攪拌摩擦焊開放實驗項目的設計與實踐

楊 鋼

(重慶交通大學 工程訓練中心，重慶 400074)

攪拌摩擦焊開放實驗項目的設計與實踐

楊 鋼

(重慶交通大學 工程訓練中心，重慶 400074)

為充分發揮大型儀器設備在本科實驗教學環節中的作用，培養和鍛煉學生嚴謹的科學作風，結合材料成形及控制工程專業的“材料連接原理與技術”課程，設計了攪拌摩擦焊開放實驗，通過檢測和分析不同加工參數下鋁合金焊縫區域的微觀組織和拉伸強度指標，從而達到最優加工參數的目的。通過該實驗既能豐富學生的專業知識面，又能培養學生發現問題和解決問題的能力與意識。

攪拌摩擦焊； 開放實驗； 材料成形及控制工程

0 引 言

材料成形及控制工程專業是我校機電與車輛工程學院的重慶市特色專業，“材料連接原理與技術”是該專業的一門專業課，在第6學期開出，有40個學時的理論課，雖然開設了相關實驗課和工程訓練(開設有電弧焊、CO2保護焊、氬弧焊和埋弧焊的焊接訓練)，但攪拌摩擦焊(FSW)由于沒有實驗條件一直未開展。該實驗在眾多領域具有很強的應用實踐性，目前，我國正處在技術積累和相關的科研階段。如果將這個項目設計成綜合型實驗，由于所涉及知識點和檢測環節較多，學生需要做大量的對比和測試實驗才能分析出結果，而導致時間不夠。因此，將其設計成開放實驗，才能讓學生靜下心來學習如何發現問題和解決問題，為培養從實踐中來到實踐中去的刨根問底的鉆研精神提供一個較好的平臺。[1-5]

該實驗的前期應開展如下實驗項目：① 金屬材料的硬度試驗； ② 鐵碳合金平衡組織的顯微分析； ③ 碳鋼的熱處理； ④ 碳鋼熱處理后的顯微組織觀察。除此之外，“材料力學”和“材料成形技術基礎”理論課必須先修，使學生能了解相關的理論基礎知識。

綜合各方面情況，2014年,我院在中央與地方共建高等學校專項資金的支持下，引進了中航工業北京賽福斯特技術有限公司的FSW-LW-AM16型攪拌摩擦焊接設備，該設備主要用于鋁合金、銅合金、鎂合金的直線和平面曲線焊接、對接及搭接，焊接鋁合金厚度范圍為1～16 mm。該設備在重慶地區高校僅我校擁有，因此，除用于科研之外，為提高大型儀器設備的利用率，開發了該開放實驗，現主要針對材料成形及控制工程專業開展。

采用該設備不僅能使學生掌握這一先進的材料連接技術手段，拓寬學生的知識面，關鍵是能通過對實驗數據檢測、分析和比較，使其深刻地理解不同的加工參數對焊縫質量的影響，培養其嚴謹的工作態度和良好的工程素質。

1 實驗目的與原理

1.1實驗目的

(1) 了解攪拌摩擦焊接設備的工作原理，掌握其常規的操作使用方法；

(2) 掌握單因素實驗方法，在檢測和比較實驗數據后能找出最優的焊接參數；

(3) 通過實驗結果的比較和分析，找出影響該結果的主要因素，并提出解決方案。

1.2攪拌摩擦焊接的工作原理

攪拌摩擦焊是一種固相連接技術，它是通過高速旋轉的攪拌針在兩焊接件的焊接區域接觸產生摩擦熱，使金屬產生塑性軟化，旋轉的攪拌針周圍被軟化的金屬受到攪拌擠壓，并隨攪拌針的移動，高度塑性變形的材料逐漸沉積在攪拌頭的背后，從而實現焊縫的方式，其工藝原理如圖1所示。該技術自從1991年由英國焊接研究所YWI發明以來，得到了工業制造領域的密切關注。目前，固相連接方式還有真空擴散焊、摩擦焊和超聲波焊接等[6-12]。

