基于回歸分析的7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究

張 鑫 韓 冬 吳 軍 殷 凱

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基于回歸分析的7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊工藝研究

張 鑫 韓 冬 吳 軍 殷 凱

（西安航天動力機械廠，西安 710025）

基于回歸分析對20mm厚7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊工藝進行研究。建立并分析了接頭抗拉強度與焊接工藝參數之間的回歸模型，重點考察攪拌頭旋轉速度、焊接速度和軸肩下壓量對接頭抗拉強度的影響規律。結果表明，在試驗設定的工藝參數范圍內，隨著攪拌頭旋轉速度的增加，接頭抗拉強度降低；隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強度先升高后降低，存在峰值；隨著軸肩下壓量的增加，接頭抗拉強度升高。通過優化焊接工藝參數可以使接頭抗拉強度達到430MPa。

攪拌摩擦焊；焊接工藝；抗拉強度

1 引言

7050鋁合金屬Al-Zn-Mg-Cu系熱處理可強化的超高強度變形鋁合金，主要用于要求高強度、高應力腐蝕和剝落腐蝕抗力及良好斷裂韌性的結構件中。采用傳統的熔焊方法焊接該合金時，容易產生氣孔、焊縫熱裂傾向大、且伴有合金元素燒損以及焊縫區軟化等問題。攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術，焊接過程中，在攪拌工具的作用下，材料發生熱塑化并遷移，最終在熱-力的復合作用下進行擴散和再結晶，形成致密的焊縫。由于焊接過程中，母材不熔化，采用FSW可以避免熔焊方法產生的多種缺陷，特別適合鋁合金的焊接[1，2]。

焊接工藝參數與接頭力學性能關系的研究是FSW的基本課題，現有的研究成果多是揭示二者之間的定性關系。例如，付春坤[3]等人對8mm厚7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊的研究結果表明，隨著攪拌頭旋轉速度的升高，接頭抗拉強度降低，但延伸率呈上升趨勢；桂林[4]等人認為7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度隨旋轉速度與焊接速度比值增加而降低。表1列出了部分研究學者對7xxx鋁合金進行攪拌摩擦焊后接頭的抗拉強度。

表1 7xxx鋁合金攪拌摩擦焊接頭抗拉性能研究結果

2 試驗材料與方法

試驗所用7050-T7451鋁合金的化學成分和力學性能分別見表2和表3。試板尺寸為300mm×150mm×20mm。

表2 7050-T7451鋁合金化學成分 wt%

表3 7050-T7451鋁合金力學性能

試驗選用帶三平面的圓錐形攪拌頭，如圖1所示。攪拌頭的材質選用W360工具鋼，軸肩直徑為30mm，攪拌針根部直徑15mm，針長19.7mm；焊前用機械方法去除試板表面氧化膜，并用無水乙醇擦拭以去除表面油污及雜質，采用平板對接的方法，將試板用剛性夾具緊固在焊接工作臺上，攪拌頭對準試板對接中心線，調整焊接參數，攪拌頭順時針方向旋轉，以一定的速度扎入工件結合面，然后以一定的速度沿接合線方向行走。

圖1 試驗用攪拌頭

采用回歸正交試驗設計安排試驗，以接頭的抗拉強度作為評定焊接質量的標準，主要考察攪拌頭旋轉速度（）、焊接速度（）和軸肩下壓量（）三個因素對接頭性能的影響。各個參數的取值范圍見表4。

表4 工藝參數取值范圍

選用三元多項式回歸模型，并進行中心組合設計試驗。為了便于數據處理，將各因素的取值變換為編碼值，其變換公式和結果見表5，其中γ的取值為1.353[7]。選用經過適當變換的L8（27）正交表安排試驗，并在各個因素的零水平處進行3次重復試驗，用于回歸方程和回歸系數的檢驗，具體試驗安排見表6。

表5 工藝參數水平及其編碼值

焊接完成后，按照GB/T2651—1989 《焊接接頭拉伸試驗方法》在CMT5305型電子萬能試驗機上進行拉伸試驗，拉伸速率為2mm/min。每塊試板沿焊縫橫向截取3個拉伸試樣，接頭的抗拉強度取3個試樣的平均值。

3 試驗結果及分析

回歸正交試驗中，各個工藝參數下接頭拉伸試驗結果列于表6。一般地，三元二次多項式回歸模型的通用表達式為：

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其中，0，1，2，3…為回歸系數，為隨機誤差，服從均值為0，方差為2的正態分布。另外，規定1表示攪拌頭旋轉速度，2表示焊接速度，3表示軸肩下壓量。

