焊接參數對摩擦塞焊焊接區域溫度場的影響

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（1.南京航空航天大學江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室，江蘇南京 210001；2.南京信息職業技術學院機電工程系，江蘇南京210001）

0 前言

摩擦塞焊（Friction plug welding）又稱為摩擦塞補焊，是英國焊接研究所于1995年發明的一種新型固相補焊技術。其基本原理[1]為：在裂紋處鉆出一定大小的錐形通孔，并制出與基體材料相同的焊接塞棒，當摩擦塞焊的焊接塞棒以較高的轉速和一定的焊接進給速度進入錐形通孔，焊接塞棒與焊接件之間的相互摩擦使得焊接塞棒與焊接件連接，然后在一定頂鍛力作用下，連接處的材料組織晶粒更加細小，從而有效保證了焊接接頭的質量。摩擦塞焊焊接質量很大程度上受溫度的影響，焊接接頭的連接強度大小、焊接缺陷的出現都和溫度場息息相關。摩擦塞焊中的摩擦界面溫度過低，會導致摩擦界面上的材料塑化較差，出現難以焊接和焊接不牢的缺陷；界面溫度過高，會出現金屬過熱現象。

目前，摩擦塞焊的相關文獻主要是研究焊接接頭的微觀組織、微觀硬度和力學性能。Beamish[2]深入研究了10 mm厚6082-T6鋁板的摩擦塞焊工藝，分析焊接接頭的微觀硬度和力學性能，得到焊接參數對焊接質量的基本影響規律。Unfried等人[3]對CMn鋼材料進行摩擦塞焊試驗，主要研究焊接區域的微觀組織變化。Metz等人[4-5]針對2195鋁鋰合金攪拌摩擦焊焊縫進行了摩擦塞焊試驗，分析焊接接頭的顯微組織、顯微硬度及疲勞強度。國內對摩擦塞焊的研究也主要集中在焊接接頭的微觀組織和力學性能方面[6-8]。

本研究以7075-T6鋁合金材料為焊接材料，摩擦塞焊焊接過程分為初始階段和穩定階段，建立摩擦塞焊焊接的產熱模型，得到產熱量與焊接參數的關系，為摩擦塞焊焊接區域溫度場研究提供理論基礎；在不同焊接進給速度、焊接轉速和焊接摩擦時間的試驗條件下進行摩擦塞焊焊接工藝試驗，得到焊接參數對摩擦塞焊焊接區域溫度場的影響規律。

1 產熱模型的建立

1.1 初始階段的產熱功率

摩擦產熱是攪拌摩擦焊接起始階段的主要產熱來源[9]，而摩擦塞焊焊接起始階段的產熱機理與攪拌摩擦焊接起始階段的產熱機理類似，焊接接觸面上材料塑化程度都相對較小，塑性變形產熱量也相對較小，故忽略塑性變形產熱，將摩擦產熱作為摩擦塞焊焊接起始階段的產熱來源。

在摩擦塞焊焊接過程中，假設焊接摩擦接觸面積始終為S不變，焊接塞棒受到向下的焊接壓力為F，焊接塞棒和焊接鋁板接觸面上單位面積的壓力為P，分析塞棒受力，其上表面向下的力與側面受到向上的分力達到平衡狀態，則有

由牛頓力學定律可知，焊接鋁板錐形孔表面上單位面積的壓力也為P，在圖1中高度h處，在焊接鋁板錐形孔側面取一微環面，則焊接鋁板錐形孔側面微環處受到的扭矩為

圖1 焊接鋁板剖面

考慮摩擦產熱的熱損失，產熱效率為η，故摩擦塞棒側面產熱功率為

由式（1）和式（3）可得摩擦塞焊焊接初始階段的產熱功率為

式中 η為產熱效率；μ為摩擦系數；n為焊接轉速；F為摩擦塞焊中塞棒受到的軸向力。

1.2 穩定階段的產熱功率

摩擦產熱和塑性變形產熱是攪拌摩擦焊接穩定階段的產熱來源，而摩擦塞焊焊接中的產熱機理和攪拌摩擦焊接的產熱機理類似，摩擦塞焊焊接穩定階段產熱來源主要是摩擦產熱和塑形變形產熱。穩定階段的摩擦行為和初始階段不同，摩擦塞焊焊接經過初始階段的摩擦產熱，使得摩擦界面上的溫度升高，此時粘著摩擦是主要摩擦行為，摩擦力為待焊材料的剪切流變應力和接觸面積的乘積。按照Mises屈服準則，剪切屈服極限值τs=0.577σs。在工程分析中，σs=ReL（單位：Pa）。由于ReL隨溫度變化，故τs可表示為溫度T的函數

