伍杰，錢佑臣，趙晨陽

（1. 湖南工學院 智能制造與機械工程學院，湖南衡陽 421002；2. 湖南工學院 材料科學與工程學院，湖南衡陽 421002）

近年來，由于鋁合金拼焊板強度/重量比的優(yōu)勢，在汽車輕量化領域得到了越來越廣泛的應用，有成為鋼拼焊板替代者的趨勢[1-2]。與鋼拼焊板相比，鋁合金拼焊板的應用中主要存在兩個問題[3]：1）焊接性的問題。眾所周知，鋁合金的焊接性低于鋼的焊接性。鋁合金的反射率高，傳統(tǒng)的熔化方法（例如激光焊接等）焊接鋁合金時，容易出現熱裂紋和元素損失，極大地影響了鋁合金的應用。攪拌摩擦焊接作為一種固態(tài)連接的方法，克服了熔化焊接的缺陷，成為鋁合金焊接的常用的方法之一[4]。2）室溫成形性能的問題[5]。成形性能是板材（包括拼焊板）最重要的性能指標參數之一，得到了研究者非常廣泛的關注[6-8]。研究拼焊板成形性能的方法很多，主要包括LDH實驗[6]、IE實驗[9]和FLC實驗[10]等。影響拼焊板成形性能的因素也很多，比如組成拼焊板的母材厚度比[11]，強度比[12]以及焊縫的方向與失配參數[13]等；不同的焊接方法對拼焊板的成形性能也有一定的影響[14]；此外，拼焊板與成形模具之間接觸配置對成形性能也有影響。

為了研究上述因素對鋁合金拼焊板成形性能的影響，采用實驗方法研究了攪拌摩擦焊接和激光焊接方法制備的鋁合金AA5754拼焊板的成形性能，研究了Face-Root 配置和厚度差異對極限拱頂高度值（Limiting dome height，LDH）的影響，此外，還采用Taguchi方法分析了3種因素對LDH值影響的重要程度。

1 試驗

1.1 材料

制備拼焊板采用的鋁合金型號是AA5754，其化學成分及相應的力學性能參數如表1和表2所示。研究異種厚度影響時，較薄一側母材的尺寸為203 mm × 100 mm × 3 mm，較厚一側母材的尺寸為203 mm ×100 mm ×3.8 mm；研究同種厚度影響時，母材的尺寸均為203 mm ×100 mm ×3 mm。

表1 AA5754鋁合金各元素質量分數 %

表2 AA5754鋁合金力學性能

1.2 鋁合金拼焊板制備方法與工藝

攪拌摩擦焊接方法的工藝參數為：攪拌針的旋轉速度為1950 r/min，焊接速度為3 m/min，攪拌針的長度為3.5 mm，軸肩直徑為12 mm，攪拌的傾角為1°。激光焊接方法的工藝參數為：激光功率2 kW，焊接速度4 m/min，采用純氬氣為保護氣體，氣流量為30 L/min，激光束斑直徑為3 mm。如圖1所示是采用攪拌摩擦焊和激光焊接方法制備的AA5754鋁合金拼焊板及相應的尺寸示意圖。

圖1 采用不同方法制備的鋁合金拼焊板及尺寸

1.3 LDH實驗

極限拱頂高度實驗采用直徑為101.6 mm的半球形沖頭對板材進行沖壓成形，如圖2所示，板材斷裂時對應的成形高度稱為LDH值。LDH值越大，表明板材的成形性能越好。

圖2 LDH實驗示意圖與設備

為了精確地測定LDH值，采用德國GOM公司的ARAMIS動態(tài)光學應變測試系統(tǒng)對板材的變形情況進行實時記錄和測量，實驗裝置如圖3所示。ARAMIS采用數字圖像相關技術（Digital image correlation，DIC），通過追蹤物體表面預先噴涂的散斑圖像，實現變形過程中物體表面的三維坐標、位移及應變的測量。

圖3 ARAMIS的攝像頭及數據處理系統(tǒng)

根據測量表面的不同（在測量表面會噴涂散斑），將沖頭與板材接觸的形式分為兩種：一種是Face 配置，如圖4a）所示，即與沖頭接觸的是焊縫根部（Weld root），噴涂散斑的是焊縫表面（Weld face）所在平面；相應地，另一種是Root 配置，如圖4b）所示，噴涂散斑的是焊縫根部（Weld root）所在平面。

圖4 兩種配置示意圖

2 結果與討論

2.1 異種厚度時的LDH值

從斷裂產生的位置來看：采用攪拌摩擦焊制備的鋁合金拼焊板，不論是Face配置，還是Root配置，斷裂都產生于厚度較薄的母材一側，且裂紋擴展方向與焊縫平行，如圖5所示，這與文獻[11]的研究結果是一致的；采用激光焊接制備的鋁合金拼焊板，斷裂仍然發(fā)生在厚度較薄的母材一側，如圖6所示。

