qiáng)，在每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)回填的塑化材料量較大，因此弧紋高度相對(duì)較小。

圖2 各參數(shù)下（轉(zhuǎn)速/焊速）的弧紋形貌Fig.2 Arc pattern morphology under various parameters（rotational speed/welding speed）

為了保證焊接質(zhì)量，焊前使用砂紙對(duì)工件表面進(jìn)行打磨以去除氧化膜，然后采用丙酮處理工件表面以去除油污。將工件沿長(zhǎng)度方向固定在工作臺(tái)上，采用對(duì)接方式實(shí)施焊接。FSW工藝參數(shù)選擇為：焊接速度200～1 000 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度600～1 000 r/min，固定壓入量0.05 mm，固定焊具傾角2°。焊后根據(jù)GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》在垂直于焊縫方向的接頭上選取拉伸試樣，測(cè)量其拉伸強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率。

2 參數(shù)與性能之間的數(shù)學(xué)模型

2.1 數(shù)學(xué)優(yōu)化方法

響應(yīng)面法是指通過(guò)一系列確定性實(shí)驗(yàn)，用多項(xiàng)式函數(shù)來(lái)近似擬合隱式極限狀態(tài)函數(shù)。通過(guò)合理選取試驗(yàn)點(diǎn)和迭代策略，來(lái)保證多項(xiàng)式函數(shù)能夠在失效概率上收斂于真實(shí)的隱式極限狀態(tài)函數(shù)。當(dāng)真實(shí)的極限狀態(tài)函數(shù)非線性程度不大時(shí)，線性響應(yīng)面具有較高的近似精度。其中，Hexagonal Design（HD）是一種擬合二階響應(yīng)曲面的兩影響因素響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。其分別由5水平和3水平組成兩個(gè)影響因素，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)由六邊形的六個(gè)頂點(diǎn)和中心點(diǎn)組合而成。為了對(duì)回歸方程的擬合精度進(jìn)行檢驗(yàn)，通常要求中心點(diǎn)個(gè)數(shù)大于4。本研究采用中心點(diǎn)個(gè)數(shù)為4，試驗(yàn)總次數(shù)為10。為了消除各因素取值大小和單位對(duì)回歸計(jì)算的影響，HD試驗(yàn)設(shè)計(jì)中對(duì)不同的因素和水平進(jìn)行了編碼處理。此外，HD的旋轉(zhuǎn)性也使得編碼空間在回歸預(yù)測(cè)時(shí)獲得高精度，有利于確定最優(yōu)響應(yīng)值。在二階兩水平響應(yīng)面設(shè)計(jì)方法中，HD具有所需的試驗(yàn)次數(shù)相對(duì)較少，所有的試驗(yàn)點(diǎn)均落在安全操作區(qū)域內(nèi)等優(yōu)點(diǎn)。

2.2 數(shù)學(xué)模型的建立

利用Design-expert 11中HD模型構(gòu)建響應(yīng)面試驗(yàn)，設(shè)置確立模擬試驗(yàn)的兩因素為主軸旋轉(zhuǎn)速度ω、焊接速度v。在焊接速度200～1 000 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度600～1 000 r/min時(shí)，可得到無(wú)缺陷且成形良好的焊接接頭，在該范圍內(nèi)進(jìn)行各試驗(yàn)因素的水平設(shè)計(jì)如表2所示。

表2 焊接參數(shù)水平Table 2 Welding parameters and their levels

對(duì)設(shè)計(jì)的10組試驗(yàn)進(jìn)行焊后拉伸試驗(yàn)，得到對(duì)應(yīng)參數(shù)下的拉伸性能數(shù)據(jù)，各組試驗(yàn)參數(shù)、斷后伸長(zhǎng)率及抗拉強(qiáng)度如表3所示。使用軟件Design-Expert 11對(duì)抗拉強(qiáng)度Rm及斷后伸長(zhǎng)率A進(jìn)行回歸分析，擬合出如下兩個(gè)二次回歸方程式（1）、式（2）：

