基于數學模型的熱處理鋁合金水下攪拌摩擦焊接參數優化

劉曉春，趙　歡

（南昌理工學院，江西南昌330044）

基于數學模型的熱處理鋁合金水下攪拌摩擦焊接參數優化

劉曉春，趙歡

（南昌理工學院，江西南昌330044）

在熱處理鋁合金攪拌摩擦焊接中，焊接熱循環會使接頭局部軟化，降低接頭性能。水下攪拌焊接技術已被證明可以提高接頭強度。為了獲得最佳水下攪拌摩擦焊接工藝條件，建立了2219-T6鋁合金水下攪拌摩擦焊接數學模型，最大限度地來優化焊接參數。結果表明，水下攪拌摩擦焊接接頭可以達到360 MPa的抗拉強度，遠高于正常焊接條件下的抗拉強度。

鋁合金；攪拌摩擦焊接；機械性能

1　簡介

由于優良的比強度性能，熱處理鋁合金廣泛應用于航空和航天工程。攪拌摩擦焊接是一種固態的焊接工藝，特別適用于鋁合金焊縫很難融合的真空焊接領域[1]。關于熱處理鋁合金的攪拌摩擦焊接，在熱循環過程中粗大的晶粒會從接頭處析出或溶解使得機械性能增強[2]。近幾年，通過控制溫度來提高焊接性能一直是人們關注的重點。因為水冷具有優異的冷卻效果，廣泛應用于攪拌摩擦焊接過程中。有研究表明[3]，使用7075-T6鋁合金進行攪拌摩擦焊接，在焊接過程中水流過試件上表面，接頭的拉伸強度得到一定程度的提高。為了充分利用水的吸熱能力，本研究利用2219-T6鋁合金在水下進行攪拌摩擦焊接，在焊接過程中，將整個工件浸沒在水中。結果表明，水下焊接的接頭拉伸強度高于普通焊接條件下接頭的拉伸強度。

對于普通的攪拌摩擦焊接，以往研究已經非常重視外部冷卻水對強度提高的作用。從應用的觀點出發，這對于優化攪拌摩擦焊接冷卻效果，獲得最大程度上的機械性能是非常重要的。通過研究2219-T6鋁合金的水下焊接，建立了數學模型來預測接頭處的抗拉強度。利用該模型優化焊接參數進行優化，使其最大程度上提高水下焊接接頭的抗拉強度，并為水下攪拌摩擦焊接性能預測提供理論依據。

2　試驗過程

試驗材料采用7.5mm厚的2219-T6鋁合金板，其化學元素成分和機械性能見表1。將鋁合金板加工成300 mm×100 mm的矩形焊接試件。使用丙酮清洗后，將試件放在容器中的墊板上，向容器中導入室溫的水，浸沒整個試件。水下攪拌摩擦焊接示意如圖1所示。使用攪拌摩擦焊接設備（FSW-3LM-003）對試件在水下進行縱向焊接。已證實刀具的幾何形狀、旋轉速度和插入深度是影響攪拌摩擦焊接接頭機械性能的主要因素；以往的研究表明，使用肩部直徑22.5 mm和7.4 mm長的攪拌針能夠使所選材料在攪拌摩擦焊接工藝下生成沒有缺陷的焊縫[4]。本實驗將使用此種攪拌針。通過實驗來確定旋轉速度、焊接速度和軸肩插入深度的最佳參數。確定的焊接參數范圍如表2所示。

表1　2219-T6鋁合金的化學元素成分和機械性能

圖1　水下攪拌摩擦焊接示意

表2　焊接參數和等級設置

通過Box-Behnken實驗設計方案，采用3級3因子實驗找到了響應（拉伸強度）和變量（焊接參數）之間的關系。該模型的優點是允許使用相對較少的變量組合確定復雜的響應函數[5]。變量的級別為1（低），0（中間點）和1（高）（見表2）。一共設計了15組實驗，實際模型和結果如表3所示。水下的攪拌摩擦焊接實驗通過這些設計來實現，實驗中應用K型熱電偶來保證攪拌摩擦焊接過程中試件的溫度。所測量的位置在熱量的影響范圍內（HAZ，從焊接中心6 mm范圍內），然后延伸到該金屬試件沿寬度方向的中間位置。焊接完成后，將試件從接頭處橫向切開。拉伸試樣按國家標準GB/T2651-2008制備。在室溫下，通過計算機控制實驗設備以1mm/min的速度進行拉伸實驗。通過在同一接頭處取的三個拉伸試件來確定該接頭的性能。拉伸實驗結束后，利用光學顯微鏡（OM，Olympus-MPG3）和掃描電子顯微鏡（SEM，Hitachi-S4700）對接頭進行斷裂特性分析。并且利用專門設計的軟件對數學模型和一系列的統計進行分析。

