攪拌摩擦焊工藝參數對軸向壓力的影響研究

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

攪拌摩擦焊（FSW）作為一種新型的固相連接技術，因其具有變形小、無煙塵和飛濺、焊接質量高、生產成本低等優點，在航空航天、電力電子、軌道交通、船舶等行業領域的鋁合金焊接中得到了廣泛應用[1-2]。

攪拌摩擦焊接過程是一個熱力耦合作用下的復雜過程，與熔焊相比，FSW過程中力學因素的影響更為重要。研究攪拌工具對焊縫的作用力，對于弄清攪拌摩擦焊焊縫成形機理，優化焊接工藝，設計攪拌摩擦焊設備以及實現恒壓力控制都具有重要意義[3-5]。

本研究研制了一套攪拌摩擦焊軸向壓力檢測系統，通過對焊接過程中軸向壓力的動態檢測和分析，研究焊接工藝參數對軸向壓力的影響規律。

1 試驗材料和方法

試驗采用5A06-H112鋁合金試板進行焊接，試板尺寸300 mm×100 mm×6 mm。5A06-H112鋁合金材料主要成分如表1所示。

表1 5A06鋁合金的化學成分%

試驗設備選用FSW-LM2-1012型攪拌摩擦焊機，旋轉速度 0～2 500 r/min，焊接速度 0～2 000 mm/min，鋁合金最大焊接厚度12 mm。選用的攪拌工具為圓錐帶螺紋攪拌針+內凹錐面軸肩結構，其中攪拌針長5.7 mm，軸肩直徑18 mm，攪拌工具外形如圖1所示。

圖1 試驗用攪拌工具

焊接過程中，使用自制的攪拌摩擦焊軸向壓力測力平臺完成軸向壓力信號的檢測，檢測原理如圖2所示。

圖2 FSW軸向壓力檢測原理

2 試驗結果與分析

2.1 旋轉速度對軸向壓力的影響

保持焊接速度200 mm/min，下壓量0.2 mm固定不變，分別采用 400 r/min、600 r/min、800 r/min、1 000 r/min和1 200 r/min的旋轉速度進行攪拌摩擦焊接，同時采用測力平臺檢測和記錄焊接過程的軸向壓力，分析旋轉速度對軸向壓力的影響規律，結果如圖3所示。

圖3 旋轉速度對軸向壓力的影響

由圖3可知，當旋轉速度為400r/min時，軸向壓力最大為6 kN；當焊接速度增加到600 r/min時，軸向壓力迅速降低，為4.8 kN；當旋轉速度為800 r/min時，軸向壓力約為3.4 kN；當旋轉速度為1 000 r/min時，軸向壓力約為3.0 kN；當旋轉速度進一步增大至1 200 r/min時，軸向壓力最小，約為2.4 kN。

圖3表明隨著攪拌工具旋轉速度的增大，攪拌摩擦焊焊縫成形所需要的軸向壓力逐漸減小。原因在于隨著旋轉速度的增加，在保持焊接速度和下壓量固定不變的條件下，焊接過程中的熱輸入增加，攪拌工具周圍材料在熱作用下其塑性、軟化程度增加，因此僅需要較小的力就能形成良好的致密焊縫，因此軸向壓力表現為逐漸減小的趨勢。

2.2 焊接速度對軸向壓力的影響

保持攪拌工具旋轉速度600r/min，下壓量0.2mm不變，分別采用100mm/min、150mm/min、200mm/min、250 mm/min和300 mm/min的旋轉速度進行攪拌摩擦焊接，同時采用測力平臺檢測和記錄焊接過程的軸向壓力，分析焊接速度對軸向壓力的影響規律，結果如圖4所示。

由圖4可知，焊接速度為100mm/min時，軸向壓力最小，約2.7 kN；當焊接速度增加到150mm/min，軸向壓力迅速變大，約4.1 kN；當焊接速度為200mm/min時，軸向壓力約為4.8 kN；當焊接速度為250 mm/min時，軸向壓力約為5.5 kN；當焊接速度進一步增大至300 mm/min時，軸向壓力最大，約為6.0 kN。

圖4 焊接速度對軸向壓力的影響

圖4表明隨著焊接速度的增加，攪拌摩擦焊焊縫成形所需的軸向壓力逐漸增大。由于下壓量和攪拌工具的旋轉速度保持不變，因此由攪拌工具不斷旋轉而產生的與母材之間的摩擦熱基本保持不變，即單位時間內的產熱不變，那么隨著焊接速度的加快，單位長度焊縫上所分配的熱量就表現為逐漸減小的趨勢，單位長度上的母材塑化、軟化程度降低，剛性增強，因此必須施加足夠大的軸向壓力才能形成高質量的焊縫，所以在此過程中軸向壓力表現為逐漸增大的趨勢。

