攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺設(shè)計(jì)與應(yīng)用

高吉成， 裴啟立， 朱善清， 焦俊科， 夏鴻博

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州 225127）

0 引 言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）是由英國焊接研究所于1991 年發(fā)明的一種針對鋁合金等低熔點(diǎn)金屬材料的焊接技術(shù)。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，攪拌摩擦焊熱輸入少、焊接變形小、無氣孔夾渣等缺陷，是一種綠色環(huán)保的先進(jìn)焊接技術(shù)，近年來在交通運(yùn)輸、能源電子、船舶制造、航空航天等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用［1］。

近年來，高校焊接實(shí)驗(yàn)及實(shí)踐教學(xué)主要集中在常規(guī)的熔化焊（如氬弧焊、CO2氣體保護(hù)焊等），先進(jìn)焊接技術(shù)及焊接平臺相對較少。部分高校針對先進(jìn)焊接技術(shù)需求開展了攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)。楊鋼［1］基于FSWLW-AM16 專用設(shè)備開展了攪拌摩擦焊開放實(shí)驗(yàn)，通過對鋁合金焊接接頭微觀組織和拉伸性能的分析，優(yōu)化了焊接工藝參數(shù)。王希靖等［2］研究了攪拌摩擦焊機(jī)控制器，該控制器基于變頻調(diào)速技術(shù)的主軸旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)來保證設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。吳功柱［3］設(shè)計(jì)了攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺主要包括焊接平臺及測力平臺等硬件設(shè)施及三向力監(jiān)測系統(tǒng)與支撐軟件等軟件設(shè)計(jì)。張俊寶等［4］設(shè)計(jì)了剛?cè)釁f(xié)作3CD/2RPU-SPR攪拌摩擦焊機(jī)器人，相較于原設(shè)備具有更大的頂鍛力與靈活性。

目前，高校攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺存在一定的問題，如設(shè)備偏向于商業(yè)化，尺寸過大，價(jià)格昂貴，對于高校教學(xué)科研而言一次性經(jīng)費(fèi)投入過大。針對上述問題，本文基于學(xué)生金工實(shí)習(xí)中立式加工中心的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，搭建了用于鋁合金等低熔點(diǎn)金屬材料的攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺，并對7075 與6061 鋁合金進(jìn)行對接實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺的可行性。該平臺可以完成鋁合金等材料的焊接實(shí)驗(yàn)，滿足工程教育專業(yè)認(rèn)證對學(xué)生掌握先進(jìn)焊接技術(shù)的教學(xué)和科研需求，提升學(xué)生的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力［5］。

1 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺設(shè)計(jì)

1.1 攪拌摩擦焊基本原理

攪拌摩擦焊原理如圖1 所示，焊接過程中，高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭緩慢扎入待焊工件，直至軸肩與工件上表面相接觸，攪拌頭與被焊材料之間摩擦產(chǎn)生的熱量（主要熱源）及材料攪拌產(chǎn)生的變形熱將周圍材料塑化，當(dāng)攪拌頭向前移動(dòng)時(shí)，攪拌頭前方的材料不斷從前進(jìn)側(cè)（Advancing Side，AS）向后退側(cè)（Retreating Side，RS）遷移，攪拌頭后方的材料從RS 向AS 遷移來彌補(bǔ)攪拌針前進(jìn)時(shí)留下的瞬時(shí)空腔，同時(shí)在攪拌頭的鍛造作用下實(shí)現(xiàn)材料的連接［6］。攪拌摩擦焊接過程中，AS是指焊接方向與攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向一致的一側(cè)，RS是指焊接方向與攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向相反的一側(cè)［7］。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、下壓量、傾角（攪拌頭中心軸線與工件表面法線的夾角［6］）等，對于攪拌摩擦焊對接，還包括攪拌針的偏置量（攪拌針中心與待焊工件中心的相對位移）。

圖1 攪拌摩擦焊原理圖

1.2 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺

攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺由立式加工中心改裝而成，如圖2 所示。該平臺由主軸、攪拌工具、導(dǎo)軌、控制系統(tǒng)、夾具、工作臺等組成，焊接過程可實(shí)現(xiàn)X、Y軸方向的直線及曲線焊縫的焊接，通過改變焊接過程中的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度與下壓量等工藝參數(shù)可完成鋁合金、鎂合金等低熔點(diǎn)金屬材料的焊接。

采用三維可壓縮Navier-Stokes方程為控制方程, 通過有限體積方法進(jìn)行離散, 對流項(xiàng)離散采用Roe格式[13], 通過MUSCL插值達(dá)到2階精度, 黏性項(xiàng)離散采用中心差分格式, 時(shí)間項(xiàng)離散使用隱式LU-SGS方法[14], 進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場計(jì)算.

