Study and Optimization of FSW Process for 6082-T6 Aluminum Alloy Via Tapered Thread Pin With Triple Milling Facets

6082-T6铝合金三铣平面螺纹锥形针FSW工艺研究及优化 Study and Optimization of FSW Process for 6082-T6 Aluminum Alloy Via Tapered Thread Pin With Triple Milling Facets first-author 李朔晗（1977—），女，学士，主要从事金属焊接研究。 李朔晗（1977—），女，学士，主要从事金属焊接研究。 corresp 李　充（1991—），男，硕士研究生；主要从事轨道车辆焊接技术的研究。E-mail：lichong@rtte.con。 李　充（1991—），男，硕士研究生；主要从事轨道车辆焊接技术的研究。E-mail：lichong@rtte.con。 lichong@rtte.con 河北京车轨道交通车辆装备有限公司，河北 保定 072150 河北京车轨道交通车辆装备有限公司，河北 保定 072150 Hebei Jingche Rail Transit Vehicle Equipment Co., Ltd., Baoding 072150, China Hebei Jingche Rail Transit Vehicle Equipment Co., Ltd., Baoding 072150, China 针对6082-T6铝合金三铣平面螺纹锥形针FSW进行工艺研究及优化，基于Hexagonal Design响应面法，建立数学模型并进行工艺参数的优化。工艺参数对接头拉伸性能有明显的影响，其中旋转速度对其性能的影响更为显著。在保证焊缝无缺陷条件下，适当提高旋转速度和焊接速度，可得到性能最优的焊接接头，最佳工艺参数为旋转速度850 r/min，焊接速度650 mm/min，此时三铣平面螺纹锥形针可有效促进材料塑性流动，焊缝内部成形好且无明显缺陷，接头的抗拉强度达到257.29 MPa，断后伸长率达10.68%。 The study and optimization of FSW process for 6082-T6 aluminum alloy via triple milling plane thread conical needle was carried out. Based on the Hexagonal Design response surface method, the mathematical model was established and the process parameters were optimized. The tensile properties of the welded joints were obvious effected by the process parameters, especially the rotation speed. The best performances of the welded no defect joints were obtained by increasing the rotation speed and welding speed appropriately. The optimal technological parameters were rotation speed 850 rpm and welding speed 650 mm/min. The triple milling plane thread conical needle can effectively promote the plastic flow of the material. The weld was well formed without obvious defects. The tensile strength of the joint reached 257.29 MPa with the elongation of 10.68%. 搅拌摩擦焊 三铣平面螺纹锥形针 响应面法 接头性能 friction stir welding triple milling plane thread conical needle response surface method joint performance 前言 1 搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是一种新型固相焊接技术，其利用高速旋转的焊具与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部熔化，即处于热塑性状态 ［ 1 1 - 4 4 1-4 ］ 。当焊具沿着焊接界面向前移动时，处于热塑性状态的材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部流向后部，并在焊具的挤压作用下形成致密的固相焊缝 ［ 5 5 - 7 7 5-7 ］ 。在焊接过程中搅拌针的合理设计对FSW材料的流动行为以及焊接效果有重要的影响。 传统的搅拌针通常具有螺纹结构，以增加搅拌针与焊接材料的搅拌摩擦作用，增大产热量。三铣平面螺纹搅拌针是在螺纹结构的基础上加工出铣平面，能够更好地促进材料流动，有利于减少焊缝缺陷，获得无缺陷接头的最大化工艺窗口。Meng ［ 8 8 ］ 等人综述了不同类型的搅拌针对于FSW焊接的适用性，包括圆台形、锥形等，对比发现使用三铣平面螺纹锥形针可以有效促进材料在焊接过程中的流动；杨海峰 ［ 9 9 ］ 等人使用三铣平面螺纹针对2A14-T4铝合金T型接头进行静止轴肩焊接试验，该过程仅由搅拌针产热，但最终仍然得到优异焊缝成形；张俊林 ［ 10 10 ］ 等人使用带有三铣平面的螺纹锥形针对60 mm厚的5A06-H112铝合金进行FSW焊接，发现即使对于焊接阻抗较大的厚板，该种类型的搅拌针依然可以有效促进材料塑性流动，进而形成束腰状接头。