a) 母材; b) 熱影響區; c) 熱機影響區; d) 焊核區圖1 攪拌摩擦焊接原理圖

圖2所示為FSW-LW-AM16型攪拌摩擦焊接設備結構圖。

圖2 FSW-LW-AM16型攪拌摩擦焊接設備結構圖

2 項目設置與實驗步驟

2.1項目設置

由于金屬材料的種類較多，在結合科研需求和現有各方面條件的綜合情況下，選擇了A6061、A6016和A5083作為實驗對象。建議讓每組學生選擇1種材料，每組至少選擇1個單一因素，每個單一因素至少測量5組數據進行實驗。各組以5人為單元(1人負責操作設備，2人負責裝卸和調試試件，1人負責記錄數據，1人負責組織協調和安全監督)，每次進行焊接操作實驗的均為2組，一組操作另一組觀摩的交替方式進行。由于每次開放實驗人數和每組思考與解決問題方式的不一致，同學們也可自己選擇如何配置，并給出配置的理由，同時設計出實驗的步驟與方案和論證報告，交給指導教師審核并討論方案的可行性。

2.2實驗步驟

(1) 安裝試件。根據試件的尺寸調整好夾具，使試件能安全穩定地裝夾到工作臺上，并保證加工過程不會產生干涉現象。如圖3所示。

圖3 試件的安裝固定

(2) 檢查設備的各個功能是否正常。并正確安裝攪拌頭、對刀和工件坐標系設定；然后在設備操作系統里根據不同界面輸入程序和各項參數并進行試運行；最后，根據預先的實驗參數按步驟地進行攪拌摩擦焊接實驗，并及時記錄數據。圖4所示為焊接后的試件。

3 實驗結果及分析

3.1數據測量

通過攪拌摩擦焊接設備可以使用不同工藝參數進行焊接。限于篇幅，只記錄了A6016鋁合金的焊接情況。表1是其中一組學生自行設計的表格與實驗參數設計，記錄了通過改變焊接橫向速度v所測得的相關數據。一般學生在實驗過程中為便于分析和減少誤差，要求采集至少5組數據。

3.2微觀組織分析

通過線切割設備對攪拌摩擦焊后的試件進行取樣并制備微觀觀察試樣后，在金相顯微鏡下即可觀察到相應區域的顯微組織，如圖5所示。

3.3數據分析比較與歸納總結

將上述所記錄的工藝參數和測試數據進行分析，可以得出3個結論：① 焊接速度逐漸增大至某一臨界值時，拉伸強度呈逐漸增大的趨勢，繼續增大將出現下降趨勢;② 焊核區的晶粒最細，熱影響區受熱影響其晶粒最大，熱機影響區越靠近焊核區的晶粒越細，越靠近熱影響區出現逐漸增大的趨勢;③ 對A6016鋁合金，在焊接參數為表1所示的特定情況下，其最優的焊接速度約為400 mm/min。

最后，通過回顧實驗過程和設備狀況，可讓學生分析對焊接質量影響的主要因素和解決措施，并形成實驗報告。

表1 單因素(焊接橫向速度v)實驗數據記錄表

備注:限于現有檢測條件,對焊縫缺陷的判斷種類為:飛邊、未填滿、未焊透、未熔合、過度焊透、表面溝槽、孔洞等[13-16]。

(a) 母材

(b) 焊核區

(c) 熱機影響區

(d) 熱影響區

圖5 A6016焊接后各區域焊接顯微組織

4 結 語

所設計的開放實驗項目首次應用于我校的材料成形及控制工程專業5～6學期的學生，開放人數遠超預期。經過為期32學時的開放實驗訓練，學生不但掌握了攪拌摩擦焊接的工作原理，而且用自己設計的工藝參數得到了不同質量的焊縫，深入地理解了工藝參數對焊接質量的影響。更重要的是，學生在實驗過程中始終保持孜孜不倦的求索精神，使其深刻體會到了養成嚴謹的科學作風(如實驗的前期準備工作、試件的制備、試件的測試觀察和實驗數據的歸納與整理對結果的影響)的重要性，并體會到通過辛勤勞動而獲得的成果的喜悅。

從教學效果來看，取得了較好的效果，得到了學生和校教學部門認可和好評。但是，還存在需要完善的問題：① 目前，因考慮到師資、科研和實驗耗材的綜合情況，主要只針對了材料成形及控制工程專業開展了開放實驗，后期將隨著各方面條件的完善而逐步加大開放力度。② 實驗材料只針對鋁合金，而對于銅合金和鎂合金還沒有開展，后期還需要進一步拓展其應用領域，使該設備在服務于教學的同時也為科研積累部分數據。③ 實驗參數還需要進一步細化，以使實驗數據更精確，為后續確定某一特定條件下的攪拌摩擦焊接最優工藝參數提供數據支持。

[1] 王 麗,周 玲,尹麗丹,等.創新性實踐教學在大學生能力培養中的作用[J].實驗室研究與探索,2013,32(3):143-146.