圖2 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺示意圖

G59 G0 G90 X0Y0；

圖3 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)控制流程

圖4 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)操作控制系統(tǒng)主界面

焊接過程中主要調(diào)整旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度與下壓量3 個(gè)工藝參數(shù)，代碼程序如下：

攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺的基本控制流程如圖3 所示。開機(jī)后系統(tǒng)初始化，將待焊工件安裝在焊接工作臺上，然后通過控制系統(tǒng)確定坐標(biāo)原點(diǎn)；通過主軸沿Z軸方向的運(yùn)動(dòng)調(diào)整軸肩下壓量；編制焊接程序?qū)嵤┖附訉?shí)驗(yàn)，完成后對焊縫進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)，完成焊接試樣制備。本平臺采用法蘭克數(shù)控系統(tǒng)編制焊接程序，系統(tǒng)主界面如圖4 所示。

使用Mothur（version v.1.30）軟件，對樣品Alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行評估。為比較樣品間的多樣性指數(shù)，分析時(shí)將樣品所含序列數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。在97%相似度水平下，各樣品Alpha多樣性指數(shù)值統(tǒng)計(jì)如表3，在T1和T2期,曲塊細(xì)菌多樣性較高；在T0、T4和T5期，多樣性較低；T3期的多樣性最低。4種計(jì)算算法的結(jié)論基本一致。

M3 S1000；

攪拌摩擦焊接過程中，軸肩下壓量固定為0.1 mm，攪拌針偏置量為0，傾角為0°，旋轉(zhuǎn)速度分別為1 000、1 200 與1 400 r/min，焊接速度分別為100、150 mm/min，焊接時(shí)7075 鋁合金放置在AS，6061 鋁合金放置在RS。實(shí)驗(yàn)利用光學(xué)顯微鏡與掃描電子顯微鏡對焊縫的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察分析，金相試樣觀察前經(jīng)拋光后用Keller試劑腐蝕20 s。利用維氏顯微硬度計(jì)對焊縫的顯微硬度進(jìn)行測量，加載時(shí)間5 s，加載載荷為0.49 N。采用CMT 5105 SANS 試驗(yàn)機(jī)測量接頭的抗拉強(qiáng)度，采用掃描電子顯微鏡對斷口形貌進(jìn)行觀察。

G43 H2 Z50；

金融業(yè)發(fā)展的成敗，很大程度上取決于行業(yè)監(jiān)管的優(yōu)劣，取決于市場的優(yōu)勝劣汰的約束，更取決于行業(yè)風(fēng)險(xiǎn)管理能力的高低。一個(gè)金融機(jī)構(gòu)發(fā)展好壞，則取決于其自身的治理、資產(chǎn)配置的結(jié)構(gòu)優(yōu)劣、風(fēng)險(xiǎn)管理技術(shù)應(yīng)用的能力。

Z10；

G0 Z150；

G1 Z-0.1 F10；

G4 X10；

G01 X150 F100；

G4 X5；

G1 Z2 F50；

圖6 所示為不同工藝參數(shù)時(shí)7075/6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面形貌。由圖可見，焊接過程中由于下壓量較小，焊縫表面基本不存在飛邊等缺陷。焊接速度為100 mm/min時(shí)，焊接表面為細(xì)密的魚鱗紋，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min 時(shí)，焊縫表面成型最好；焊接速度為150 mm/min時(shí)，焊縫表面較粗糙，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min 時(shí)，由于該焊接參數(shù)下的熱輸入最少，材料受熱和混合流動(dòng)不充分，導(dǎo)致焊縫表面存在裂紋等缺陷［8］。

選用5 mm厚7075 與6061 鋁合金作為被焊板材，化學(xué)成分見表1 所示。

2 攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

M30。

選用45 鋼制作攪拌頭，攪拌針直徑為φ6 mm，攪拌針長度為3.5 mm，軸肩直徑為φ20 mm，攪拌針形狀為圓柱形（帶螺紋），如圖5 所示。攪拌頭加工后進(jìn)行“880 ℃油淬+180 ℃回火”工藝進(jìn)行熱處理以提高攪拌頭的表面硬度與耐磨性。

圖5 攪拌頭實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

電網(wǎng)企業(yè)數(shù)據(jù)中心通常和辦公大樓共用部分基礎(chǔ)設(shè)施，難以將非數(shù)據(jù)中心區(qū)域消耗的能源單獨(dú)分離出來統(tǒng)計(jì)，本文提出了一種易于操作的計(jì)算方法，較為準(zhǔn)確地估算出共用設(shè)施中與數(shù)據(jù)中心關(guān)聯(lián)的部分能效，可簡單有效地計(jì)算出數(shù)據(jù)中心的整體能效水平。同時(shí)，本文的統(tǒng)計(jì)方法易于在數(shù)據(jù)中心綜合管理系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，并給出了可行的測量標(biāo)準(zhǔn)與計(jì)算方法。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 7075/6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面形貌