表3　Box-Behnken的設計模型和實驗結果

利用透射電子顯微鏡（TEM）對接頭的細節進行分析。在熱力影響區域內和焊接體中間厚度的基點平行于焊縫方向切成金屬薄片樣本。這些樣本首先進行機械加工然后再進行手工拋光，使其厚度達到100 μm，最后進行電解拋光。

3　結果和討論

3.1數學模型的建立

三個變量二次方程中的y可表示為

式中b0為常數項；bi為一次項系數；bii為二次項系數；bij為交差項系數。本研究中，該方程表示為拉伸強度（TS）是旋轉速度（ω）、焊接速度（v）和軸肩插入深度（p）的函數，因此該方程可以表示為

拉伸強度試驗結果如表3所示。通過對設計矩陣和方程式結果進行多元回歸分析，建立了二階多項式方程

用方差分析來檢查方程中的重要項（見表4）。這個模型給出了一個精確的F值，表明該模型充分代表了實際的響應和變量之間的關系。很明顯每個模型中p<0.05，表明ω、v、ω2v2、p2這些系數非常符合這個模型。提出了一種決定系數0.96（R2）和調整的決定系數0.89（調整后-R2），這意味著實驗和預測結果之間有很高的相關性。

表4　二階多項式方程方差分析

設計這個模型有兩個作用：

（1）在本方案范圍內，任何參數的結合都能夠通過該數學模型來預測接頭的性能。

（2）水下攪拌摩擦焊接工藝的優化可以通過該模型來進行。

3.2焊接工藝參數對拉伸強度的影響

優化之前有必要闡明焊接參數對拉伸強度的影響。為此，基于該模型設定了中間水平參數和其他兩個參數作為變量畫出了三維響應面圖和等高線圖，如圖2所示。在焊接速度和軸肩插入深度一定的條件下，隨著旋轉速度的增加，抗拉強度先增加到一個最大值后減小（見圖2a～圖2d）。由于攪拌針攪拌作用不足，使得在低轉速下抗拉強度較低，在一定范圍內增加旋轉速度可以提高拉伸強度。但是，當旋轉速度增加到一個很大的值后，其產生的熱量就會成為主要的熱量輸入，反而降低拉伸強度。這就是為什么當速度接近1 000 r/min時能得到較高的抗拉強度。

在一定的旋轉速度和軸肩插入深度時，隨著焊接速度的增加，抗拉強度會達到一個確定的值，繼續增加焊接速度，抗拉強度基本保持不變（見圖2a、2b和2e、2f）。較低的焊接速度會使得大量的熱量傳入到焊接樣品中，嚴重影響接頭處的機械性能。當焊接速度進一步增加，溫度循環對接頭性能的影響會降低，拉伸強度提高。因此，相對較高的焊接速度（200 mm/min）有利于形成高質量的水下接頭。

轉速和焊接速度一定時，隨著軸肩插入深度的增加抗拉強度的變化趨勢與轉速變化時的趨勢類似，即先增加到一個最大值然后降低（見表2c～2f）。但是，相對于改變轉速而言，改變軸肩插入深度并不能使抗拉強度產生較大的變化。在一定范圍內增加軸肩插入深度能夠增強金屬的鍛造性和提高金屬的混合程度和相互擴散性，這樣能夠使強度提高。如果設定一個相當大的肩插入深度，導入到工件中的熱量就會使強化后的析出物溶解而降低拉伸強度的降低。試驗可知，肩插入深度接近0.3 mm時能夠獲得較高的拉伸強度。

3.3焊接工藝參數優化

圖2　響應面圖及其分別對應的等高線

在任何兩個變量和相應函數構成的響應面曲線中都能觀察到一個最大值點，這表明實驗范圍內抗拉強度有一個最大值。通過分析響應面曲線和等高線，能夠獲得最佳的焊接參數和和最大的拉伸強度如表5所示。為了證明該過程的有效性，水下攪拌摩擦焊接將會使用優化的焊接參數。實驗結果跟預測值表現出高度的一致性。在轉速600r/min、焊接速度200 mm/min、肩插入深度0.3 mm的焊接條件下，利用普通的攪拌摩擦焊，可獲得最高強度330 MPa的接頭。焊接參數相同，采用水下攪拌摩擦焊能夠獲得強度360 MPa接頭，比普通的攪拌摩擦焊接得到的強度高9％。

