不同條件對摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響

鄭勇樂，閆崇京

（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）

0 前言

摩擦塞焊（Friction Plug welding）是1995年由英國焊接研究所發明的一種新型固相補焊技術。其基本原理為：在一定的壓力、扭矩作用下，通過塞棒與塞板的相對旋轉進給運動，使得塞孔孔壁與塞棒在接觸界面摩擦產生摩擦熱和塑性變形熱，待其擴散至塞孔孔壁的附近區域，使得該區域的溫度逐漸上升到一般低于熔點的溫度區間（0.6～0.9Tm），隨著溫度的升高，材料的屈服強度會逐漸降低、而塑性會逐漸提高，進一步在頂鍛壓力的作用下，伴隨著材料塑性變形區域不斷擴散直至發生金屬塑性流動，在摩擦界面發生分子擴散和再結晶而實現連接的固態焊接方法[1]。

摩擦焊接接頭的成形質量主要取決于準穩態以及頂鍛階段。但是相對于其他階段，第一階段的焊接過程是極其復雜的，而其所占的產熱比例只有10%[2]，因此學者們在研究中大多選擇用簡單的庫倫摩擦產熱模型或直接忽略的方法來處理該階段的產熱，從而導致對于這一階段的認識遠遠落后，也造成了接頭成形機制基礎理論方面的不完善。

李鵬[3]對旋轉摩擦焊第一階段進行了深入研究，發現在45#碳鋼的焊接過程中存在摩擦扭矩平臺現象。Kimura[4-7]對于碳鋼類材料的旋轉摩擦焊焊接過程中的摩擦扭矩、產熱機制進行了深入的研究，甚至提出其可以不進行第二階段即完成焊接。目前對于摩擦塞焊的研究相對較少，尤其是第一階段的研究更是少之又少。因此很有必要對摩擦塞焊的第一階段進行深入研究。

本研究首先建立了摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的數學模型，其次以7075-T6鋁合金作為試驗材料，在焊接進給速度、轉速以及塞棒錐角等不同條件下，進行了多組摩擦塞焊試驗系列，采集試驗過程中的摩擦扭矩，后期整理相關數據，最后分析得到不同條件對摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響。

1 第一階段摩擦扭矩模型

摩擦塞焊第一階段時，材料并未發生塑性變形和材料流動，可以通過建立摩擦扭矩的數學模型研究不同條件對摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響。設圓臺體塞棒錐角為2α，側面受力為P1，根部和端部的半徑分別為R1和R1（見圖1）。則半徑r、厚度為d s的微環受到的摩擦力為

式中 μ為摩擦系數。

圖1 塞棒旋轉產生的摩擦扭矩分析

塞棒在側面微環旋轉產生的摩擦扭矩為

因此塞棒旋轉產生的摩擦扭矩為

通過對摩擦塞焊第一階段建立的摩擦扭矩模型（見式（3））可知，第一階段摩擦扭矩與摩擦系數、壓力以及塞棒錐角、孔徑等因素有關。其中摩擦系數在焊接過程中與摩擦速度、壓力等因素相關。因此，為更清晰地了解不同條件下對摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的影響，還需要進行相關試驗以進一步詳細分析。

2 試驗材料、設備及實驗方法

2.1 試驗材料

供摩擦塞焊焊接試驗所用的鋁板與塞棒的形狀尺寸如圖2所示，兩者材料均為7075鋁合金，供貨狀態為T6，其化學成分如表1所示。

圖2 摩擦塞焊焊接工件的形狀與尺寸

表1 7075-T6鋁合金的化學成分 %

2.2 試驗設備

自主研發的頂鍛式摩擦塞焊焊接設備如圖3所示，其主要參數如表2所示。該設備基本滿足本試驗的基本要求，只需在原有的設備上加裝部分采集系統完成對相關數據的采集工作。

表2 設備主要參數

圖3 頂鍛式摩擦塞焊焊接設備

2.3 試驗方法及過程

焊接塞棒以一定的轉速向下進給，當塞棒端部與鋁板的塞孔側壁開始接觸時，即進入焊接摩擦塞焊的第一階段——摩擦功產熱，隨著摩擦產熱的積累逐漸進入準穩態階段——塑性功產熱，然后保持一定的軸向頂鍛力3 s，最后停止頂鍛，摩擦塞焊焊接結束。利用扭矩傳感器及記錄儀采集整個過程中的摩擦扭矩數據，后期制作扭矩變化曲線并進行分析。

