純鋁1060攪拌摩擦微連接焊接力及溫度研究

金鑫 熊亮 向勇 劉曉 史煜 張昌青

摘要：攪拌摩擦焊過程中各物理量的采集分析為理解接頭形成過程及質量影響因素提供重要的數據支持。為研究攪拌摩擦微連接過程中焊接力及溫度的變化情況，利用自制的監測系統對0.8 mm厚1060-H24超薄鋁板攪拌摩擦微連接過程中的焊接力及不同攪拌頭轉速下的焊縫溫度進行了實時測量采集。研究結果表明：攪拌頭轉速為11 000 r/min時焊縫溫度最高，達到約350 ℃，因焊接過程中的攪拌摩擦作用，焊縫金屬受熱充足流動性好，易形成表面形貌美觀且性能優良的攪拌摩擦微連接接頭;攪拌頭下壓駐留后，在初始焊接階段，焊接軸向力保持在約50 N，持續2 s后因母材受熱嚴重軟化導致軸向力開始迅速下降，降至約30 N后穩定焊接。在焊接階段中焊接橫向力始終保持在20～40 N范圍內小幅度波動。

關鍵詞：攪拌摩擦微連接;焊接力;焊接溫度;監測系統

中圖分類號：TG453+.9 ? ? ?文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1001-2003（2021）06-0072-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.13

0 ? ?前言

攪拌摩擦微連接技術（μFSW）是在傳統攪拌摩擦焊的基礎上發展起來，主要針對1 mm以下厚度板材進行連接的焊接方法。其主要通過高轉速的小直徑攪拌頭產熱，在焊接過程中，焊接力、焊縫溫度對攪拌頭的轉速及下壓量等工藝參數極為敏感。目前國內針對于1 mm以下厚度板材的攪拌摩擦微連接技術的研究相對有限，有較大的發掘空間。

攪拌摩擦微連接過程中焊接力及焊縫溫度的測量采集為研究分析焊縫的形成過程提供了重要的數據基礎。文中通過設計搭建基于LabVIEW的監測裝置，實現了對攪拌摩擦微連接過程中焊接力及焊縫溫度的實時精確測量及記錄。通過對焊接力及焊縫溫度曲線的分析，可對攪拌摩擦微連接過程中焊縫組織演變過程的研究提供指導作用。

1 攪拌摩擦微連接監測裝置

1.1 焊縫溫度測量系統

根據鋁合金薄板攪拌摩擦微連接過程中的焊縫溫度范圍[1]和試驗環境，采用K型熱電偶[2]作為焊縫溫度傳感器。K型熱電偶一般由鎳鉻、鎳鋁合金制作而成，推薦溫度測量范圍為100～1 000 ℃。

將K型熱電偶通過調理電路與USB-6008數據采集卡連接，同時將測量端探頭接觸所焊試板表面，產生熱電勢后，通過調理電路[3]及數據采集卡將電勢轉化為數據，傳入數據采集軟件LabVIEW，對焊接過程中的焊縫溫度進行實時測量記錄。焊接試驗前須利用溫升設備對采用的測溫系統進行標定，保證其在焊接過程中測得的試板溫度真實有效[4]。

1.2 焊接力測量系統

因小尺寸稱重傳感器具有較高的信噪比和系統穩定性以及動態響應快等優點[5]，采用其作為攪拌摩擦微連接過程中軸向力與橫向力的測量儀器。為使稱重傳感器能夠準確測量攪拌摩擦微連接過程中焊接力的大小，將滑軌、板材、快速夾具等材料與稱重傳感器進行組配，并將稱重傳感器用導線與調理電路模塊[6]連接之后，通過數據采集卡及LabVIEW程序將測得的焊接力數據傳入上位機保存以便分析。焊接試驗前利用壓力設備或砝碼對所采用的測力系統進行標定，保證其在焊接過程中測得的軸向力及橫向力數據真實有效。焊接溫度及焊接力測量裝置總成如圖1所示。

1.3 LabVIEW數據采集系統設計

根據攪拌摩擦微連接過程中焊接力及焊縫溫度的采集需求，繪制了LabVIEW測量程序，程序中使用TDMS可將采集卡采集的數據直接存儲為Excel文件進行數據處理，使數據圖表化，分析過程十分方便快捷并能夠保證數據處理的準確性[7]。

