6061-T6鋁合金回填式攪拌摩擦點焊扎入力測量分析

張錦標，王 瑞，周煒璐，李寶德，梁 濤，周 利

1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031 2.哈爾濱工業大學（威海）山東省特種焊接技術重點實驗室，山東 威海 264209 3.中核戰略規劃研究總院有限公司，北京 100037

0 前言

回填式攪拌摩擦點焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）是德國GKSS中心發明的一種適用于輕金屬合金連接的新型固相點焊技術[1-2]。由于其接頭力學性能好、質量穩定、焊接變形小以及節能環保等優點，在汽車制造、航空航天等領域受到廣泛關注，有望代替傳統的電阻點焊和鉚接技術[3]。相比于傳統的攪拌摩擦點焊，RFSSW技術通過控制袖套和攪拌針的相對運動，在攪拌頭扎入工件后回撤的同時，填充其在焊接過程中形成的退出孔，從而形成力學性能更優的無匙孔焊點[4]。

目前國內外學者對回填式攪拌摩擦點焊的焊點成形機理、接頭微觀組織及力學性能、工藝參數的優化等進行了較為系統的研究[5-7]。德國GKSS研究中心的Tier等人針對微觀組織演變對5042鋁合金回填式攪拌摩擦點焊接頭力學性能的影響進行了研究，結果表明界面情況與所用焊接工藝密切相關，焊核區可能存在著由于塑性流動不足導致的孔洞缺陷，采用這種方式獲得線性連接界面比獲得曲線（“鉤狀”）界面時接頭強度高[8]。Grant G J對采用回填式攪拌摩擦點焊連接的鋁合金多層板的超塑性成形行為進行了研究，發現采用回填式攪拌摩擦點焊獲得的多層板結構具有良好的超塑性成形性能[9]。JI S等針對攪拌頭對被焊材料流動行為的影響進行了相關研究，發現袖套外壁的螺紋可以提高金屬的流動速度，獲得更為致密的組織，但容易形成飛邊、凹槽、未充分回填、鉤狀缺陷、孔洞等缺陷，通過優化工藝參數可以減小或消除上述缺陷[10]。天津大學的張家龍對兩塊1 mm厚的5052鋁合金進行了FSSW實驗，找到了最優的工藝參數，在最優工藝參數條件下獲得的接頭的拉剪強度達到最大[11]。但針對回填式攪拌摩擦點焊焊接過程中扎入力的研究很少。扎入力是焊接過程中摩擦產熱的重要影響因素，也是設備設計的重要參考指標。本文針對6061-T6鋁合金材料，采用不同的焊接工藝參數對扎入力進行了測量和分析，研究了焊接過程中扎入力的變化規律以及工藝參數對扎入力的影響規律，為回填式攪拌摩擦點焊設備的設計以及工藝參數的優化提供依據。

1 試驗系統與方法

回填式攪拌摩擦點焊的工藝過程分為4個階段，分別為：摩擦生熱階段、下扎階段、回填階段和撤離階段[8]，如圖1所示。

圖1 回填式攪拌摩擦點焊工藝過程Fig.1 Technological process of backfill friction stir spot welding

在摩擦生熱階段，攪拌頭整體下壓至工件表面，將工件壓緊。袖套和攪拌針緊貼工件表面旋轉，與被焊材料摩擦產生的熱量使被焊材料逐漸達到熱塑性狀態。在下扎階段，袖套一邊旋轉，一邊扎入工件，對熱塑性狀態的工件進行擠壓，同時攪拌針回撤，為被袖套擠壓出來的熱塑性材料提供空間。本文主要對下扎階段的扎入力進行測量分析。

實驗材料用6061鋁合金，熱處理狀態為T6（固溶處理+人工時效），尺寸100 mm×40 mm×2 mm，兩塊試件搭接安裝于壓力測試臺夾具上，搭接尺寸為40 mm×40 mm。實驗設備采用龍門式攪拌摩擦焊機，并按照回填式攪拌摩擦點焊攪拌頭的尺寸設計并制作了專用的攪拌頭，袖套的外徑為Φ9，內徑為Φ5.5，如圖2所示。

圖2 專用攪拌頭Fig.2 Special mixing head

圖3為扎入力測量平臺，采用膜盒式稱重傳感器對扎入力進行測量，其輸出信號為0～10 V，采用EM911B-6數據采集設備對信號進行采集。

圖3 扎入力測量平臺Fig.3 Measuring platform of penetration force

分別選取不同的攪拌頭轉速、扎入速度、扎入深度進行下扎實驗，具體焊接工藝參數如表1所示。

表1 工藝參數Table 1 Welding parameter

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

不同工藝參數下的最大扎入力如表2所示。

表2 試驗結果Table 2 Test result

2.2 扎入力變化趨勢分析

通過實驗，發現在各組不同的工藝參數條件下，扎入過程中的扎入力變化趨勢基本一致。圖4為典型的扎入力變化曲線，按照其變化趨勢將整個扎入過程分為3個階段：在第一階段，隨著攪拌頭的扎入，下扎力逐漸增大，并在很短的時間內達到峰值，這是由于此階段摩擦產熱不足，被焊材料還處于固態，所以扎入力呈上升趨勢；在第二階段，攪拌頭與工件摩擦產生的熱量使被焊材料從固態變為熱塑性狀態，扎入力隨著攪拌頭的繼續扎入逐漸減小，扎入力呈下降趨勢；在第三階段，攪拌頭回抽，扎入力變為0。其中第二階段時間最長。