表6 回歸正交試驗結果

采用最小二乘法對回歸系數進行估計，得到的各個回歸系數的估計值見表7。

表7 回歸系數估計值

用檢驗考察回歸方程和各個回歸系數在顯著性水平為=0.05的有效性，并進行失擬檢驗。回歸系數的檢驗結果如圖2所示。

圖2 回歸系數顯著性檢驗結果

失擬檢驗中比=2.79<（5,2），且回歸方程的比=18.9>(9,7)，即回歸模型是合適的，且回歸方程是有效的。

由圖2可見，1，3，22是顯著的，而33較為顯著，且有3>1>22>33。即各個工藝參數對接頭的抗拉強度均有顯著影響，且軸肩下壓量的影響最強，焊接速度次之，攪拌頭旋轉速度最弱。

綜上，可確定以各個參數編碼值表示的回歸方程為：

根據各次試驗得到的抗拉強度以及由回歸方程計算得到的相應工藝參數下的接頭的抗拉強度進行殘差分析，得到圖3所示的殘差圖，可見殘差均勻地分布在橫軸兩側，表明回歸方程已經能較好地描述抗拉強度與各個工藝參數之間的關系。

通過變量代換可以得到以各個參數實際值表示的回歸方程為：

3.1 攪拌頭旋轉速度對接頭抗拉強度的影響

由式（2），求接頭抗拉強度b關于攪拌頭旋轉速度的偏導數可得：

可見，在所考察的工藝參數范圍內，攪拌頭旋轉速度對接頭抗拉強度的影響是線性的，隨著攪拌頭旋轉速度的增加，接頭抗拉強度下降。圖4為焊接速度v=50mm/min，軸肩下壓量d=0.2mm時，攪拌頭旋轉速度ω從300r/min增加到400r/min，接頭抗拉強度的變化規律。

對于7050這類熱處理強化鋁合金而言，若攪拌摩擦焊過程中熱影響區經歷的溫度超過母材人工時效的溫度后，其中的強化相將會發生溶解，并且伴有晶粒的長大，導致接頭軟化，降低了硬度、強度。在其他工藝參數不變的前提下，提高攪拌頭旋轉速度，接頭的熱輸入增大，經歷的溫度升高，接頭抗拉強度下降。

3.2 焊接速度對接頭抗拉強度的影響

由式（2），求接頭抗拉強度b關于焊接速度的偏導數可得：

可見，在所考察的工藝參數范圍內，焊接速度對抗拉強度的影響是非線性的。隨著焊接速度v的增加，接頭抗拉強度先升高后降低，在v=50mm/min時，接頭抗拉強度達到峰值。圖5為攪拌頭旋轉速度ω=350r/min，軸肩下壓量d=0.2mm時，焊接速度從30mm/min增加到70mm/min，接頭抗拉強度的變化規律。

焊接速度可以表征焊接過程中的材料流入焊縫的速度。Pasquale[8]等人的研究結果表明，在一定范圍內增加焊接速度可以細化焊核區晶粒，改善接頭焊核區、熱-機影響區、熱影響區之間的結合狀態，提高接頭的強度和硬度。但是焊接速度過高時，不僅不能進一步細化晶粒，反而會使晶粒粗化，接頭力學性能變差。這與攪拌摩擦焊過程中，材料的熱塑化程度和流動狀態相關。

3.3 軸肩下壓量對接頭抗拉強度的影響

由式（2），求接頭抗拉強度b關于軸肩下壓量的偏導數可得：

可見，在所考察的工藝參數范圍內，軸肩下壓量對抗拉強度的影響也是非線性的，隨著軸肩下壓量的增大，接頭抗拉強度持續提高。圖6為攪拌頭旋轉速度ω=350r/min，焊接速度v=50mm/min，軸肩下壓量d從0.1mm增加到0.3mm，接頭抗拉強度的變化規律。

攪拌摩擦焊過程中，軸肩對被焊材料有兩個方面的作用，即頂鍛作用和攪拌作用。軸肩下壓量的大小直接影響軸肩對試件上表面壓力的大小，進而影響攪拌頭與工件之間的摩擦產熱效率，進而改變焊縫的熱輸入。下壓量較小時，軸肩對材料的頂鍛作用較小，且焊縫的熱輸入低，不利于熱塑化金屬的流動，接頭強度低。隨著軸肩下壓量的增大，這種情況得到改善，接頭強度提高。本試驗中，由于攪拌針長度的限制，軸肩下壓量最大只能為0.3mm。但是可以預見，接頭的抗拉強度不可能隨著軸肩下壓量的增加而一直增大。這是因為，下壓量超過一定值后，繼續提高下壓量會使焊縫的熱輸入過高，材料過渡軟化甚至發生局部熔化，流動狀態改變，降低接頭的強度。