綜合摩擦塞焊焊接接頭的質量主要與塞棒的進給速度、轉速以及塞棒錐角等因素緊密相關，針對以上因素設計試驗方案，討論不同條件下第一階段摩擦扭矩的規律。試驗材料形狀尺寸如圖1所示，不同條件下的組合試驗見表3。

表3 試驗參數

①為研究不同工藝參數對第一階段摩擦扭矩的影響，控制塞棒與塞孔的錐角為50°不變，分別在不同焊接進給速度、轉速下進行對比試驗。

②為研究塞棒錐角對第一階段摩擦扭矩的影響，控制塞棒焊接進給速度和轉速一定，改變塞棒與塞孔的錐角進行對比試驗。

同時考慮到每次試驗可能存在一定隨機誤差，為了保證試驗的可靠性，每組參數都是需要進行多次試驗，后期整理試驗數據進行最后的分析。

3 試驗結果

3.1 不同工藝參數下的摩擦扭矩曲線變化規律

在不同焊接轉速、進給速度條件下摩擦扭矩變化曲線如圖4所示，即試驗系列①。峰值時刻的扭矩即峰值扭矩是區分摩擦焊焊接過程不同階段的重要標志，當摩擦扭矩從零開始逐漸增大至峰值扭矩時為摩擦塞焊的第一階段，此后進入第二階段——準穩態階段[3]。

圖4 不同焊接轉速、進給速度下的摩擦扭矩曲線

李鵬[3]、Luo等人[8]分別在對旋轉摩擦焊、連續驅動摩擦焊的研究中，均發現了在第一階段中產熱功率近似線性增加。由圖4中第一階段摩擦扭矩變化曲線可以看出，在不同工藝參數下摩擦塞焊第一階段的摩擦扭矩均呈近似線性增長至峰值扭矩。因此對于摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩線性變化也可以合理的提出：在摩擦塞焊第一階段產熱功率線性化的假設。

在第一階段中的摩擦阻抗先后存在3種基本類型：磨損（Wear）、滑動摩擦（Slide）和黏著摩擦（Stick）。由于摩擦扭矩作為摩擦阻抗的一種表征形式，因此3種不同類型的摩擦阻抗體現在摩擦扭矩變化曲線上也會有一定的差異性。

一方面，幾乎在所有條件下第一階段摩擦扭矩變化曲線都呈現出一定的階段性特征：摩擦扭矩變化曲線開始以較小變化率持續一段時間，然后變化率迅速增大并持續一段時間，最后再以一不同的變化率持續一段時間至達到峰值扭矩。

這是因為在不同摩擦機制下摩擦扭矩的變化速度各不相同，在塞棒與塞孔剛剛接觸摩擦時，由于接觸界面存在微小突起，導致剛開始的摩擦面積小于實際面積即發生磨損摩擦階段，此時摩擦扭矩的變化率也較小；隨著摩擦面積逐漸增大至與實際面積相等進入滑動摩擦階段，摩擦扭矩的變化率有所提高；持續一段時間后，隨著溫度的升高摩擦界面金屬發生黏著，同時又不斷被旋轉的塞棒剪斷即發生黏著摩擦階段，相應的摩擦扭矩變化率也會有所不同。第一階段摩擦扭矩的變化率呈現出的階段性特征可以很好的表征磨損摩擦、滑動摩擦、黏著摩擦這3種基本類型的摩擦機制的存在。

