2A12/6061異種鋁合金攪拌摩擦連接工藝參數(shù)優(yōu)化

黃 達(dá)，汪洪峰,，王建彬，宋娓娓，姜 迪

（1.安徽工程大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 蕪湖 24100；2.黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

鋁合金有著低密度、高耐腐蝕性以及較好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，使其廣泛應(yīng)用于航空、汽車、船舶、高鐵等機(jī)械制造領(lǐng)域。鋁合金有著多種類型，不同系列鋁合金，其性能和應(yīng)用范圍都差異較大。在某些特定領(lǐng)域及復(fù)雜環(huán)境下，單一種類鋁合金無法滿足設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的需求，因此異種鋁合金之間的連接逐漸引發(fā)關(guān)注。攪拌摩擦連接技術(shù)（Friction stir joining，簡稱FSJ）是一種固相連接技術(shù)，通過高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭插入到連接兩塊板材的中間，并通過攪拌頭軸肩的擠壓以及攪拌頭的前進(jìn)在連接區(qū)實(shí)現(xiàn)半熔化狀態(tài)（溫度僅為材料熔點(diǎn)2/3）下連接。現(xiàn)階段從事異種鋁合金攪拌摩擦連接研究的人員越來越多。Kumar 等通過對AA6061 和A6082 攪拌摩擦連接的溫度變化和力學(xué)性能相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化分析，其結(jié)果表明連接接頭的抗拉強(qiáng)度隨刀具轉(zhuǎn)速的增加而增加[1]。張翅超基于響應(yīng)面法對鈦鋁異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝參數(shù)優(yōu)化，建立了焊接工藝參數(shù)與拉剪斷裂載荷的二階響應(yīng)模型，研究了工藝參數(shù)對接頭拉剪斷裂載荷的影響，并通過工藝參數(shù)優(yōu)化預(yù)測了點(diǎn)焊接頭的拉剪斷裂載荷，所建立的模型較為準(zhǔn)確，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值的平均誤差約為2.41%[2]。Shunmugasundaram 等采用正交試驗(yàn)方案，開展AA6063和AA5052異種鋁合金之間連接并對工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化[3]。結(jié)果表明在攪拌頭轉(zhuǎn)速為850r/min，焊接速度為20mm/min，攪拌頭傾斜角度為2°時(shí)，焊接接頭抗拉強(qiáng)度最大。高崇等對比了不同焊接速度條件（100～400mm/min）下3mm厚的5754鋁合金板材FSW 接頭的性能，隨著焊接速度增加，拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率先增加而后降低，當(dāng)焊接速度為300mm/min 時(shí)，攪拌針區(qū)面積達(dá)到最大值，強(qiáng)度系數(shù)達(dá)到最大值的97.5%[4]。Nansaarng 等對1100/6063 異種鋁合金進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同攪拌頭前進(jìn)速度會導(dǎo)致連接區(qū)顯微硬度不同[5]。Hema 等在6061/2014 異種鋁合金的連接試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度、顯微硬度受前進(jìn)速度的影響大于攪拌頭速度[6]。Guo等發(fā)現(xiàn)在合適的范圍內(nèi)過高或過低的下壓量，會導(dǎo)致宏觀缺陷的產(chǎn)生，如溝槽、隧道或孔洞等缺陷[7]。Muhayat等發(fā)現(xiàn)較高的下壓量可以消除部分宏觀缺陷，并在一定程度上提高攪拌摩擦熱輸入，消除連接缺陷[8]。基于上述依據(jù)，擬開展對10mm 厚的2A12/6061異種鋁合金板進(jìn)行FSJ實(shí)驗(yàn)，分析在不同F(xiàn)SJ 工藝參數(shù)對連接區(qū)力學(xué)性能的影響規(guī)律，為實(shí)際工程應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)設(shè)備

選擇50×100×10mm 的2A12/6061 異種鋁合金冷軋板作為攪拌摩擦連接的實(shí)驗(yàn)材料，其化學(xué)成分及力學(xué)性能如表1、表2所示。

