6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW工藝研究及優化

李朔晗，李 充，郝文波，姚肖潔，韓美玲，王依敬，邢松齡

河北京車軌道交通車輛裝備有限公司，河北 保定 072150

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是一種新型固相焊接技術，其利用高速旋轉的焊具與工件摩擦產生的熱量使被焊材料局部熔化，即處于熱塑性狀態[1-4]。當焊具沿著焊接界面向前移動時，處于熱塑性狀態的材料在焊具的轉動摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的擠壓作用下形成致密的固相焊縫[5-7]。在焊接過程中攪拌針的合理設計對FSW材料的流動行為以及焊接效果有重要的影響。

傳統的攪拌針通常具有螺紋結構，以增加攪拌針與焊接材料的攪拌摩擦作用，增大產熱量。三銑平面螺紋攪拌針是在螺紋結構的基礎上加工出銑平面，能夠更好地促進材料流動，有利于減少焊縫缺陷，獲得無缺陷接頭的最大化工藝窗口。Meng[8]等人綜述了不同類型的攪拌針對于FSW焊接的適用性，包括圓臺形、錐形等，對比發現使用三銑平面螺紋錐形針可以有效促進材料在焊接過程中的流動；楊海峰[9]等人使用三銑平面螺紋針對2A14-T4鋁合金T型接頭進行靜止軸肩焊接試驗，該過程僅由攪拌針產熱，但最終仍然得到優異焊縫成形；張俊林[10]等人使用帶有三銑平面的螺紋錐形針對60 mm厚的5A06-H112鋁合金進行FSW焊接，發現即使對于焊接阻抗較大的厚板，該種類型的攪拌針依然可以有效促進材料塑性流動，進而形成束腰狀接頭。對于工藝參數范圍較大的三銑平面螺紋錐形針FSW工藝，焊接工藝參數的優化可以有效控制焊接過程中的熱輸入和材料塑性流變行為，優化焊縫成形與力學性能[11-12]。

本文針對6082-T6鋁合金進行三銑平面螺紋錐形針FSW工藝研究及優化，在獲得無明顯缺陷接頭的工藝參數的試驗基礎上，采用響應面法[13-14]建立數學模型，最終得到最優工藝參數。并通過試驗最優參數下所獲接頭的成形狀況、接頭各區域組織及硬度分布和接頭強度，驗證三銑平面螺紋錐形針對6082-T6鋁合金焊接時材料塑性流變的促進作用，有助于獲得最佳性能的FSW接頭。

1 試驗方法

試驗采用尺寸為250 mm×50 mm×2 mm的6082-T6鋁合金，其抗拉強度和斷后伸長率分別為342 MPa和17.32%，化學成分如表1所示。攪拌針結構為三銑平面螺紋錐形，該結構可改變焊縫材料的塑性流動行為，該塑性流動模式為銑平面作用下的周向運動和螺紋作用下的縱向回流運動相結合方式。同時，軸肩處的環形凹槽可約束材料在劇烈塑變狀態下的溢出行為，被擠出的材料可暫時存儲在軸肩端面的環形凹槽處，避免材料外流，優化焊縫成形且進一步提高接頭力學性能。攪拌頭軸肩直徑為12 mm，攪拌針長度為1.9 mm，具體結構及焊接過程如圖1所示。

表1 6082-T6鋁合金化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical compositions of 6082-T6 aluminium alloy（wt.%）

圖1 焊接過程及焊具設計示意Fig.1 Schematic diagram of welding process and welding tool

如圖2所示，本文采用光鏡對弧紋形貌及高度進行測量分析，來判定不同參數下表面成形狀況。分別采用800 r/min的轉速及600 mm/min的焊速進行表面成形研究，宏觀形貌均無明顯缺陷，弧紋間隔均勻，焊縫整體成形較穩定?；〖y間距與焊具旋轉速度呈負相關，即隨旋轉速度的增加，弧紋間距逐漸減??；弧紋間距與焊具行進速度呈正相關，即隨行進速度的增加，弧紋間距逐漸增大。這是由于弧紋是由軸肩對熱塑性材料周期性的頂鍛作用導致的，當旋轉速度較高時，以及行進速度較低時，焊縫熱輸入較大，塑化材料流動能力強，在每個旋轉周期內回填的塑化材料量較大，因此弧紋高度相對較小。