3.4 熱輸入對接頭抗拉強度的影響

攪拌摩擦焊過程中，焊接熱輸入由摩擦產熱和塑性變形產熱兩部分構成。大量文獻研究表明，摩擦產熱在熱輸入中占有的比重很大。于是，在忽略變形產熱的前提下，攪拌摩擦焊的熱輸入可以由式（6）表示[9]。

其中，為輸入工件的總的熱功率，μ為攪拌頭與工件之間的摩擦系數，0和1分別為軸肩半徑和攪拌針半徑，和分別為攪拌頭旋轉速度和焊接速度，為焊接壓力。μ可視為與材料狀態有關的常數，而攪拌頭選定后，0和1也為常數。焊接壓力與軸肩下壓量具有相關關系，軸肩下壓量固定時，焊接壓力也固定。由前文分析可知，選用大的軸肩下壓量時，接頭的抗拉強度高。現固定軸肩下壓量為0.3mm，則焊接壓力可視為常數。那么，攪拌摩擦焊熱輸入的高低就可用（/）的大小來表征。

圖7表示了接頭抗拉強度與焊接熱輸入之間的關系。可見，焊接熱輸入過高或過低時，接頭抗拉強度均較低，焊接熱輸入適中時，得到的接頭的抗拉強度最高。并且，在相同的熱輸入條件下，低攪拌頭轉速與低焊接速度的組合得到的接頭的抗拉強度優于高攪拌頭轉速與高焊接速度的組合。

圖7 接頭抗拉強度與熱輸入的關系

3.5 焊接工藝參數優化

通過回歸方程（2）以及式（3）、式（4）、式（5）計算得到的所考察工藝參數范圍內的最優參數組合及所對應的接頭抗拉強度如表8所示。由此工藝參數焊接得到的FSW接頭的抗拉強度也列于表8中。

表8 優化后的焊接工藝參數及接頭的抗拉強度

由表8可見，采用優化后的焊接工藝參數進行7050-T7451鋁合金的攪拌摩擦焊，接頭抗拉強度達到430MPa，與回歸方程的計算結果438MPa基本相符。這說明運用式（2）模型來表征7050-T7451鋁合金FSW工藝參數與接頭抗拉強度之間的關系是可靠的。

4 結束語

a. 通過回歸分析建立了7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊主要工藝參數與接頭抗拉強度之間的回歸模型，定量描述了二者之間的關系。

b. 在本文所考察的工藝參數范圍內，隨著攪拌頭旋轉速度的增加，接頭抗拉強度下降；隨著焊接速度的增加，接頭抗拉強度先升高后降低，存在峰值；隨著軸肩下壓量的增加，接頭抗拉強度升高。

c. 攪拌頭旋轉速度=300r/min，焊接速度=50mm/min，軸肩下壓量=0.3mm時，得到的接頭的抗拉強度達到最大值430MPa。

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3 付春坤，白鋼，胡亞真，等. 7050-T7451鋁合金攪拌摩擦焊組織及性能分析[J]. 熱加工工藝，2011，40(13)：137～138

4 桂林，郭倉庫. 汽車用7075鋁合金攪拌摩擦焊工藝與性能[J]. 電焊機，2015，45(9)：149～151

5 董春林，張坤，欒國紅，等. 自然時效對7050鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響[J]. 焊接學報，2014(4)：15～18

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7 師義民，徐偉，秦超英，等. 數理統計[M]. 第四版. 北京：科學出版社. 2015

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9 嚴鏗，雷艷萍，章正，等. 鋁合金攪拌摩擦焊時焊接速度與熱輸入的關系[J]. 焊接學報，2009，30(1)：73～76

Study on Friction Stir Welding of 7050-T7451 Aluminum Alloy Based on Regression Analysis

Zhang Xin Han Dong Wu Jun Yin Kai

(Xi’an Aerospace Power Machine Factory, Xi’an 710025)

The effect of friction stir welding process parameters on tensile strength of 7050-T7451 aluminum alloy plate with 20mm thickness was studied through regression analysis. The regression model between tensile strength of welded joint and welding process parameters (tool rotational speed, welding speed and plunge depth of shoulder) is established and analyzed. The results show that the tensile strength decrease with the increase of tool rotational speed; the relationship between tensile strength and welding speed first goes up and then falls down; the tensile strength increase with the increase of plunge depth of shoulder. Under the optimum parameters, the tensile strength of the joint can reach 430MPa.

friction stir welding；welding process parameters；tensile strength

張鑫（1990），碩士，材料科學與工程專業；研究方向：金屬材料成型及控制。

2017-12-21