在粘著摩擦狀態下，摩擦力和壓力P無關，將式（3）中的μP用τs替代，可得穩定階段摩擦塞棒側面產熱功率

穩定階段塑性變形的產熱功率

摩擦塞焊焊接穩定階段總的產熱功率

式中 ηV為塑性變形產熱的熱轉化效率；為等效應力；為等效應變速率；η為產熱效率；n為焊接轉速；ReL為材料的屈服強度。

理論上，得到焊接過程中的主要產熱來源的計算公式能初步判斷焊接參數對焊接溫度場的影響規律：焊接轉速越高，初始階段的焊接壓力越大；摩擦時間越長，焊接鋁板得到的溫度場溫度更高。但需要通過試驗方法詳細論述焊接參數對焊接溫度場的影響，驗證建立的摩擦塞焊焊接產熱模型。

2 試驗方案

2.1 試驗材料

試驗用焊接鋁棒和焊接鋁板的材料均為7075-T6鋁合金，其化學成分如表1所示。

表1 7075-T6鋁合金的化學成分 %

2.2 試驗設備

采用自主研發的摩擦塞焊焊接設備，設備主要參數為：焊接主軸轉速0～5 000 r/min，焊接進給速度0～240 mm/min，夾持焊接塞棒直徑10～20 mm。

2.3 試驗方法及過程

焊接塞棒尺寸φ20 mm×100 mm，塞棒錐頭錐度60°，錐頭端部直徑10 mm，焊接鋁板尺寸100 mm×50 mm×5 mm，錐形孔錐度60°，錐形孔底部直徑為10 mm。焊接工藝參數如表2所示。

表2 焊接工藝參數

摩擦塞焊焊接示意如圖2所示。焊接塞棒以較高的轉速向下進給，摩擦塞棒和焊接鋁板開始接觸進入焊接摩擦產熱階段，焊接摩擦產熱結束，保持一定的軸向頂鍛力5 s，最后停止頂鍛，摩擦塞焊焊接結束。

圖2 摩擦塞焊焊接示意

焊接過程中的主要控制參數為焊接轉速n、焊接進給速度v和焊接摩擦時間t。在摩擦塞焊焊接過程中，需要采集焊接轉速n，焊接壓力F，測溫點A、B的溫度值。由圖2可知，測溫點A、B到焊接中心軸的距離均為8 mm，兩個點距上下表面的距離也都相同，測溫傳感器選擇常用的K型熱電偶，探頭頂部與測溫點相接觸，保證測得的溫度值為測溫點處的值。測溫點A、B為對稱位置以避免其他干擾因素導致采集到的溫度值不準確，兩個測溫點理論上測得的溫度值很接近，當差別較大時，可能是其他干擾或者焊接過程不當造成的，需要重復一次試驗。當測溫點A、B測得的溫度值很接近時，采用測溫點A測得的數據作為分析數據。

3 試驗結果與分析

3.1 摩擦塞焊焊接接頭

在焊接轉速3 000 r/min、進給速度120 mm/min和焊接摩擦時間4 s的試驗條件下，獲得的焊接接頭如圖3所示，基本上沒有焊接缺陷。接下來分別探討焊接轉速、焊接進給速度和焊接摩擦時間對溫度場的影響規律。

3.2 焊接進給速度對焊接區域溫度場的影響

在焊接轉速3000r/min、焊接摩擦時間6s，進給速度分別為60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min的焊接參數下，焊接壓力和測溫點A處的溫度值隨時間的變化曲線如圖4、圖5所示。

由式（4）和式（7）可知，焊接進給速度與焊接區域溫度場沒有直接聯系。由圖4可知，焊接進給速度對焊接過程中的焊接壓力有影響，隨著焊接進給速度的增大，焊接過程中的最大焊接壓力也會增大。焊接進給速度60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min焊接條件下對應的最大焊接壓力分別為3 240 N、4 220 N和4 840 N，焊接進給速度達到一定值，再提高焊接進給速度，最大焊接壓力增大幅度相對減小。