另一方面，隨著焊接轉速和進給速度的不斷增大，可以發現在摩擦扭矩曲線中“磨損”持續的時間在不斷的減少，當焊接轉速和進給速度增大到一定值時，甚至是從摩擦扭矩變化曲線中“消失”了。這是因為隨著轉速、進給速度的增大，接觸界面的微小突起等會迅速地被磨平，很快進入了“滑動摩擦”的階段。

3.2 不同工藝參數對峰值扭矩和達到峰值扭矩所需時間的影響

峰值扭矩和達到峰值扭矩所需的時間是完成第一階段進入準穩態階段的兩個重要指標。根據系列試驗①，統計每組試驗中的峰值扭矩、達到峰值扭矩所需時間以及相應的工藝參數，制作峰值扭矩和達到峰值扭矩所需時間與工藝參數的關系曲線，如圖5所示。

圖5 焊接進給速度、轉速對峰值扭矩及到達峰值扭矩所需時間的影響

由圖5a可知，一方面，隨著焊接進給速度的增大，無論在何種焊接轉速下達到峰值扭矩所需的時間均在逐漸減少；另一方面，在任一焊接進給速度下，隨著焊接轉速的增大，達到峰值扭矩所需時間也相應減小。這是因為無論是焊接進給速度還是焊接速度的增加都會使接觸界面摩擦產熱功率得到一定的提升，更快地完成進入準穩態階段所需的熱積累，因此相應減少第一階段所需時間。但當焊接進給速度或轉速增大到一定程度時，完成第一階段所需時間會逐漸趨于穩定。

由圖5b可知，焊接進給速度和轉速對峰值扭矩的影響規律不同。在焊接轉速相同時，隨著焊接進給速度的增大，峰值扭矩相應的也會有所增大；但是，在同一焊接進給速度時，隨著焊接轉速的增大，峰值扭矩并沒有增大卻有所減小。

3.3 塞棒錐角對峰值扭矩和達到峰值扭矩所需時間的影響

在焊接轉速3 500r/min、進給速度120 mm/min的條件下，研究α/β變化時摩擦塞焊第一階段摩擦扭矩的變化，即試驗系列②，其中，當α為40°、50°以及60°時一例的摩擦扭矩變化曲線如圖6a所示。可以看出，在達到峰值扭矩之前，塞棒錐角越大，摩擦扭矩稍大一些，這與建立的摩擦扭矩模型相符，但在峰值時刻的摩擦扭矩基本都差不多，達到峰值扭矩所需時間也只有略微的差別。進一步將試驗系列②中所有試驗條件下的峰值扭矩以及達到峰值扭矩所需時間的進行整理，如圖6b所示。

在圖6b中，當α從40°到50°時，峰值扭矩出現了略微的下降，而當α從50°到60°時，峰值扭矩又出現些許的回升，錐角的變化幾乎不會對峰值扭矩產生顯著的影響，且達到峰值扭矩所需時間的變化也是十分的微弱。這是因為在接近完成第一階段時接觸界面的狀態已經發生了較為明顯的塑化變形，同時摩擦界面的位置也發生了些許的偏移，這才導致僅出現這種現象。

4 結論

（1）在不同工藝參數下第一階段摩擦扭矩均呈近似線性變化，可以合理的提出摩擦塞焊第一階段產熱功率線性化的假設，并且當在大進給速度、高轉速下的線性化表現則更加顯著。

（2）達到峰值扭矩所需的時間隨著焊接進給速度或轉速的增大會相應的減少；峰值扭矩隨著進給速度的增大而增大，卻隨著焊接轉速的增大而減小。

（3）隨著塞棒錐角增大，在完成第一階段之前的摩擦扭矩相應的有所提高，但對峰值扭矩和達到峰值扭矩所需時間的影響是非常微弱的。

圖6 接觸界面面積對峰值扭矩和達到峰值扭矩所需的時間的影響