表1 6061和2A12化學(xué)成分表（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）

表2 6061-T6和2A12-T4力學(xué)性能

試驗(yàn)所采用的攪拌摩擦連接設(shè)備型號為賽福斯特公司生產(chǎn)的FSW-LM-A10 型攪拌摩擦連接機(jī)床。所采用攪拌頭軸肩直徑為24mm，攪拌針長度為9.6mm，攪拌針為錐形螺紋攪拌針。在進(jìn)行攪拌摩擦連接之前采用砂紙將待連接區(qū)域打磨去除氧化層，之后使用無水乙醇對表面進(jìn)行擦洗，待其晾干后放置于工作臺進(jìn)行裝夾準(zhǔn)備。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)選取攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度（rpm）、連接速度（mm/min）、下壓量（mm）作為線響應(yīng)面試驗(yàn)的3 個(gè)因素，以連接區(qū)抗拉強(qiáng)度作為響應(yīng)值，采用CCD 方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，得到3因素5水平共20個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，具體試驗(yàn)方案如表3 所示。試驗(yàn)過程中，6061 始終保持在后退側(cè)，2A12始終保持在前進(jìn)側(cè)。

表3 設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)際和編碼水平

2 響應(yīng)面試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

在攪拌摩擦連接機(jī)床上進(jìn)行試驗(yàn)，板材連接好后利用線切割機(jī)在連接區(qū)域切割相應(yīng)的試樣，使用砂紙對試樣表面進(jìn)行打磨去除連接痕跡后，在WAW-1000 萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，拉伸參數(shù)及結(jié)果如表4所示。

表4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

采用Minitab Statistical Software 統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行f值和p值檢測確定各項(xiàng)系數(shù)在95%置信水平是否具有顯著性影響，并通過方差分析（ANOVA）方法進(jìn)行回歸模型及其系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)，以及失擬程度檢測，根據(jù)表4測試的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，推導(dǎo)出二階項(xiàng)式回歸模型的系數(shù)，二次方差模型回歸分析結(jié)果如表5所示。

表5 二次方差模型回歸分析

響應(yīng)面優(yōu)化數(shù)學(xué)模型主要由參數(shù)主效應(yīng)和交互效應(yīng)的二階多項(xiàng)式回歸模型組成，建立FSJ 工藝參數(shù)與接頭抗拉強(qiáng)度之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。響應(yīng)函數(shù)為工具旋轉(zhuǎn)速度（A）、焊接速度（B）和下壓量（C）的函數(shù)，可以表示為：

應(yīng)用二階多項(xiàng)式回歸方程表示k個(gè)因子的響應(yīng)面Y為：

其中，Y為響應(yīng)面，er為觀測到的誤差，bo為響應(yīng)的平均值，bi、bii和bij分別為一次項(xiàng)、二次項(xiàng)和交互項(xiàng)系數(shù)，這些系數(shù)采用以下公式進(jìn)行計(jì)算。

采用3 個(gè)連接工藝參數(shù)建立的多項(xiàng)式可以表示為：

使用Minitab Statistical Software 軟件繪制等高線圖及三維立體圖形，固定單一工藝參數(shù)情況下對另外兩個(gè)工藝參數(shù)之間的相互作用進(jìn)行分析，并排出響應(yīng)值較低的雙因子交互相項(xiàng)，通過和交互項(xiàng)之間的響應(yīng)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型，并驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的擬合程度，基于編碼因子計(jì)算出連接區(qū)抗拉強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，具體如公式（8）。

2.2 數(shù)學(xué)模型與精度檢驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)殘差的正態(tài)分布與獨(dú)立性

使用正態(tài)概率分布圖校驗(yàn)與模型相關(guān)殘差的正態(tài)性，如圖1 所示為抗拉強(qiáng)度的殘差正態(tài)概率分布圖，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)殘差均分布于直線附近，表面殘差符合正態(tài)分布法相關(guān)特性，試驗(yàn)結(jié)果滿足正態(tài)性假設(shè)。

圖1 殘差的正態(tài)概率分布圖

為驗(yàn)證所建數(shù)學(xué)模型的正確性，每組連接工藝參數(shù)連接后的接頭測試3 次，確定每組抗拉強(qiáng)度的平均值作為實(shí)際值。預(yù)測值與試驗(yàn)值的關(guān)系如圖2所示，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)均在擬合值周邊分布于，因此預(yù)測值與試驗(yàn)值較為接近。

