摩擦疊焊單元成型質量影響因素研究

占宏偉，焦向東，高 輝，周燦豐，陳家慶，陳 煜

(1.北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市工程研究中心，北京 102617；2.上海核工程研究設計院，上海 200233)

摩擦疊焊單元成型質量影響因素研究

占宏偉1，焦向東1，高 輝1，周燦豐1，陳家慶1，陳 煜2

(1.北京石油化工學院 能源工程先進連接技術北京市工程研究中心，北京 102617；2.上海核工程研究設計院，上海 200233)

摩擦疊焊單元成型的工藝參數對接頭表面成形及其性能有著決定性的影響。進行了大量焊接工藝試驗，考查了各種參數組合下的焊接接頭質量，對比各焊接參數下接頭的微觀組織、宏觀形貌和焊接壓力，分析缺陷出現的原因并提出改善方法。結果表明：主軸轉速在3500r／min以上，焊接速度40mm／min以上的范圍內，得到的焊接接頭組織致密均勻，缺陷少；圓頭圓底的形狀組合能帶來比其他組合更好的接頭質量。焊縫區域材料在接頭底部“過渡區域”的流動性較差，而且缺陷大多出現在此，采用圓頭圓底形狀組合能夠明顯改善這一現象。焊接壓力變化也對焊接質量影響很大，在合適的參數組合作用下，得到的焊接壓力變化過程與實際焊接過程中金屬材料的加熱、塑化、凝固的變化過程對應。

摩擦疊焊；接頭質量；微觀組織；形狀組合；焊接壓力

0 前言

近年來，隨著海上油氣勘探和生產活動的不斷增加，海洋石油的開采逐漸從近海向深海發展，水下結構物修復的重要性也隨其使用年限的增加而凸顯出來。常用的修復方式有水下高壓干式焊接，其優點是可以形成與陸上常壓焊接質量相當的接頭，但是干式艙建造費用高昂，且焊接電弧的穩定性會隨著水深的增加而大幅度降低[1]。摩擦疊焊技術作為高壓干式焊接技術的有效補充，是英國焊接研究所(TWI)于1992年發明的以海洋平臺、海底管道修復為主要目的的固相焊接技術，該技術具有接頭性能優異且高效、節能、無污染和廣泛的工藝適應性等技術特色，而且對水不大敏感、不同水深焊接參數變化不大，是當前深水金屬結構物水下維修的熱門研究領域。近十年來，英國、德國、日本、美國、挪威等國家先后對摩擦疊焊焊接工藝進行了研究[2-3]。在我國，以攪拌摩擦焊為代表的新型摩擦焊技術才剛剛起步，而摩擦疊焊技術從裝備到焊接工藝的研究均為空白。因此，摩擦疊焊焊接工藝的研究對我國摩擦疊焊技術的發展具有重要意義，能夠為我國海底管線、海洋平臺修復，以及眾多涉及水下工程的行業，如海洋工程、國防艦艇、港口橋梁等提供一定的技術儲備。

本研究旨在從三個方面進行摩擦疊焊焊接工藝的研究。第一，研究焊接主軸轉速、焊接進給速度對摩擦疊焊單元成型FHPP(Friction Hydro Pillar Processing)質量的影響，并對各參數下接頭的微觀組織和出現缺陷的原因進行分析；第二，研究塞棒和預制孔形狀組合對焊接接頭質量的影響；第三，對不同焊接參數下的焊接壓力進行了監測和分析，能夠為分析焊接成型機理和進一步提高焊接質量打下基礎，同時為深入開展理論和試驗研究提供指導意義。

1 試驗條件與方法

本試驗設備是由北京石油化工學院海洋工程連接技術研究中心自主設計制造的國內第一臺摩擦疊焊試驗機，如圖1所示。該實驗系統中，焊接主軸頭是該設備中最為關鍵的部件，其最高軸向工作壓力20 kN，最高扭矩50 N·m，液壓馬達的最高轉速能夠達到5000r／min。電控系統采用PLC為主控單元，觸摸屏作為人機操作界面。在摩擦疊焊工藝試驗過程中，需要對各工藝參數進行實時采集和記錄，以便于進行試驗數據分析和總結。因此，設計開發了一套專門用于摩擦疊焊焊接工藝試驗的摩擦疊焊試驗數據采集系統。該系統通過西門子PLC采集由溫度傳感器、位移傳感器、壓力傳感器和激光測速傳感器監測到的各工藝參數信號，并由Wavebook數據采集器中的信號調理模塊對采集信號進行處理，并將處理結果傳輸到電腦，實現了工藝試驗數據的采集與實時監測。

