張錦標(biāo)，王 瑞，周煒璐，李寶德，梁 濤，周 利

1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031 2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）山東省特種焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 威海 264209 3.中核戰(zhàn)略規(guī)劃研究總院有限公司，北京 100037

0 前言

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）是德國(guó)GKSS中心發(fā)明的一種適用于輕金屬合金連接的新型固相點(diǎn)焊技術(shù)[1-2]。由于其接頭力學(xué)性能好、質(zhì)量穩(wěn)定、焊接變形小以及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在汽車制造、航空航天等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，有望代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點(diǎn)焊和鉚接技術(shù)[3]。相比于傳統(tǒng)的攪拌摩擦點(diǎn)焊，RFSSW技術(shù)通過(guò)控制袖套和攪拌針的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在攪拌頭扎入工件后回撤的同時(shí)，填充其在焊接過(guò)程中形成的退出孔，從而形成力學(xué)性能更優(yōu)的無(wú)匙孔焊點(diǎn)[4]。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的焊點(diǎn)成形機(jī)理、接頭微觀組織及力學(xué)性能、工藝參數(shù)的優(yōu)化等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究[5-7]。德國(guó)GKSS研究中心的Tier等人針對(duì)微觀組織演變對(duì)5042鋁合金回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭力學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明界面情況與所用焊接工藝密切相關(guān)，焊核區(qū)可能存在著由于塑性流動(dòng)不足導(dǎo)致的孔洞缺陷，采用這種方式獲得線性連接界面比獲得曲線（“鉤狀”）界面時(shí)接頭強(qiáng)度高[8]。Grant G J對(duì)采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊連接的鋁合金多層板的超塑性成形行為進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)采用回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊獲得的多層板結(jié)構(gòu)具有良好的超塑性成形性能[9]。JI S等針對(duì)攪拌頭對(duì)被焊材料流動(dòng)行為的影響進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)袖套外壁的螺紋可以提高金屬的流動(dòng)速度，獲得更為致密的組織，但容易形成飛邊、凹槽、未充分回填、鉤狀缺陷、孔洞等缺陷，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)可以減小或消除上述缺陷[10]。天津大學(xué)的張家龍對(duì)兩塊1 mm厚的5052鋁合金進(jìn)行了FSSW實(shí)驗(yàn)，找到了最優(yōu)的工藝參數(shù)，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下獲得的接頭的拉剪強(qiáng)度達(dá)到最大[11]。但針對(duì)回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接過(guò)程中扎入力的研究很少。扎入力是焊接過(guò)程中摩擦產(chǎn)熱的重要影響因素，也是設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參考指標(biāo)。本文針對(duì)6061-T6鋁合金材料，采用不同的焊接工藝參數(shù)對(duì)扎入力進(jìn)行了測(cè)量和分析，研究了焊接過(guò)程中扎入力的變化規(guī)律以及工藝參數(shù)對(duì)扎入力的影響規(guī)律，為回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備的設(shè)計(jì)以及工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與方法

回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊的工藝過(guò)程分為4個(gè)階段，分別為：摩擦生熱階段、下扎階段、回填階段和撤離階段[8]，如圖1所示。

圖1 回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝過(guò)程Fig.1 Technological process of backfill friction stir spot welding

在摩擦生熱階段，攪拌頭整體下壓至工件表面，將工件壓緊。袖套和攪拌針緊貼工件表面旋轉(zhuǎn)，與被焊材料摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料逐漸達(dá)到熱塑性狀態(tài)。在下扎階段，袖套一邊旋轉(zhuǎn)，一邊扎入工件，對(duì)熱塑性狀態(tài)的工件進(jìn)行擠壓，同時(shí)攪拌針回撤，為被袖套擠壓出來(lái)的熱塑性材料提供空間。本文主要對(duì)下扎階段的扎入力進(jìn)行測(cè)量分析。

實(shí)驗(yàn)材料用6061鋁合金，熱處理狀態(tài)為T6（固溶處理+人工時(shí)效），尺寸100 mm×40 mm×2 mm，兩塊試件搭接安裝于壓力測(cè)試臺(tái)夾具上，搭接尺寸為40 mm×40 mm。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用龍門式攪拌摩擦焊機(jī)，并按照回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊攪拌頭的尺寸設(shè)計(jì)并制作了專用的攪拌頭，袖套的外徑為Φ9，內(nèi)徑為Φ5.5，如圖2所示。

圖2 專用攪拌頭Fig.2 Special mixing head

圖3為扎入力測(cè)量平臺(tái)，采用膜盒式稱重傳感器對(duì)扎入力進(jìn)行測(cè)量，其輸出信號(hào)為0～10 V，采用EM911B-6數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。

圖3 扎入力測(cè)量平臺(tái)Fig.3 Measuring platform of penetration force

分別選取不同的攪拌頭轉(zhuǎn)速、扎入速度、扎入深度進(jìn)行下扎實(shí)驗(yàn)，具體焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 工藝參數(shù)Table 1 Welding parameter

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

不同工藝參數(shù)下的最大扎入力如表2所示。

表2 試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Test result

2.2 扎入力變化趨勢(shì)分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在各組不同的工藝參數(shù)條件下，扎入過(guò)程中的扎入力變化趨勢(shì)基本一致。圖4為典型的扎入力變化曲線，按照其變化趨勢(shì)將整個(gè)扎入過(guò)程分為3個(gè)階段：在第一階段，隨著攪拌頭的扎入，下扎力逐漸增大，并在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到峰值，這是由于此階段摩擦產(chǎn)熱不足，被焊材料還處于固態(tài)，所以扎入力呈上升趨勢(shì)；在第二階段，攪拌頭與工件摩擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料從固態(tài)變?yōu)闊崴苄誀顟B(tài)，扎入力隨著攪拌頭的繼續(xù)扎入逐漸減小，扎入力呈下降趨勢(shì)；在第三階段，攪拌頭回抽，扎入力變?yōu)?。其中第二階段時(shí)間最長(zhǎng)。