2 焊接過程物理量分析

采用微連接攪拌摩擦焊機配備焊接力及焊縫溫度監測裝置對厚度為0.8 mm的1060-H24鋁板進行焊接試驗，測量采集所需數據以分析焊接過程中軸向力、橫向力及焊縫溫度的變化規律。焊接試驗參數設置如表1所示，焊縫長30 mm，攪拌頭下壓量達到0.1 mm時保持該位置5 s后開始進行焊接。

2.1 焊縫溫度

7 000～11 000 r/min攪拌頭轉速下的焊縫溫度峰值趨勢如圖2所示。

經過對比可知，攪拌頭轉速小于11 000 r/min時焊縫溫度峰值隨著轉速的提高而升高，轉速為11 000 r/min時焊縫溫度最高，約350 ℃。因焊接過程中的攪拌摩擦作用，焊縫金屬受熱充足、流動性好，易形成表面形貌美觀且性能優良的攪拌摩擦微連接接頭，如圖3所示。轉速大于11 000 r/min時，焊縫溫度峰值下降，因為在下壓量一定、攪拌頭轉速大于某一限定值時，攪拌頭軸肩表面與試板表面無法緊密貼合導致摩擦接觸面積及摩擦力減小，從而導致摩擦產熱降低，焊接溫度峰值減小。

2.2 焊接力分析

攪拌頭轉速為11 000 r/min時，測量采集焊接過程中的軸向力，軸向力曲線如圖4所示。攪拌摩擦微連接過程根據攪拌頭移動形式可主要分為4個階段：下壓、駐留、焊接和攪拌頭抽出退刀階段[8]。

由圖4可知，下壓階段前期隨著攪拌針以低進給速度地壓入試板，軸向力增大，當攪拌頭軸肩與試板摩擦接觸時（見圖4Ⅰ處）軸向力最大，約為150 N。此時攪拌頭軸肩與試板金屬材料高速旋轉摩擦產生的充足熱量，使摩擦區域的母材金屬受熱軟化至塑性狀態。下壓方向上還未受到旋轉摩擦作用的母材金屬雖受熱但因熱量不足沒有達到塑性狀態，對攪拌頭下壓進給仍有較大阻礙作用力，使得軸向力在攪拌頭軸肩后續下壓過程中緩慢下降至約135 N。進入駐留階段，在攪拌頭軸肩和攪拌針對母材金屬充分攪拌摩擦并產生足夠熱量后，下壓方向上整體厚度的母材金屬軟化且達到塑性狀態，軸向力開始陡降（見圖4Ⅱ處），下降量約為60 N。在初始焊接階段，焊接軸向力保持在約50 N，持續2 s后因母材受熱嚴重軟化導致軸向力開始迅速下降（見圖4Ⅲ處），降至約30 N后穩定焊接（見圖4Ⅳ處）。焊接階段結束后，攪拌頭抽離試板退刀，試板釋壓，軸向力陡降回歸零位。

同時測得該攪拌頭轉速下的焊接橫向力如圖5所示。由于下壓階段中攪拌頭軸肩與試板表面接觸瞬時的不穩定性，在已對軸向力傳感器加載正向預緊力的情況下橫向力出現短時間的負跳躍現象，而在焊接階段中焊接橫向力始終保持在20～40 N范圍內小幅度波動。

3 結論

（1）當其他參數不變，攪拌頭轉速小于11 000 r/min時，攪拌頭轉速提升，摩擦產熱增加，焊縫溫度峰值上升;轉速大于11 000 r/min時，因攪拌頭轉速過大導致攪拌頭軸肩表面與試板表面無法緊密貼合導致摩擦接觸面積及摩擦力減小，使摩擦產熱降低，焊接溫度峰值減小。

（2）攪拌頭轉速為11 000 r/min時焊縫溫度最高，約350 ℃;因焊接過程中的攪拌摩擦作用，焊縫金屬受熱充足流動性好，易形成表面形貌美觀且性能優良的攪拌摩擦微連接接頭。

（3）在初始焊接階段，焊接軸向力保持在約50 N，持續2 s后因母材受熱嚴重軟化導致軸向力開始迅速下降，降至約30 N后穩定焊接;焊接橫向力在此過程中始終保持在20～40 N范圍內小幅度波動。

參考文獻：

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