表5　最佳焊接參數和最大拉伸強度

3.4水下攪拌摩擦焊接提高強度的原因分析

為了準確地了解水下攪拌摩擦焊接提高強度的原因，詳細分析了普通條件和水下攪拌摩擦焊接中得到的最佳的接頭。

從圖3的焊接熱循環中可知，最佳水下接頭實驗的最高溫度低于普通條件下接頭的最高溫度。此外，最佳的水下接頭具有更高的加熱和冷卻速度，使給定的溫度在接頭處停留更短。這就意味著在攪拌摩擦焊接中用水冷卻有效的控制了此過程中溫度的變化。溶質原子的擴散受到限制，這使得攪拌摩擦焊接期間沉淀劣化程度降低，如圖4所示。

圖3　最佳接頭的溫度變化過程

兩個接頭的斷裂特性如圖5所示。普通焊接接頭的斷裂面靠近機械熱影響區（TMAZ）和熱影響區（HAZ）（見圖5a）。與其相反，水下攪拌摩擦焊接接頭斷裂界面通過焊接區域，接近焊接中心。斷裂位置的變化進一步證明了材料軟化的減少。圖5c中大的凹陷反映出，靠近機械熱影響區和熱影響區晶粒明顯增大；與之相反，圖5d中的凹陷表示的是典型的焊接晶粒的結構。

之前的研究還發現，對于外部冷卻液對攪拌摩擦焊接接頭的強度提高有積極的影響。然而，在攪拌摩擦焊接的過程中進行冷卻所得到的參數跟普通條件下攪拌摩擦焊接的參數相同。通過外部液體的冷卻，可以使用于攪拌摩擦焊接的熱處理鋁合金接頭的機械性能得到提高。進行攪拌摩擦焊接的過程中，冷卻水盡可能多的限制工件附近的熱量傳入接頭中。因此跟普通攪拌摩擦焊接條件相比，能夠進一步減小由于熱循環對接頭局部微小結構的影響。通過水下攪拌摩擦焊接能夠獲得具有良好拉伸性能的接頭。

4　結論

（1）通過2219-T6鋁合金水下攪拌摩擦焊接建立拉伸強度和焊接參數之間的數學模型，用于預測接頭拉伸強度。方差分析表明，旋轉速度和焊接強度是影響拉伸強度的主要參數。

（2）分析建立的模型，明確影響水下接頭拉伸強度的焊接參數，分析影響這些因素的內在原因。

（3）最佳結果表明，實驗證實水下攪拌摩擦焊接能夠使接頭最高強度達到360 MPa，這個值比普通條件下攪拌摩擦焊接的最大值高9％。水下攪拌摩擦焊接溫度控制和微觀結構的改變是強度增加的主要因素。

[1]楊景宏，張欣盟，夏常青，等.6082-T6鋁合金厚板的攪拌摩擦焊[J].焊接，2013（05）：25-28+69.

[2]傅志紅，賀地求，周鵬展，等.7A52鋁合金攪拌摩擦焊焊縫的組織分析[J].焊接學報，2010（03）：65-68+116.

[3]李志剛，賈慧芳，李剛，等.水下焊接穩弧裝置的磁場及其雙流道流場[J].電焊機，2014，44（03）：55-59.

[4]黃華，董仕節，劉靜，等.攪拌摩擦焊在車船制造中的應用[J].有色金屬，2011（04）：22-25.

[5]沈洋，何曉梅，呂爽，等.攪拌摩擦焊數值模擬的現狀[J].材料導報，2012（03）：223-225+229.

Parameters optimizations of underwater friction stir welding for heat-treated aluminum alloy based on mathematical model

LIU Xiaochun，ZHAO Huan
（NanchangligongUniversity，Nanchang330044，China）

In the friction stir welding(FSW)process of heat-treated aluminum alloy，the welding thermal cycle can soften part of joints and thus lead to joint performance degradation.Relative to the common joints，it has been proved that underwater welding technique can improve joint strength.In order to get the best underwater welding technique conditions，in the study of this paper a mathematical model of underwater friction stir welding for 2219-T6 aluminum alloy is established to optimize the welding parameters to the greatest extent.The results show that the underwater friction stir welding can achieve maximum tensile strength of 360 MPa，which is higher than the maximum tensile strength under normal welding condition.

aluminum alloy；friction stir welding；mechanical property

圖4　在基體和熱影響區內的沉淀分布

TG453+.9

A

1001－2303（2015）11－0040-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.08

2015-03-25

劉曉春（1980—），男，江西泰和人，講師，碩士，主要從事數學建模、應用數學的研究工作。