圖2 各參數下（轉速/焊速）的弧紋形貌Fig.2 Arc pattern morphology under various parameters（rotational speed/welding speed）

為了保證焊接質量，焊前使用砂紙對工件表面進行打磨以去除氧化膜，然后采用丙酮處理工件表面以去除油污。將工件沿長度方向固定在工作臺上，采用對接方式實施焊接。FSW工藝參數選擇為：焊接速度200～1 000 mm/min，旋轉速度600～1 000 r/min，固定壓入量0.05 mm，固定焊具傾角2°。焊后根據GB/T228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》在垂直于焊縫方向的接頭上選取拉伸試樣，測量其拉伸強度及斷后伸長率。

2 參數與性能之間的數學模型

2.1 數學優化方法

響應面法是指通過一系列確定性實驗，用多項式函數來近似擬合隱式極限狀態函數。通過合理選取試驗點和迭代策略，來保證多項式函數能夠在失效概率上收斂于真實的隱式極限狀態函數。當真實的極限狀態函數非線性程度不大時，線性響應面具有較高的近似精度。其中，Hexagonal Design（HD）是一種擬合二階響應曲面的兩影響因素響應面試驗設計方法。其分別由5水平和3水平組成兩個影響因素，其試驗數據節點由六邊形的六個頂點和中心點組合而成。為了對回歸方程的擬合精度進行檢驗，通常要求中心點個數大于4。本研究采用中心點個數為4，試驗總次數為10。為了消除各因素取值大小和單位對回歸計算的影響，HD試驗設計中對不同的因素和水平進行了編碼處理。此外，HD的旋轉性也使得編碼空間在回歸預測時獲得高精度，有利于確定最優響應值。在二階兩水平響應面設計方法中，HD具有所需的試驗次數相對較少，所有的試驗點均落在安全操作區域內等優點。

2.2 數學模型的建立

利用Design-expert 11中HD模型構建響應面試驗，設置確立模擬試驗的兩因素為主軸旋轉速度ω、焊接速度v。在焊接速度200～1 000 mm/min，旋轉速度600～1 000 r/min時，可得到無缺陷且成形良好的焊接接頭，在該范圍內進行各試驗因素的水平設計如表2所示。

表2 焊接參數水平Table 2 Welding parameters and their levels

對設計的10組試驗進行焊后拉伸試驗，得到對應參數下的拉伸性能數據，各組試驗參數、斷后伸長率及抗拉強度如表3所示。使用軟件Design-Expert 11對抗拉強度Rm及斷后伸長率A進行回歸分析，擬合出如下兩個二次回歸方程式（1）、式（2）：

表3 Hexagonal Design設計試驗與相應的試驗結果Table 3 Hexagonal Design and corresponding experimental results