[2] 陳 爽.應用型人才培養模式的實驗教學改革[J].實驗室研究與探索,2012,31(8):1-3.

[3] 孫 盾,姚纓英,范承志,等.實驗教學環節與創新能力的培養 [J].實驗技術與管理,2012,29(5):28-30.

[4] 謝惠波,楊 艷,陳 麗,等.論開放實驗室建設[J].實驗技術與管理,2011,28(5):178-181.

[5] 張 靜,董 偉,姚 軍.論多形式開放實驗室教學模式[J].教育與職業,2013,18(3):142-143.

[6] 劉 杰,楊景宏,韓風武,等.厚板鋁合金攪拌摩擦焊匙孔補焊接頭組織與性能[J].材料工程,2012(7):29-33.

[7] 李 博,沈以赴,胡偉葉.伸縮式攪拌頭后鋁板攪拌摩擦焊缺陷及其補焊工藝[J].中國有色金屬學報,2012,22(1):62-71.

[8] R S Mishra, Z Y Ma.Friction stir welding and processing[J].Materials Science and Engineering R,2005,50:1-78.

[9] Moreira PMGP, de Figueiredo MAVA, de Castro PMST.Fatigue behaviour of FSW and MIG weld mentsfor two aluminium alloys[J].Theoretical and Applide Fracture Mechanics,2007,48:169-177.

[10] Rajakumar S , Muralidharan C, Balasubramanian V.Influence of friction stir welding process and tool parameters on strength properties of AA7075-T6 aluminium alloy joints[J].Materials and Design,2011,32:535-549.

[11] 劉 艷,王 淮,宮文彪,等.6005A合計攪拌摩擦焊接頭疲勞性能的研究[J].長春工業大學學報(自然科學版),2009,30(1):12-17.

[12] 肖 靜, 宮文彪,劉 威,等.6005A-T6/6082-T6鋁合金FSW與MIG接頭組織與性能研究[J].長春工業大學學報,2015,36(1):1-5.

[13] 國際標準化組織委員會(ISO).ISO25239-2011鋁合金攪拌摩擦焊焊接工藝規程及鑒定[S].瑞士出版社,2011:3-5.

[14] 王大臣.鋁合金攪拌摩擦焊缺陷及修補方法[J].長春工業大學學報,2016,37(2):171-174.

[15] Rajakumar S, Muralidharan C, Balasubramanian V.Influence of friction stir welding process and tool parameters on strength ptoperties of AA7075-T6 a-lnminium alloy joints[J].Materials and Design,2011,32:535-549.

[16] 李 博,沈以赴,胡偉葉.伸縮式攪拌頭厚鋁板攪拌摩擦焊缺陷及其補焊工藝[J].中國有色金屬學報,2012,22(1):62-71.

DesignandPracticeofOpenExperimentProjectforFrictionStirWelding

YANGGang

(Engineering Training Center, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

To utilize large-scal equipment, cultivate student to have qualities of scientific thinking, combine the requirements of the "Material Linkage Theory and Technology" course in material shaping and control engineering field, we designed an open experiment entitledFriction Stir Welding, measured and analyzed the microstructure and tensile stretchof aluminum alloy under different parameters.We then obtained optimal parameters of processing.As a result of experimenting, students’expertise and ability of solving and detectingproblem are enhanced.

friction stir welding(FSW)； open experiment； material formation and control engineering

G 642.0

A

1006-7167(2017)10-0210-03

2016-10-17

重慶交通大學實驗教學改革研究項目(SYJ201510)

楊 鋼(1975-)，男，重慶人，碩士，實驗師，工程訓練中心主任，主要從事材料成形與控制工程專業實驗技術研究與實驗實訓管理。Tel.：13617680211; E-mail：yg31415926@163.com