圖5 攪拌摩擦焊制備的異厚度AA5754鋁合金拼焊板LDH實驗時的斷裂模式

圖6 激光焊制備的異厚度AA5754鋁合金拼焊板LDH實驗時的斷裂模式

LDH實驗時，拼焊板被上、下壓邊圈固定，與沖頭接觸的板材處于自由變形狀態(tài)，由于厚度的差異，焊縫會朝較厚母材一側移動，變形主要發(fā)生在較薄的母材一側。從拼焊板的成形性能來看：采用攪拌摩擦焊接方法制備的鋁合金拼焊板， Face 配置時的LDH值（20.7 mm）要小于Root配置時的 LDH值（21.87 mm）；采用激光焊接方法制備的鋁合金拼焊板，Face配置時的LDH值（17.61 mm）依然小于Root 配置時的LDH值（19.81 mm）。無論是激光焊接，還是攪拌摩擦焊接，Face配置時的LDH值都要小于Root配置時的LDH值，結果如表3所示。

表3 異厚度鋁合金AA5754拼焊板LDH實驗結果（3 mm vs 3.8 mm）

2.2 同種厚度時的LDH值

圖7和圖8分別是采用攪拌摩擦焊和激光焊接制備的兩側母材厚度相同的鋁合金拼焊板的斷裂情況，斷裂位置均位于沖頭與板材接觸的自由邊緣，這與單一母材的斷裂情況是相同的[15]。

圖7 攪拌摩擦焊制備的磨削為相同厚度后的AA5754鋁合金拼焊板LDH實驗時的斷裂模式

圖8 激光焊接方法制備的磨削為相同厚度后的AA5754鋁合金拼焊板LDH實驗時的斷裂模式

從拼焊板的成形性能來看：拼焊板兩側母材厚度相同時，采用攪拌摩擦焊接和激光焊接制備的鋁合金拼焊板，不論是Face 配置，還是Root配置，其LDH值比異種厚度時的LDH值增加；與異厚度相同的情況是，同種厚度（3 mm）時，Root配置的LDH仍然高于Face配置的LDH值，如表4所示。

表4 同厚度鋁合金AA5754拼焊板LDH實驗結果

拼焊板兩側母材厚度不同時，攪拌摩擦焊制備的鋁合金拼焊板LDH值要高于激光焊接制備的鋁合金拼焊板的LDH值。而兩側母材厚度相同時，激光焊接制備的鋁合金拼焊板的LDH值要高于采用攪拌摩擦焊接方法制備的鋁合金拼焊板。這與目前文獻報道的結果具有一致性：影響拼焊板LDH值的因素很多，包括厚度比、強度比等[16]，此外還有焊接方法[17]，以及焊縫非線性因素[18]等，其中厚度比是最主要的影響因素，當厚度比差異較大時，其他因素都處于次要地位[17]。

2.3 基于DOE方法的影響因素分析

實驗設計（Design of experiment，DOE）方法以概率論和數理統(tǒng)計為基礎，通過對實驗進行合理安排，能夠以較小的實驗成本，獲得理想的實驗結果和得出科學的結論[19]。Taguchi方法是實驗設計一種，利用正交實驗確定影響因子水平與實驗結果間的關系，計算各影響因素對實驗結果的信噪比，通過方差確定各個影響因素對實驗結果的影響程度[20]。為了分析焊接方法，Face- Root配置方法和厚度差異對拼焊板成形性能的影響，采用基于信噪比分析的Taguchi方法進行實驗設計[21]。采用L4（23）正交表分析焊接方法、配置方法和厚度差異這3種因素對LDH值的影響。根據DOE方法，可以得到正交表和實驗數據表，如表5所示。

表5 L4（23）正交實驗表和實驗數據表

根據拼焊板成形性能的表征方法，LDH越大，成形性能越好。所以進行信噪比（S/N）分析時，S/N值取較大值，根據信噪比的計算公式，即

采用Minitab軟件進行分析，可以得到4次實驗的S/N比分別為24.9152、28.4452、27.5315和26.7970。S/N信噪比一覽表，如表6所示。從信噪比的分析可以得出，在影響鋁合金拼焊板成形性能的3種因素中，最主要因素是厚度的差異，配置方法的影響較厚度差異要小，對LDH值影響最小的是焊接方法。

表6 基于LDH值的S/N 信噪比一覽表

3 結論

采用實驗方法研究AA5754鋁合金拼焊板的成形性能，并采用Taguchi方法分析拼焊板成形性能的影響因素。實驗結果表明：

1） 對于異種厚度的鋁合金拼焊板，無論是攪拌摩擦焊接還是激光焊接，Face 配置時的LDH值要都要小于Root 配置時的LDH值；但激光焊接的拼焊板的LDH要小于攪拌摩擦焊接的拼焊板。

2） 對于同種厚度的鋁合金拼焊板，不論是Face配置，還是Root配置，LDH都大于異種厚度時的LDH值；無論是攪拌摩擦焊接還是激光焊接，Face配置時的LDH值仍然小于Root 配置時的LDH。

3） Taguchi方法分析結果表明：在3種影響因素中，厚度差異是最主要的影響因素，Face-Root 配置的影響較小，對于LDH影響最小的是焊接方法。