3 試驗結果

3.1 數學模型方差分析

使用Design-Expert軟件分析試驗結果的方差，并對不同階次擬合模型進行F檢驗，以評估每個階次回歸模型的顯著性。對于給定的顯著性水平α，當F值大于Fα（dft，dfe），P值小于α時，可以判斷該項具有優異的顯著性。使用二階回歸模型時，F值最大，P值低于顯著性水平的1%，這表明二階模型具有更高的顯著性。設定顯著性水平α的值為0.05，結果見表4?？梢钥闯?，抗拉強度Rm響應模型的P值為0.001 1，表明該模型顯著性良好，即工藝參數與接頭抗拉強度之間存在明顯的回歸關系。顯然，焊接速度v，旋轉速度ω、兩因素交互項vω，平方項v2、ω2均顯著影響接頭的抗拉強度，并且焊接速度v的影響程度要明顯高于旋轉速度ω。此外，模型的失擬項的P值為0.081 2，表明其具有不顯著性，即沒有其他不可忽略的因素影響回歸分析，驗證了現有模型選擇的合理性。斷后延伸率A響應模型的P值為0.039 4，表明該模型顯著且擬合良好。其中兩因素交互項vω和平方項v2、ω2顯著影響接頭的延伸率。模型的失擬項的P值為0.115 1，說明現有模型的選擇的合理性。通過該模型的建立，在已知10組參數的情況下，可以預測抗拉強度和斷后伸長率的數值。同時，通過該數學模型可以獲得最優的焊接參數以進行工藝試驗研究，從而得到最佳的工藝參數和接頭性能。

表4 二次回歸方程方差分析表Table 4 Variance analysis of the second-order polynomial equation

圖3、圖4分別顯示了抗拉強度和斷后延伸率試驗各點的殘差正態分布?？梢钥闯觯鼽c幾乎呈線性分布，即殘差具有良好的正態分布特征，進而說明通過預測所產生的誤差是隨機分布的，證實了預測結果的合理性。預測結果與試驗結果的良好對應關系說明了所得到的二階響應回歸模型具有較高的預測精度，即建立的抗拉強度、斷后延伸率與工藝參數的二階響應模型具有較高精度，保證了在不同的工藝參數下進行抗拉強度和斷后延伸率的預測具有可靠性。

圖3 關于抗拉強度回歸相應模型的預測精度Fig.3 On the prediction accuracy of the regression model of tensile strength

圖4 關于斷后延伸率回歸相應模型的預測精度Fig.4 On the prediction accuracy of the regression model of elongation

3.2 工藝參數對拉伸性能的影響

圖5為旋轉速度和焊接速度的等高線圖（4為中間參數重復試驗4次，其余數值為抗拉強度）和三維示意圖，顯而易見，旋轉速度和焊接速度兩個因素及其交互作用對抗拉強度有顯著影響。在旋轉速度不變的情況下，隨著焊接速度的增加，接頭的抗拉強度先增大后減小，抗拉強度的最大值出現在較高的旋轉速度處，因此當軸肩下壓量和傾角均不變時，提高主軸旋轉速度的同時適當提高焊接速度可以使接頭抗拉強度提高，有利于提高焊接效率。這是由于當三銑平面螺紋錐形針用于FSW時，銑平面結構造成了材料塑性流動行為的改變，其所帶來的動態流動效應可顯著提高材料流動，同時減小熱輸入，焊接速度和旋轉速度的適當提高可有效提高焊接熱輸入，進而得到高質量的焊縫成形和高的接頭強度。而在設計的參數范圍內，抗拉強度的最低值出現在旋轉速度較高而焊接速度較低處，這表明過大的熱輸入會導致熱影響區溫度過高，難以控制晶粒再結晶尺寸，造成強度降低。另一處抗拉強度的較低值出現在旋轉速度較低而焊接速度較高處，這表明過低的熱輸入會造成塑化材料未充分軟化流動，導致焊接接頭的抗拉強度顯著降低。

圖5 旋轉速度與焊接速度對抗拉強度的影響Fig.5 Effect of rotation speed and welding speed on tensile strength

接頭的斷后伸長率是表征材料塑性的重要指標之一，直接影響接頭的抗拉強度。如圖6所示，斷后伸長率與抗拉強度具有基本一致的趨勢，具體來說，當焊速過大時，材料熱輸入不足，即使三銑平面降低了塑性材料的流動阻力，依然難以形成高質量的成形接頭；而當轉速過大時，材料熱輸入過大，嚴重影響熱影響區的晶粒尺寸及其分布，導致斷后延伸率的抗拉強度均下降。