圖4 典型的扎入力變化趨勢(shì)Fig.4 Typical change trend of penetration force

2.3 工藝參數(shù)對(duì)最大扎入力的影響規(guī)律分析

圖5、圖6分別為扎入深度為2 mm和4 mm時(shí)，在不同攪拌頭轉(zhuǎn)速和扎入速度下最大扎入力的變化趨勢(shì)。

圖5 扎入深度2 mm的最大扎入力變化曲線Fig.5 Change curve of maximum penetration force when the penetration depth is 2 mm

圖6 扎入深度4 mm的最大扎入力變化曲線Fig.6 Change curve of maximum penetration force when the penetration depth is 4 mm

（1）轉(zhuǎn)速對(duì)最大扎入力的影響分析。

由圖5、圖6可知，在扎入深度分別為2 mm和4 mm時(shí)，扎入速度不變的情況下，最大扎入力隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而減小。這是由于隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)攪拌頭與被焊材料之間的摩擦產(chǎn)熱增多，被焊材料的熱塑性程度大，所以扎入阻力減小，從而導(dǎo)致最大扎入力減小。

（2）扎入速度對(duì)最大扎入力的影響分析。

由圖5、圖6可知，轉(zhuǎn)速不變的情況下，最大扎入力隨著扎入速度的增大而增大。這是由于隨著扎入速度的增大，扎入相同厚度需要的時(shí)間短，從而使攪拌頭與被焊材料之間的摩擦產(chǎn)熱減少，被焊材料的熱塑性程度小，所以扎入阻力大，從而導(dǎo)致最大扎入力增大。

（3）扎入深度對(duì)最大扎入力的影響分析。

比較圖5、圖6可知，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，扎入2 mm和4 mm所需的最大扎入力基本一樣。這是由于扎入力在剛開(kāi)始扎入很短的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到峰值，在扎入深度小于2 mm之前，被焊材料就已經(jīng)達(dá)到熱塑性狀態(tài)。最大扎入力出現(xiàn)在被焊材料還處于固態(tài)時(shí)，當(dāng)被焊材料達(dá)到熱塑性狀態(tài)時(shí)，扎入力會(huì)隨著熱塑性程度由低到高而逐漸減小，所以扎入深度對(duì)最大扎入力的影響不大。

（4）工藝參數(shù)對(duì)最大扎入力的綜合影響分析

由表2可知，在所選工藝參數(shù)范圍內(nèi)，扎入力峰值最大為12.63 kN，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速900 r/min，扎入速度100 mm/min，扎入深度4 mm。扎入力峰值最小為3.2 kN，工藝參數(shù)為：轉(zhuǎn)速1 700 r/min，扎入速度20 mm/min，扎入深度4 mm。其分別對(duì)應(yīng)兩種工藝條件：低轉(zhuǎn)速、大扎入速度的“冷態(tài)條件”和高轉(zhuǎn)速、小扎入速度的“熱態(tài)條件”?；靥钍紽SSW焊接過(guò)程中的扎入力與焊接過(guò)程中的熱輸入量有很大關(guān)系。

回填式FSSW焊接過(guò)程中的最大扎入力是設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的伺服電機(jī)功率計(jì)算、設(shè)備的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、攪拌工具的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度等設(shè)計(jì)都需要以焊接過(guò)程中所需的最大扎入力為依據(jù)[12]。所以在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮工藝參數(shù)范圍和設(shè)備的承載能力。對(duì)于在設(shè)備承載能力范圍內(nèi)的被焊材料，在焊接時(shí)可采用高轉(zhuǎn)速、大扎入速度的工藝條件以提高焊接效率；對(duì)于在設(shè)備承載能力范圍外的被焊材料，應(yīng)該采用高轉(zhuǎn)速、小扎入速度的“熱態(tài)”工藝條件。

3 結(jié)論

（1）在不同的攪拌頭轉(zhuǎn)速、扎入速度及扎入深度工藝參數(shù)下，回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中的扎入力變化趨勢(shì)基本一致，都呈先增大后減小的趨勢(shì)。

（2）攪拌頭轉(zhuǎn)速和扎入速度直接影響焊接過(guò)程中的摩擦產(chǎn)熱。摩擦產(chǎn)熱決定被焊材料的熱塑性程度。最大扎入力與被焊材料的熱塑性程度成反比，攪拌頭轉(zhuǎn)速越高，扎入速度越小，摩擦產(chǎn)熱越多，被焊材料的熱塑性程度越高，所需的扎入力越小。在所選工藝參數(shù)范圍內(nèi)，扎入力峰值最大為12.63 kN，最小為3.2 kN，其分別對(duì)應(yīng)兩種工藝條件：低轉(zhuǎn)速（900 r/min）、大扎入速度（100 mm/min）的“冷態(tài)條件”和高轉(zhuǎn)速（1 700 r/min）、小扎入速度（20 mm/min）的“熱態(tài)條件”。

（3）最大扎入力是回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊設(shè)備設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，在設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該綜合考慮設(shè)備的承載能力以及工藝參數(shù)范圍。