2 試驗結果和討論

2.1 焊接工藝參數對焊接質量的影響

在進行摩擦疊焊單元成型工藝參數試驗之后，選擇出不同焊接參數下的典型試樣進行分析，對轉速一定、進給速度不同和進給速度一定、轉速不同條件下的接頭外貌進行了比較，發現主軸轉速較進給速度更為重要，轉速較高如3 500 r／min以上且進給速度也較大時，工藝參數組合具有較好的穩定性，且能獲得性能良好的接頭質量，同時，接頭質量呈現出隨著進給速度的增加而不斷提高的趨勢。

圖1 摩擦疊焊試驗系統Fig.1 Friction stitch welding experiment system

2.1.1 轉速對焊接質量的影響

在焊接速度一定，焊接轉速不同的情況下，進行了焊接單元成型試驗，其微觀組織如圖2所示，對比發現高轉速明顯帶來了更好的焊接質量，其材料組織更致密，晶粒更細小(見圖2a)；轉速低時，材料組織相對疏松(見圖2b)。因為轉速高，產熱率大，材料的熱輸入多，摩擦面附近材料則更容易達到塑性化狀態，材料在基孔內的流動性和擴散性更好，因而材料填充得更加充分，使得組織材料更加致密。同時，晶粒大小對接頭力學性能影響較大，晶粒越細小，晶界越多，由于晶界對位錯的阻塞作用，使得材料對變形的阻力增大，這樣材料強度和硬度越高[4-5]。晶粒細小在提高接頭強度的同時，還提高了接頭的塑韌性[6]，使接頭具有較好的綜合力學性能。

2.1.2 進給速度對焊接質量的影響

圖2 接頭微觀組織Fig.2 Microstructure of the joints

在焊接轉速一定，焊接進給速度不同的情況下，進行了焊接單元成型試驗，其微觀組織如圖3所示。發現進給速度高時材料填充較好，但塞棒和母材間有明顯的焊接熔合線和黑色析出物(見圖3a)；進給速度低時底部接觸區域熔合較差，存在較大氣孔(見圖3b)。由于鋁合金容易在高溫下被氧化，導致焊縫中出現了氧化夾渣，呈黑色(見圖3a)；焊接熔合線是由于鋁合金的導熱系數、線膨脹系數和體積收縮率均較大，因而產生了焊接變形和內應力，導致出現了焊接熔合線。圖3b中缺陷產生的主要原因有兩點：一是焊接進給速度不足，焊合區內部孔隙大，材料填充不夠充分，出現了疏松、氣孔等缺陷；二是焊接過程中試件表面的氧化鋁易吸收水分[7]，產生了氫氣但來不及逸出而造成氣孔的出現。

圖3 接頭缺陷微觀形貌Fig.3 Microstructure of joints＇lacuna

2.2 試件形狀對焊接質量的影響

實驗采用三種不同形狀的塞棒與基塊預置孔組合進行了試驗，分別為平頭平底、錐頭錐底、圓頭圓底形狀組合，挑選出各形狀下典型的焊接接頭，如圖4所示。由圖可見：塞棒與基塊預置孔形狀組合為平頭平底的試件焊接質量明顯差于其他兩種形式的組合，而且圓頭圓底形狀組合的接頭質量尤其好，如圖4c所示。大量的焊接對比試驗顯示：在相同的保護氣流量、主軸轉速和進給速度等參數條件下，圓頭圓底組合的接頭是以上焊接過程中質量最好，成品率最高的組合。這是由于隨著塞棒與基孔組合形狀的改善，焊縫區域金屬材料更容易達到超塑性狀態，塑性材料在焊接底部“過渡區域”的流動性也更好，因而材料填充更加充分，焊接缺陷得以減少。

圖4 不同形狀組合下的接頭形貌Fig.4 Joints features of different shape combinations

試驗發現，焊接缺陷大多出現在焊接初始階段，因為焊接開始時接觸摩擦面附近區域的材料溫度較低，因而提高焊接初始溫度能夠減少缺陷的產生和缺陷的大小。因為增大摩擦接觸面積可以增加塞棒與基孔開始接觸時的摩擦阻力，進而增加摩擦時間，導致產生更多的焊接熱輸入，所以圓頭圓底組合能夠比前者帶來更好的焊接質量。另外，增加輔助熱源也是有效提高焊接接頭質量的方法之一。