圖6 旋轉速度與焊接速度對斷后伸長率的影響Fig.6 Effect of rotation speed and welding speed on elongation

綜上所述，由于三銑平面螺紋攪拌針的應用，雖然優化了塑性材料的流動性，但是仍需與轉速與焊速相匹配，適當的熱輸入可以避免產生缺陷[15]，并且也可獲得較高的抗拉強度和斷后延伸率。

3.3 最優工藝參數獲取及其特征分析

通過求解極值點的方法進行優化，從而獲得最佳的工藝參數。任意兩個因素的響應面都對應著一個極大值，說明在所得響應關系式中存在極大值。結果如表5所示，兩者優化參數結果同時接近于850 r/min的旋轉速度和650 mm/min的焊接速度，在此參數下對所得接頭進行拉伸測試，接頭拉伸試驗結果與HD法優化結果十匹配良好，表明回歸模型及其優化有較高的準確性。

表5 最優工藝參數及其性能Table 5 Optimized welding process and performances

利用最優工藝參數進行特征表征，可得到6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW的高質量接頭，其表面形貌如圖7所示。在相匹配的焊速與轉速下，接頭表面宏觀成形優異，飛邊較少，弧紋均勻穩定，無宏觀缺陷。

圖7 最優接頭表面形貌Fig.7 Macro-morphology of the optimized joint surface

接頭宏觀形貌如圖8所示，焊縫形貌呈碗狀，頂部寬，底部窄且左右對稱。在最優參數下，三銑平面充分發揮促進流動性的作用，塑化材料具有良好的流動性且熱輸入適中，焊縫內部成形良好，焊縫整體尺寸適中，未產生缺陷。

圖8 最優接頭宏觀形貌Fig.8 Macro-morphology of the optimized weld joint

接頭硬度分布如圖9所示，接頭硬度曲線呈現“W”形，母材區硬度最高，熱機影響區硬度最低，熱影響區和焊核區硬度略微提升。三銑平面螺紋攪拌針導致焊縫材料具有良好的流動性，焊縫前進側與后退側硬度差異不明顯，整體呈對稱分布。

圖9 最優接頭硬度分布Fig.9 Hardness distribution of the optimized weld joint

采用最優的工藝參數對三銑平面攪拌針FSW后接頭及母材進行了拉伸試驗，測試結果如圖10所示，最優參數下抗拉強度達到257.29 MPa，通過對斷前斷后長度的測量及計算，得到斷后伸長率達到10.68%，表明三銑平面攪拌針的焊接效果優異。

圖10 最優接頭拉伸應力應變曲線Fig.10 Tensile stress-strain curve of the optimized weld joint

因此，在最優旋轉速度850 r/min與焊接速度650 mm/min下，焊縫宏觀成形良好，前進側與后退側硬度基本呈對稱分布，且抗拉強度與斷后伸長率達到最優，表明了試驗工藝力學性能的優異性，同時證明三銑平面螺紋攪拌針焊接6082-T6鋁合金時，可產生促進材料流動的有益影響。

4 結論

（1）試驗利用響應面法HD模型構建了6082-T6鋁合金三銑平面螺紋錐形針FSW工藝參數（旋轉速度、焊接速度）與抗拉強度及斷后伸長率之間的數學關系，并得到了三銑平面螺紋錐形針FSW接頭性能的預測模型。

（2）在最優參數下，三銑平面攪拌針充分發揮促進流動性的作用，塑化材料流動好且熱輸入適中，焊縫內部成形好，無缺陷，焊縫整體尺寸適中，硬度呈對稱分布。

（3）在設計區間范圍內提高旋轉速度，并選取適當的焊接速度，可以有效的優化抗拉強度和斷后伸長率。轉動速度850 r/min、焊接速度650 mm/min時，接頭的抗拉強度最大為257.29 MPa，斷后伸長率為10.68%。