圖3 焊接接頭形貌

由圖5可知，測溫點在60 mm/min、120 mm/min和180mm/min下的最大溫度值分別為240℃、361℃和400℃。當焊接進給速度為60～120 mm/min時，焊接進給速度的變化對焊接區域溫度場影響較大，提高焊接進給速度，測溫點A處最大溫度值變化幅度較大。而當焊接進給速度為120～180 mm/min時，再提高焊接進給速度，測溫點A處最大溫度值變化幅度較小。

圖4 不同焊接進給速度下的焊接壓力變化曲線

圖5 不同焊接進給速度下測溫點A處的溫度變化曲線

焊接進給速度對焊接區域溫度場的影響實質上是焊接進給速度影響了摩擦塞焊焊接初始階段的焊接壓力，而焊接壓力直接影響初始階段的摩擦產熱。當初始階段焊接壓力差別較小時，初始階段焊接區域的溫度場差別不大，穩定階段的產熱幾乎不受焊接壓力影響，因此焊接進給速度在120 mm/min和180 mm/min時的穩定階段產熱差別很小，初始階段結束后，兩條溫度曲線趨于一致。

3.3 焊接轉速對焊接區域溫度場的影響

在進給速度120mm/min、焊接摩擦時間6s，焊接轉速分別為2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min的焊接參數下，測溫點A處的溫度變化曲線見圖6。

理論分析得出焊接過程中產生的熱量與焊接轉速成正比關系，由圖6可知，測溫點A處的最高溫度值隨著焊接轉速的提高而升高，這是因為溫度越高，焊接區域由于摩擦產生的熱量也是越多，故試驗結果與理論分析比較一致。

在焊接初始階段，較高的焊接轉速會提高測溫點的升溫速率，而由于焊接鋁板和墊板的接觸熱傳導、焊接鋁板表面和空氣的熱對流，隨著焊接的進行，3種轉速條件下測溫點處的升溫速率越來越小，到焊接摩擦階段結束，測溫點處的溫度值達到最高值，隨后逐漸降低。高的焊接轉速提高了摩擦界面材料的升溫速率，材料塑化較快，能有效避免焊接缺陷，提高焊接質量。

圖6 不同焊接轉速下測溫點A處的溫度變化曲線

3.4 焊接摩擦時間對焊接區域溫度場的影響

在進給速度120 mm/min、焊接轉速3 000 r/min，焊接摩擦時間分別為2 s、4 s和6 s的焊接參數下，測溫點A處的溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 不同焊接摩擦時間下測溫點A處的溫度變化曲線

理論上在其他焊接參數相同的條件下，焊接過程的產熱量和焊接摩擦時間成正比關系。試驗結果表明，焊接摩擦時間越長，焊接過程中產生的熱量也越多，從而導致測溫點A處的溫度值越高。一般焊接摩擦時間不能太短，否則產熱量較少，焊接區域材料塑化較差，導致材料遷移少，容易產生未焊接缺陷。焊接摩擦時間也不能過長，焊接塞棒消耗較多，焊接接頭飛邊更嚴重，塑化的材料堆積在焊接接頭上表面較多。通常選擇高的焊接轉速，焊接摩擦時間控制在4～6 s，使得焊接區域最高溫度值達到400℃。

4 結論

（1）理論分析和試驗結果表明，焊接參數對摩擦塞焊焊接溫度場有很大的影響，焊接轉速越高、焊接進給速度越高、焊接摩擦時間越長，焊接區域測溫點A處的溫度值越大。

（2）焊接進給速度在不同范圍對焊接區域溫度場的影響程度不同，主要原因是焊接進給速度在不同范圍對焊接壓力的影響程度不同，而焊接壓力的大小直接影響摩擦塞焊焊接初始階段過程中的產熱量從而影響焊接區域溫度場。焊接壓力對摩擦塞焊焊接穩定階段的產熱影響很小，穩定階段主要是粘性摩擦產熱和塑性變形產熱。

（3）高的焊接轉速能得到較好的焊接接頭，原因是高的焊接轉速可提高摩擦界面材料的升溫速率，材料塑化較快。焊接摩擦時間一般不宜過短或過長，應盡量匹配較高的焊接轉速。

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