通過智能感知與執(zhí)行體系、生產(chǎn)運(yùn)營管理體系、智能決策體系三個(gè)層次體系的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)的智能工廠整體智能體系的構(gòu)建，每個(gè)層次本身是自治閉環(huán)，又構(gòu)成單層的智能體系，這樣分層化的建設(shè)和整體智能體系的集成，全面生動(dòng)地反應(yīng)了整個(gè)工廠的智能［7-9］。

老年肺炎是呼吸系統(tǒng)多發(fā)而嚴(yán)重威脅人類健康的疾病，在我國其發(fā)病率及死亡率較高，是65歲以上老年患者住院和死亡的主要原因之一［4］。由于老年肺炎病原學(xué)檢查陽性率低，費(fèi)用高，對于早期診斷意義不大，易錯(cuò)過臨床最佳治療時(shí)期，是導(dǎo)致老年肺炎患者死亡率較高的重要原因［4］。如何快速準(zhǔn)確的診斷老年肺炎，指導(dǎo)抗生素合理應(yīng)用，在臨床工作中有著重要意義。

圖6 不同焊接參數(shù)時(shí)7075/6061攪拌摩擦焊接頭表面形貌

3.2 7075/6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織

圖7 所示為旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度100 mm/min時(shí)的7075/6061 攪拌摩擦焊接頭橫截面形貌。由圖可見，焊縫整體成形良好，組織均勻。根據(jù)攪拌摩擦焊接過程中材料經(jīng)受熱循環(huán)與塑性變形的不同可以將組織分為4 個(gè)區(qū)域，從左往右依次為母材區(qū)（Base Metal，BM）、熱影響區(qū)（Heated Affected Zone，HAZ）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-mechanically Affected Zone，TMAZ）與焊核區(qū)（Stir Zone，SZ）。

圖7 7075/6061攪拌摩擦焊接頭橫截面形貌

圖8 所示為旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度100 mm/min時(shí)的7075/6061 攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域顯微照片。圖8（a）與（b）分別為7075 鋁合金母材與6061 鋁合金母材的顯微組織，兩種基體均呈現(xiàn)典型的軋制組織，晶粒沿著軋制方向被拉長，7075 鋁合金較6061鋁合金母材晶粒沿軋制方向排列更加明顯。圖8（c）為AS 熱影響區(qū)的微觀組織，由圖可見，相對于7075 鋁合金母材，熱影響區(qū)的晶粒依然呈軋制方向排列，但是晶粒尺寸較母材區(qū)有所長大，這主要是因?yàn)闊嵊绊憛^(qū)晶粒在焊接過程中僅受到摩擦熱的影響［9］。焊核區(qū)主要是7075鋁合金與6061鋁合金的混合區(qū)［見圖8（d）］，該區(qū)域在焊接過程中受到攪拌針的強(qiáng)烈攪拌作用和摩擦熱而發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶［10］，晶粒明顯細(xì)化。圖8（e）與（f）分別為AS 與RS 熱機(jī)影響區(qū)微觀組織，熱機(jī)影響區(qū)在焊接過程中由于受到攪拌針的攪拌作用和摩擦熱不足未發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒受攪拌針影響被拉長發(fā)生彎曲，相對于RS 而言，AS 受到的影響更大［11］，從而使得兩側(cè)熱機(jī)影響區(qū)的微觀組織呈現(xiàn)不同的形態(tài)。

圖8 旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度100 mm/min時(shí)7075/6061攪拌摩擦焊接頭不同區(qū)域微觀組織

3.3 7075/6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微硬度

圖9 為旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度100 mm/min時(shí)接頭橫截面顯微硬度分布。沿X軸0 點(diǎn)向左為7075 一側(cè)，向右為6061 一側(cè)，由圖可知，顯微硬度呈左高右低趨勢分布，這主要與2 種鋁合金基體硬度差異較大相關(guān)。焊核區(qū)硬度最高，遠(yuǎn)離焊核區(qū)的熱影響區(qū)硬度較低。焊接過程中，焊核區(qū)受到攪拌針的劇烈攪拌作用發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)化，加工硬化明顯，而熱影響區(qū)晶粒受熱長大，硬度降低［12］。