表3 Hexagonal Design設(shè)計(jì)試驗(yàn)與相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Hexagonal Design and corresponding experimental results

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 數(shù)學(xué)模型方差分析

使用Design-Expert軟件分析試驗(yàn)結(jié)果的方差，并對(duì)不同階次擬合模型進(jìn)行F檢驗(yàn)，以評(píng)估每個(gè)階次回歸模型的顯著性。對(duì)于給定的顯著性水平α，當(dāng)F值大于Fα（dft，dfe），P值小于α?xí)r，可以判斷該項(xiàng)具有優(yōu)異的顯著性。使用二階回歸模型時(shí)，F(xiàn)值最大，P值低于顯著性水平的1%，這表明二階模型具有更高的顯著性。設(shè)定顯著性水平α的值為0.05，結(jié)果見表4?？梢钥闯?，抗拉強(qiáng)度Rm響應(yīng)模型的P值為0.001 1，表明該模型顯著性良好，即工藝參數(shù)與接頭抗拉強(qiáng)度之間存在明顯的回歸關(guān)系。顯然，焊接速度v，旋轉(zhuǎn)速度ω、兩因素交互項(xiàng)vω，平方項(xiàng)v2、ω2均顯著影響接頭的抗拉強(qiáng)度，并且焊接速度v的影響程度要明顯高于旋轉(zhuǎn)速度ω。此外，模型的失擬項(xiàng)的P值為0.081 2，表明其具有不顯著性，即沒有其他不可忽略的因素影響回歸分析，驗(yàn)證了現(xiàn)有模型選擇的合理性。斷后延伸率A響應(yīng)模型的P值為0.039 4，表明該模型顯著且擬合良好。其中兩因素交互項(xiàng)vω和平方項(xiàng)v2、ω2顯著影響接頭的延伸率。模型的失擬項(xiàng)的P值為0.115 1，說(shuō)明現(xiàn)有模型的選擇的合理性。通過(guò)該模型的建立，在已知10組參數(shù)的情況下，可以預(yù)測(cè)抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率的數(shù)值。同時(shí)，通過(guò)該數(shù)學(xué)模型可以獲得最優(yōu)的焊接參數(shù)以進(jìn)行工藝試驗(yàn)研究，從而得到最佳的工藝參數(shù)和接頭性能。

表4 二次回歸方程方差分析表Table 4 Variance analysis of the second-order polynomial equation

圖3、圖4分別顯示了抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率試驗(yàn)各點(diǎn)的殘差正態(tài)分布?？梢钥闯?，各點(diǎn)幾乎呈線性分布，即殘差具有良好的正態(tài)分布特征，進(jìn)而說(shuō)明通過(guò)預(yù)測(cè)所產(chǎn)生的誤差是隨機(jī)分布的，證實(shí)了預(yù)測(cè)結(jié)果的合理性。預(yù)測(cè)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的良好對(duì)應(yīng)關(guān)系說(shuō)明了所得到的二階響應(yīng)回歸模型具有較高的預(yù)測(cè)精度，即建立的抗拉強(qiáng)度、斷后延伸率與工藝參數(shù)的二階響應(yīng)模型具有較高精度，保證了在不同的工藝參數(shù)下進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率的預(yù)測(cè)具有可靠性。

圖3 關(guān)于抗拉強(qiáng)度回歸相應(yīng)模型的預(yù)測(cè)精度Fig.3 On the prediction accuracy of the regression model of tensile strength

圖4 關(guān)于斷后延伸率回歸相應(yīng)模型的預(yù)測(cè)精度Fig.4 On the prediction accuracy of the regression model of elongation