圖2 預(yù)測值和實(shí)際值分布圖

2.2.2 連接工藝參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的影響

在連接過程中，主要熱源來源于攪拌頭軸肩與待焊板材之間摩擦，且下壓量增大會影響軸向力大小的改變，因此下壓量增加會產(chǎn)生更多的摩擦熱。攪拌頭旋轉(zhuǎn)不僅會影響摩擦熱量的產(chǎn)生還承擔(dān)破碎并混合待連接區(qū)域的作用，連接速度影響連接過程中單位距離內(nèi)攪拌頭工作時(shí)間，對于攪拌頭與待焊板材之間的熱量產(chǎn)生以及熱傳導(dǎo)均有一定影響。由于上述原因，此3 種連接工藝參數(shù)對連接區(qū)質(zhì)量有著十分重要的影響，且3者存在一定的交互作用，因此對該3種工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

連接參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的交互作用圖如圖3 所示，圖3（a）和（b）為抗拉強(qiáng)度與前進(jìn)速度、攪拌頭轉(zhuǎn)速的等值線圖和曲面圖，其等值線圖呈橢圓形，曲面圖攪拌頭轉(zhuǎn)速方向上的曲率更大，該兩種工藝參數(shù)中攪拌頭轉(zhuǎn)速對連接區(qū)抗拉強(qiáng)度的影響較大。圖3（c）和（d）為抗拉強(qiáng)度與下壓量、轉(zhuǎn)速等值線圖和曲面圖，等值線圖中圖形呈圓形，曲面圖中曲面呈較為圓滑的曲面，該兩種工藝參數(shù)對于抗拉強(qiáng)度的相應(yīng)程度相似，均能產(chǎn)生較大影響。結(jié)合圖3（a）、（b）、（e）、（f）可知前進(jìn)速度對抗拉強(qiáng)度的影響小于下壓量及轉(zhuǎn)速。3 對工藝參數(shù)的等值線及曲面圖都呈現(xiàn)出明顯的上升及下降趨勢，其中下壓量與攪拌頭轉(zhuǎn)速的曲面圖曲率更為明顯，代表該兩種參數(shù)度對抗拉強(qiáng)度影響更大。隨著工具旋轉(zhuǎn)速度、連接速度和下壓量的增加，抗拉強(qiáng)度逐漸升高到最大值，隨后下降。攪拌摩擦熱輸入較高的工藝參數(shù)組合會導(dǎo)致連接區(qū)中心晶粒尺寸增加，熱影響區(qū)及熱機(jī)械影響區(qū)的，沉淀相發(fā)生粗化和溶解，使接頭性能降低。較低攪拌摩擦熱輸入的工藝參數(shù)組合，會使材料無法充分流動，導(dǎo)致連接區(qū)易產(chǎn)生缺陷。在拉伸試驗(yàn)中，缺陷是斷裂開始的主要部位，缺陷極大地影響了抗拉強(qiáng)度，致使其顯著降低。

圖3 連接參數(shù)對抗拉強(qiáng)度的交互作用圖

2.3 工藝優(yōu)化

利用響應(yīng)面法在分析連接參數(shù)對連接區(qū)抗拉強(qiáng)度影響趨勢的同時(shí)，還可以通過Minitab Statistical Software 求解中擬合出的三元二次方程得到最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明在本研究給定的參數(shù)范圍內(nèi)，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為588rpm、連接速度為459mm/min、軸肩下壓量為0.184mm 的條件下抗拉強(qiáng)度取得極大值擬合的預(yù)測區(qū)間為243Mpa 到253Mpa 之間。進(jìn)行最佳工藝條件下異種鋁合金攪拌摩擦連接試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)測得抗拉強(qiáng)度結(jié)果為252Mpa，其拉伸測試結(jié)果如圖4 所示，與軟件模擬結(jié)果基本相同。

圖4 最佳工藝參數(shù)下抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果

3 結(jié) 論

1.構(gòu)建了2A12/6061 異種鋁合金FSJ 工藝參數(shù)（攪拌頭轉(zhuǎn)速、連接速度、下壓量）與抗拉強(qiáng)度的數(shù)學(xué)模型，并通過方差分析來分析模型顯著性。

2.在攪拌頭轉(zhuǎn)速、連接速度、下壓量對接頭抗拉強(qiáng)度影響中，連接速度對接頭力學(xué)性能影響較小，攪拌頭轉(zhuǎn)速與下壓量對其作用能力相當(dāng)。

3.通過建立的數(shù)學(xué)模型對工藝參數(shù)進(jìn)行最優(yōu)化分析得：當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速（A）、連接速度（B）、下壓量（C）分別為590rpm、460mm/min、0.184mm 時(shí)抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值252MPa，處于數(shù)學(xué)模型預(yù)測區(qū)間。