圖9 7075/6061接頭顯微硬度分布

3.4 7075/6061 鋁合金攪拌摩擦焊接頭拉伸性能

圖10 所示為不同旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度時(shí)接頭的抗拉強(qiáng)度。由圖可見，固定焊接速度時(shí)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度不變時(shí)，增加焊接速度會(huì)使得接頭的抗拉強(qiáng)度降低，7075/6061 異種鋁合金接頭的抗拉強(qiáng)度在旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度100 mm/min 時(shí)取得最大值，為184 MPa。攪拌摩擦焊接過程中，增加旋轉(zhuǎn)速度可以使得焊接過程的熱輸入增加，從而增強(qiáng)材料的流動(dòng)性，使得異種鋁合金在焊接界面產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合。但是，熱輸入過大會(huì)導(dǎo)致接頭熱影響區(qū)強(qiáng)化相粗大或溶解［13］，從而降低接頭的抗拉強(qiáng)度。當(dāng)焊接速度過大時(shí)，焊縫區(qū)域單位時(shí)間獲得的熱量降低，從而使得周圍金屬不能達(dá)到很好的熱塑性狀態(tài)，導(dǎo)致材料混合不充分；當(dāng)焊接速度過低時(shí)會(huì)使得內(nèi)部產(chǎn)生缺陷［14］，亦使得接頭抗拉強(qiáng)度降低。

經(jīng)歷活動(dòng)課程的評價(jià)由以下兩部分構(gòu)成，一是經(jīng)歷活動(dòng)的評價(jià)。通過對每一次經(jīng)歷活動(dòng)的評價(jià)，診斷和改進(jìn)經(jīng)歷活動(dòng)，使活動(dòng)在原有基礎(chǔ)上得到提升和發(fā)展。二是幼兒發(fā)展評價(jià)。建立幼兒成長檔案，融過程與結(jié)果為一體，兼容觀察法、談話法、調(diào)查問卷法等多種評價(jià)方法，通過對幼兒發(fā)展的評價(jià)，了解經(jīng)歷活動(dòng)的目標(biāo)是否適宜、內(nèi)容是否能滿足幼兒需要、實(shí)施效果是否能促進(jìn)幼兒和諧發(fā)展。教師可以制作經(jīng)歷活動(dòng)適宜性和有效性評價(jià)量表、幼兒成長檔案、家長觀察和信息反饋表，在教師、家長、管理者的共同參與和相互合作中，促進(jìn)每個(gè)幼兒的發(fā)展。

圖10 不同旋轉(zhuǎn)速度時(shí)7075/6061接頭抗拉強(qiáng)度

圖11 所示為焊接速度100 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度分別為1 000 r/min與1 200 r/min時(shí)的拉伸試樣斷口的微觀形貌。由圖可見，試樣斷口分布著大量的韌窩，呈現(xiàn)典型的韌性斷裂［15］。1 000 r/min 試樣韌窩大小不一，1 200 r/min試樣韌窩較均勻，放大后可以看到部分韌窩中存在第二相粒子［見圖11（d）］且有明顯撕裂棱，分析認(rèn)為第二相粒子在拉伸過程中發(fā)生了塑性變形，滑移后發(fā)生斷裂［16］。

圖11 7075/6061接頭拉伸斷口微觀組織

4 結(jié) 語

本文搭建了攪拌摩擦焊實(shí)驗(yàn)平臺，制備了不同旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度下的異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭，通過光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡等手段分析了焊接接頭的微觀組織，通過顯微硬度計(jì)、拉伸試驗(yàn)機(jī)等測試技術(shù)分析了焊接接頭的力學(xué)性能。結(jié)果表明：旋轉(zhuǎn)速度為1 200 r/min，焊接速度為100 mm/min時(shí)，焊接表面為細(xì)密的魚鱗紋，焊縫表面成型最好。焊核區(qū)硬度最高，遠(yuǎn)離焊核區(qū)的熱影響區(qū)硬度較低。異種鋁合金接頭的抗拉強(qiáng)度在旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度100 mm/min時(shí)取得最大值，為184 MPa。

該實(shí)驗(yàn)平臺結(jié)合攪拌摩擦焊科學(xué)研究、金工實(shí)習(xí)實(shí)踐教學(xué)，涉及焊接接頭制備、組織分析、性能測試、數(shù)據(jù)處理等多項(xiàng)操作，可滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)對先進(jìn)焊接技術(shù)的需求，將其用于焊接實(shí)驗(yàn)教學(xué)可彌補(bǔ)先進(jìn)焊接設(shè)備不足的現(xiàn)狀，滿足本校材料成型及控制工程專業(yè)工程教育專業(yè)認(rèn)證的需求，實(shí)驗(yàn)過程使學(xué)生將理論知識與實(shí)驗(yàn)技能有機(jī)融合，注重實(shí)驗(yàn)的綜合性與創(chuàng)新性，有助于學(xué)生深入掌握先進(jìn)焊接技術(shù)，了解焊接前沿。

結(jié)果顯示，護(hù)理職業(yè)性別刻板印象與專業(yè)認(rèn)同呈負(fù)相關(guān)r=-0.214，P＜0.01。即男護(hù)生對護(hù)理職業(yè)性別刻板印象得分越高，其對護(hù)理專業(yè)的認(rèn)同度越低。