3.2 工藝參數(shù)對(duì)拉伸性能的影響

圖5為旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的等高線圖（4為中間參數(shù)重復(fù)試驗(yàn)4次，其余數(shù)值為抗拉強(qiáng)度）和三維示意圖，顯而易見，旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度兩個(gè)因素及其交互作用對(duì)抗拉強(qiáng)度有顯著影響。在旋轉(zhuǎn)速度不變的情況下，隨著焊接速度的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度先增大后減小，抗拉強(qiáng)度的最大值出現(xiàn)在較高的旋轉(zhuǎn)速度處，因此當(dāng)軸肩下壓量和傾角均不變時(shí)，提高主軸旋轉(zhuǎn)速度的同時(shí)適當(dāng)提高焊接速度可以使接頭抗拉強(qiáng)度提高，有利于提高焊接效率。這是由于當(dāng)三銑平面螺紋錐形針用于FSW時(shí)，銑平面結(jié)構(gòu)造成了材料塑性流動(dòng)行為的改變，其所帶來(lái)的動(dòng)態(tài)流動(dòng)效應(yīng)可顯著提高材料流動(dòng)，同時(shí)減小熱輸入，焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度的適當(dāng)提高可有效提高焊接熱輸入，進(jìn)而得到高質(zhì)量的焊縫成形和高的接頭強(qiáng)度。而在設(shè)計(jì)的參數(shù)范圍內(nèi)，抗拉強(qiáng)度的最低值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度較高而焊接速度較低處，這表明過(guò)大的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)溫度過(guò)高，難以控制晶粒再結(jié)晶尺寸，造成強(qiáng)度降低。另一處抗拉強(qiáng)度的較低值出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度較低而焊接速度較高處，這表明過(guò)低的熱輸入會(huì)造成塑化材料未充分軟化流動(dòng)，導(dǎo)致焊接接頭的抗拉強(qiáng)度顯著降低。

圖5 旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響Fig.5 Effect of rotation speed and welding speed on tensile strength

接頭的斷后伸長(zhǎng)率是表征材料塑性的重要指標(biāo)之一，直接影響接頭的抗拉強(qiáng)度。如圖6所示，斷后伸長(zhǎng)率與抗拉強(qiáng)度具有基本一致的趨勢(shì)，具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)焊速過(guò)大時(shí)，材料熱輸入不足，即使三銑平面降低了塑性材料的流動(dòng)阻力，依然難以形成高質(zhì)量的成形接頭；而當(dāng)轉(zhuǎn)速過(guò)大時(shí)，材料熱輸入過(guò)大，嚴(yán)重影響熱影響區(qū)的晶粒尺寸及其分布，導(dǎo)致斷后延伸率的抗拉強(qiáng)度均下降。

圖6 旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對(duì)斷后伸長(zhǎng)率的影響Fig.6 Effect of rotation speed and welding speed on elongation

綜上所述，由于三銑平面螺紋攪拌針的應(yīng)用，雖然優(yōu)化了塑性材料的流動(dòng)性，但是仍需與轉(zhuǎn)速與焊速相匹配，適當(dāng)?shù)臒彷斎肟梢员苊猱a(chǎn)生缺陷[15]，并且也可獲得較高的抗拉強(qiáng)度和斷后延伸率。

3.3 最優(yōu)工藝參數(shù)獲取及其特征分析

通過(guò)求解極值點(diǎn)的方法進(jìn)行優(yōu)化，從而獲得最佳的工藝參數(shù)。任意兩個(gè)因素的響應(yīng)面都對(duì)應(yīng)著一個(gè)極大值，說(shuō)明在所得響應(yīng)關(guān)系式中存在極大值。結(jié)果如表5所示，兩者優(yōu)化參數(shù)結(jié)果同時(shí)接近于850 r/min的旋轉(zhuǎn)速度和650 mm/min的焊接速度，在此參數(shù)下對(duì)所得接頭進(jìn)行拉伸測(cè)試，接頭拉伸試驗(yàn)結(jié)果與HD法優(yōu)化結(jié)果十匹配良好，表明回歸模型及其優(yōu)化有較高的準(zhǔn)確性。