2.3 下壓量對軸向壓力的影響

保持攪拌工具旋轉速度為600 r/min，焊接速度200 mm/min固定不變，分別采用0.10 mm、0.15 mm、0.20 mm、0.25 mm和0.30 mm的下壓量進行攪拌摩擦焊接，同時采用測力平臺檢測和記錄焊接過程的軸向壓力，分析下壓量對軸向壓力的影響規律，結果如圖5所示。

圖5 下壓量對軸向壓力的影響

由圖5可知，當軸向壓入量為0.10mm時，軸向壓力最小，約為3.0kN；隨著軸向壓入量增加至0.15 mm，軸向壓力迅速變大，約為3.5 kN；當軸向壓入量為0.20 mm時，軸向壓力約為4.8 kN；當軸向壓入量為0.25 mm時，軸向壓力約為5.2 kN；當軸向壓入量進一步增大至0.30mm時，軸向壓力最大，約為6.0kN。

圖5表明隨著焊接過程下壓量的增大，攪拌摩擦焊過程的軸向壓力逐漸增大。在保持攪拌工具旋轉速度和焊接速度恒定的條件下，單位時間內單位長度母材上的熱輸入量基本保持不變，那么攪拌工具附近材料發生塑化、軟化的程度相近，在這種條件下軸向壓力的大小只與下壓量相關。理論上來講，使攪拌工具在軸向發生相同位移所需軸向壓力應基本一致，即軸向壓力與下壓量應具有大致的線性關系。

2.4 軸向壓力影響因素正交試驗

為明確攪拌摩擦焊過程中各工藝參數對軸向壓力的影響效果，設計了正交試驗表格并對軸向壓力進行檢測與分析，結果如表2所示。

由表2可知，當改變攪拌工具旋轉速度時，極差R為2.92；當改變焊接速度時，R為2.06；當改變下壓量時，R為1.70。因此攪拌工具旋轉速度對軸向壓力的影響最大，焊接速度次之，最后是下壓量。

2.5 軸向壓力對焊縫力學性能的影響

保持攪拌工具旋轉速度600 r/min、焊接速度200 mm/min固定不變，通過施加不同軸向壓力研究其對接頭抗拉強度的影響，結果如圖6所示。

圖6 軸向壓力對接頭抗拉強度的影響

由圖6可知，當軸向壓力為3.8 kN時，焊縫的抗拉強度較差，為177MPa，僅達到母材強度的50.1%；當軸向壓力為4.3 kN時，焊縫抗拉強度顯著提高，為318.6 MPa，達到母材的90.2%；繼續增加軸向壓力至4.8 kN和5.3 kN時，焊縫抗拉強度保持緩慢上升的趨勢，均達到335 MPa，為母材強度的94.8%；隨后進一步增加軸向壓力至5.8kN和6.3kN，焊縫抗拉強度繼續微弱增加，分別為342.8MPa和345MPa，達到母材強度的97.0%和97.7%。觀察軸向壓力為3.8 kN和4.8 kN時接頭的宏觀形貌發現：當軸向壓力為3.8 kN時，焊縫內部出現嚴重的隧道缺陷，該缺陷導致接頭力學性能大幅下降；當軸向壓力為 4.8 kN時，焊縫結構完好，組織致密，因此力學性能良好，如圖7所示。

表2 工藝參數對軸向壓力的影響正交試驗

圖7 接頭宏觀形貌

3 結論

（1）在保持其他焊接工藝參數恒定的條件下，攪拌摩擦焊過程的軸向壓力隨攪拌工具旋轉速度的增加而減小，隨焊接速度的增加而增大，隨下壓量的增加而增大。

（2）各焊接工藝參數對軸向壓力的影響程度不同，攪拌工具旋轉速度對軸向壓力的影響最大，焊接速度次之，軸向壓入量影響最小。

（3）軸向壓力大于4.8kN時，焊縫力學性能良好。

[1]柯黎明，邢麗，劉鴿平，等.攪拌摩擦焊工藝及應用[J].焊接技術，2000，29（2）：6-9.

[2]Dawes C，Thomas W M.Friction stir joining of Aluminum alloys[R].TWI，1995（6）：12-34.

[3]Masatoshi Enomoto.Application of friction stir welding for Al alloy[J].Light Metal Welding and Construction，1998，36（2）：75-79.

[4]張昭，劉亞麗，張洪武.軸向載荷變化對攪拌摩擦焊接工程中材料變形和溫度分布的影響[J].金屬學報，2007，43（8）：868-874.

[5]王希靖，韓道彬，張忠科.攪拌摩擦焊過程中下壓力的檢測及影響因素[J].焊接，2008（9）：22-25.