圖4 典型的扎入力變化趨勢Fig.4 Typical change trend of penetration force

2.3 工藝參數對最大扎入力的影響規律分析

圖5、圖6分別為扎入深度為2 mm和4 mm時，在不同攪拌頭轉速和扎入速度下最大扎入力的變化趨勢。

圖5 扎入深度2 mm的最大扎入力變化曲線Fig.5 Change curve of maximum penetration force when the penetration depth is 2 mm

圖6 扎入深度4 mm的最大扎入力變化曲線Fig.6 Change curve of maximum penetration force when the penetration depth is 4 mm

（1）轉速對最大扎入力的影響分析。

由圖5、圖6可知，在扎入深度分別為2 mm和4 mm時，扎入速度不變的情況下，最大扎入力隨著攪拌頭轉速的增加而減小。這是由于隨著攪拌頭轉速的增加，單位時間內攪拌頭與被焊材料之間的摩擦產熱增多，被焊材料的熱塑性程度大，所以扎入阻力減小，從而導致最大扎入力減小。

（2）扎入速度對最大扎入力的影響分析。

由圖5、圖6可知，轉速不變的情況下，最大扎入力隨著扎入速度的增大而增大。這是由于隨著扎入速度的增大，扎入相同厚度需要的時間短，從而使攪拌頭與被焊材料之間的摩擦產熱減少，被焊材料的熱塑性程度小，所以扎入阻力大，從而導致最大扎入力增大。

（3）扎入深度對最大扎入力的影響分析。

比較圖5、圖6可知，在其他工藝參數不變的情況下，扎入2 mm和4 mm所需的最大扎入力基本一樣。這是由于扎入力在剛開始扎入很短的時間內就達到峰值，在扎入深度小于2 mm之前，被焊材料就已經達到熱塑性狀態。最大扎入力出現在被焊材料還處于固態時，當被焊材料達到熱塑性狀態時，扎入力會隨著熱塑性程度由低到高而逐漸減小，所以扎入深度對最大扎入力的影響不大。

（4）工藝參數對最大扎入力的綜合影響分析

由表2可知，在所選工藝參數范圍內，扎入力峰值最大為12.63 kN，工藝參數為：轉速900 r/min，扎入速度100 mm/min，扎入深度4 mm。扎入力峰值最小為3.2 kN，工藝參數為：轉速1 700 r/min，扎入速度20 mm/min，扎入深度4 mm。其分別對應兩種工藝條件：低轉速、大扎入速度的“冷態條件”和高轉速、小扎入速度的“熱態條件”。回填式FSSW焊接過程中的扎入力與焊接過程中的熱輸入量有很大關系。

回填式FSSW焊接過程中的最大扎入力是設備設計的重要參數。設備驅動系統的伺服電機功率計算、設備的結構強度、攪拌工具的結構和強度等設計都需要以焊接過程中所需的最大扎入力為依據[12]。所以在設備設計時，應該綜合考慮工藝參數范圍和設備的承載能力。對于在設備承載能力范圍內的被焊材料，在焊接時可采用高轉速、大扎入速度的工藝條件以提高焊接效率；對于在設備承載能力范圍外的被焊材料，應該采用高轉速、小扎入速度的“熱態”工藝條件。

3 結論

（1）在不同的攪拌頭轉速、扎入速度及扎入深度工藝參數下，回填式攪拌摩擦點焊過程中的扎入力變化趨勢基本一致，都呈先增大后減小的趨勢。

（2）攪拌頭轉速和扎入速度直接影響焊接過程中的摩擦產熱。摩擦產熱決定被焊材料的熱塑性程度。最大扎入力與被焊材料的熱塑性程度成反比，攪拌頭轉速越高，扎入速度越小，摩擦產熱越多，被焊材料的熱塑性程度越高，所需的扎入力越小。在所選工藝參數范圍內，扎入力峰值最大為12.63 kN，最小為3.2 kN，其分別對應兩種工藝條件：低轉速（900 r/min）、大扎入速度（100 mm/min）的“冷態條件”和高轉速（1 700 r/min）、小扎入速度（20 mm/min）的“熱態條件”。

（3）最大扎入力是回填式攪拌摩擦點焊設備設計的重要參數，在設備設計時，應該綜合考慮設備的承載能力以及工藝參數范圍。