表5 最優(yōu)工藝參數(shù)及其性能Table 5 Optimized welding process and performances

利用最優(yōu)工藝參數(shù)進(jìn)行特征表征，可得到6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW的高質(zhì)量接頭，其表面形貌如圖7所示。在相匹配的焊速與轉(zhuǎn)速下，接頭表面宏觀成形優(yōu)異，飛邊較少，弧紋均勻穩(wěn)定，無(wú)宏觀缺陷。

圖7 最優(yōu)接頭表面形貌Fig.7 Macro-morphology of the optimized joint surface

接頭宏觀形貌如圖8所示，焊縫形貌呈碗狀，頂部寬，底部窄且左右對(duì)稱。在最優(yōu)參數(shù)下，三銑平面充分發(fā)揮促進(jìn)流動(dòng)性的作用，塑化材料具有良好的流動(dòng)性且熱輸入適中，焊縫內(nèi)部成形良好，焊縫整體尺寸適中，未產(chǎn)生缺陷。

圖8 最優(yōu)接頭宏觀形貌Fig.8 Macro-morphology of the optimized weld joint

接頭硬度分布如圖9所示，接頭硬度曲線呈現(xiàn)“W”形，母材區(qū)硬度最高，熱機(jī)影響區(qū)硬度最低，熱影響區(qū)和焊核區(qū)硬度略微提升。三銑平面螺紋攪拌針導(dǎo)致焊縫材料具有良好的流動(dòng)性，焊縫前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)硬度差異不明顯，整體呈對(duì)稱分布。

圖9 最優(yōu)接頭硬度分布Fig.9 Hardness distribution of the optimized weld joint

采用最優(yōu)的工藝參數(shù)對(duì)三銑平面攪拌針FSW后接頭及母材進(jìn)行了拉伸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖10所示，最優(yōu)參數(shù)下抗拉強(qiáng)度達(dá)到257.29 MPa，通過(guò)對(duì)斷前斷后長(zhǎng)度的測(cè)量及計(jì)算，得到斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到10.68%，表明三銑平面攪拌針的焊接效果優(yōu)異。

圖10 最優(yōu)接頭拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.10 Tensile stress-strain curve of the optimized weld joint

因此，在最優(yōu)旋轉(zhuǎn)速度850 r/min與焊接速度650 mm/min下，焊縫宏觀成形良好，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)硬度基本呈對(duì)稱分布，且抗拉強(qiáng)度與斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到最優(yōu)，表明了試驗(yàn)工藝力學(xué)性能的優(yōu)異性，同時(shí)證明三銑平面螺紋攪拌針焊接6082-T6鋁合金時(shí)，可產(chǎn)生促進(jìn)材料流動(dòng)的有益影響。

4 結(jié)論

（1）試驗(yàn)利用響應(yīng)面法HD模型構(gòu)建了6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW工藝參數(shù)（旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度）與抗拉強(qiáng)度及斷后伸長(zhǎng)率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，并得到了三銑平面螺紋錐形針FSW接頭性能的預(yù)測(cè)模型。

（2）在最優(yōu)參數(shù)下，三銑平面攪拌針充分發(fā)揮促進(jìn)流動(dòng)性的作用，塑化材料流動(dòng)好且熱輸入適中，焊縫內(nèi)部成形好，無(wú)缺陷，焊縫整體尺寸適中，硬度呈對(duì)稱分布。

（3）在設(shè)計(jì)區(qū)間范圍內(nèi)提高旋轉(zhuǎn)速度，并選取適當(dāng)?shù)暮附铀俣龋梢杂行У膬?yōu)化抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率。轉(zhuǎn)動(dòng)速度850 r/min、焊接速度650 mm/min時(shí)，接頭的抗拉強(qiáng)度最大為257.29 MPa，斷后伸長(zhǎng)率為10.68%。