2.3 不同工藝參數下的焊接壓力比較

在摩擦疊焊單元成型試驗中，焊接壓力對焊接質量影響較大。焊接壓力增加會使材料熔化速率增加，焊接時間減小，加熱時間減小，材料冷卻速率增加，導致接頭熱影響區的硬度增加以及材料拉伸強度的增加[8]。焊接壓力上升過快，表明結合面上未形成焊接所需達到的塑性狀態，而得不到良好的焊接質量；焊接壓力上升過慢，會使金屬材料在冷卻結晶過程中，塑性層與塑性層之間不能緊密結合，亦不能得到質量優異的焊接接頭，如圖5中焊接轉速為4 000 r／min，進給速度為20 mm／min參數下的焊接壓力，其微觀缺陷如圖3b所示；同時，焊接壓力在焊接實際過程中是一個上下變化的循環過程，這樣才與超塑性材料的塑化、凝固、連接的焊接過程相對應。

3 結論

(1)摩擦疊焊單元成型的工藝參數對焊接接頭質量影響重大。試驗發現焊接過程中采用高轉速時，能顯著增大產熱功率，使得接觸摩擦面附近材料容易達到塑性狀態，材料組織更加致密均勻，晶粒更加細?。徊捎酶哌M給速度時，焊接壓力對材料起著密封和鍛造的作用，對晶粒也有破碎的效果。

圖5 各工藝參數下的焊接壓力曲線Fig.5 Welding pressure of different parameters

(2)通過不同摩擦面形狀組合的對比試驗，發現圓頭圓底的形狀組合能帶來最好的接頭質量。焊縫區域材料一般在接頭底部“過渡區域”的流動性較差，缺陷大多出現在此，采用圓頭圓底形狀組合能夠明顯減少初始階段的焊接缺陷。

(3)在焊接過程中，焊接壓力的控制對焊接質量的影響同樣很大，高轉速和較高進給速度的參數組合下能出現良好的焊接壓力變化過程，得到優異的焊接接頭質量。

[1]焦向東，周燦豐，陳家慶，等.21世紀海洋工程連接技術的挑戰與對策[J].電焊機，2007，37(6)：75-80

[2]陳忠海，陳家慶，焦向東，等.摩擦疊焊的基礎研究與工程應用[J].電焊機，2009，39(4)：109-116.

[3]陳家慶，焦向東，周燦豐，等.新型材料成形加工技術——摩擦疊焊[J].焊接學報，2007，28(9)，118-112.

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[5]朱 亮，呂先鋒.鋁合金焊接接頭的局部斷裂應變測定[J].焊接學報，2008，29(7)：1-5.

[6]劉克文，邢 麗，柯黎明.LY12鋁合金摩擦點焊接頭組織及性能[J].中國有色金屬學報，2008，18(2)：288-293.

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[8] Meyer A.Friction hydro pillar processing bonding mechanism and properties[D].GKSS-Forschungszentrum Geesthacht GmbH，Geesthacht，2003.

Study on the influence factor for friction hydro pillar processing

ZHAN hong-wei1，JIAO Xiang-dong1，GAO Hui1，ZHOU Can-feng1，CHEN Jia-qing1，CHEN Yu2
(1.Research Center of Offshore Engineering Joining Technology，Beijing Institute of Petrol-chemical Technology, Beijing 102617，China；2.Shanghai Nuclear Engineering Research＆Design Institute，Shanghai 200233，China)

The welding parameters of friction hydro pillar processing play an important part in the welded joints'figuration and properties.Large numbers of welding processing experiments were conducted，and the welding quality，microstructure，macro features as well as the welding pressure of various parameters were tested.Besides，the cause of welding defects was analyzed and improvements were put forward.The results indicated that the microstructure of welded joints was regular and compact，and the welding defect was seldom when the spindle speed was above 3 500 r／min and welding speed was above 40 mm／min.The welding quality from the round head-round bottomed combination was better than the other combinations.Welding material's flowability at the transitional area of joints bottom was poor and the welding defects always occur nearby，and this problem can be solved by using the round bottomed combination.Moreover，welding pressure also has a great influence on the welding quality.The acquired pressure history was in line with process of actual welding while the welding parameters were set properly.

friction stitch welding；joint quality；microstructure；shape combinations；welding pressure

TG453+.9

A

1001-2303(2011)05-0062-04

2011-04-07

國家自然科學基金資助項目(50675022)；北京市自然基金資助項目(3102012)；北京市人才強教計劃高層次人才資助項目(PHR20090519)；北京市人才強教計劃高層次人才資助項目(PHR201007134)；北京市教委科研項目(KM201010017002)

占宏偉(1987—)，男，湖北荊州人，在讀碩士，主要從事摩擦疊焊和機電一體的研究工作。