对于工艺参数范围较大的三铣平面螺纹锥形针FSW工艺，焊接工艺参数的优化可以有效控制焊接过程中的热输入和材料塑性流变行为，优化焊缝成形与力学性能 ［ 11 11 - 12 12 11-12 ］ 。 本文针对6082-T6铝合金进行三铣平面螺纹锥形针FSW工艺研究及优化，在获得无明显缺陷接头的工艺参数的试验基础上，采用响应面法 ［ 13 13 - 14 14 13-14 ］ 建立数学模型，最终得到最优工艺参数。并通过试验最优参数下所获接头的成形状况、接头各区域组织及硬度分布和接头强度，验证三铣平面螺纹锥形针对6082-T6铝合金焊接时材料塑性流变的促进作用，有助于获得最佳性能的FSW接头。 试验方法 1 试验采用尺寸为250 mm×50 mm×2 mm的6082-T6铝合金，其抗拉强度和断后伸长率分别为342 MPa和17.32%，化学成分如 表1 表1 所示。搅拌针结构为三铣平面螺纹锥形，该结构可改变焊缝材料的塑性流动行为，该塑性流动模式为铣平面作用下的周向运动和螺纹作用下的纵向回流运动相结合方式。同时，轴肩处的环形凹槽可约束材料在剧烈塑变状态下的溢出行为，被挤出的材料可暂时存储在轴肩端面的环形凹槽处，避免材料外流，优化焊缝成形且进一步提高接头力学性能。搅拌头轴肩直径为12 mm，搅拌针长度为1.9 mm，具体结构及焊接过程如 图1 图1 所示。 Cu Si Fe Mn Mg Zn Cr Ti Al 0.15~0.4 0.4~0.8 ≤0.7 ≤0.15 0.8~1.2 ≤0.25 0.04~0.35 ≤0.15 余量 如 图2 图2 所示，本文采用光镜对弧纹形貌及高度进行测量分析，来判定不同参数下表面成形状况。分别采用800 r/min的转速及600 mm/min的焊速进行表面成形研究，宏观形貌均无明显缺陷，弧纹间隔均匀，焊缝整体成形较稳定。弧纹间距与焊具旋转速度呈负相关，即随旋转速度的增加，弧纹间距逐渐减小；弧纹间距与焊具行进速度呈正相关，即随行进速度的增加，弧纹间距逐渐增大。这是由于弧纹是由轴肩对热塑性材料周期性的顶锻作用导致的，当旋转速度较高时，以及行进速度较低时，焊缝热输入较大，塑化材料流动能力强，在每个旋转周期内回填的塑化材料量较大，因此弧纹高度相对较小。 1;2; 为了保证焊接质量，焊前使用砂纸对工件表面进行打磨以去除氧化膜，然后采用丙酮处理工件表面以去除油污。将工件沿长度方向固定在工作台上，采用对接方式实施焊接。FSW工艺参数选择为：焊接速度200~1 000 mm/min，旋转速度600~1 000 r/min，固定压入量0.05 mm，固定焊具倾角2°。焊后根据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》在垂直于焊缝方向的接头上选取拉伸试样，测量其拉伸强度及断后伸长率。 参数与性能之间的数学模型 1 数学优化方法 2 响应面法是指通过一系列确定性实验，用多项式函数来近似拟合隐式极限状态函数。通过合理选取试验点和迭代策略，来保证多项式函数能够在失效概率上收敛于真实的隐式极限状态函数。当真实的极限状态函数非线性程度不大时，线性响应面具有较高的近似精度。其中，Hexagonal Design（HD）是一种拟合二阶响应曲面的两影响因素响应面试验设计方法。其分别由5水平和3水平组成两个影响因素，其试验数据节点由六边形的六个顶点和中心点组合而成。为了对回归方程的拟合精度进行检验，通常要求中心点个数大于4。本研究采用中心点个数为4，试验总次数为10。为了消除各因素取值大小和单位对回归计算的影响，HD试验设计中对不同的因素和水平进行了编码处理。此外，HD的旋转性也使得编码空间在回归预测时获得高精度，有利于确定最优响应值。在二阶两水平响应面设计方法中，HD具有所需的试验次数相对较少，所有的试验点均落在安全操作区域内等优点。 数学模型的建立 2 利用Design-expert 11中HD模型构建响应面试验，设置确立模拟试验的两因素为主轴旋转速度 ω 、焊接速度 v 。在焊接速度200~1 000 mm/min，旋转速度600~1 000 r/min时，可得到无缺陷且成形良好的焊接接头，在该范围内进行各试验因素的水平设计如 表2 表2 所示。 2 焊接参数 2 因素 7 水平 -1 -0.866 -0.5 0 +0.5 +0.866 +1 焊接速度 v β 2 200 — 400 600 800 — 1000 旋转速度 ω β 1 — 600 — 800 — 1000 — 对设计的10组试验进行焊后拉伸试验，得到对应参数下的拉伸性能数据，各组试验参数、断后伸长率及抗拉强度如 表3 表3 所示。使用软件Design-Expert 11对抗拉强度 R m 及断后伸长率 A 进行回归分析，拟合出如下两个二次回归方程 式（1） 式（1） 、 式（2） 式（2） ： 2 序号 2 因素编码制 2 工艺参数 2 断后伸长率 A /% 2 抗拉强度 R m /MPa β 1 β 2 v /（mm·min -1 ） ω /（r·min -1 ） 01 1 0 1 000 800 9.80 247.93 02 0.5 -0.866 800 600 8.68 238.16 03 0 0 600 800 10.68 256.54 04 0 0 600 800 10.42 257.02 05 -0.5 -0.866 400 600 10.16 246.57 06 0 0 600 800 10.76 255.87 07 -1 0 200 800 9.12 255.28 08 0 0 600 800 10.22 255.32 09 -0.5 0.866 400 1 000 9.40 249.74 10 0.5 0.866 800 1 000 10.32 255.53 R m = 256.19-2.86 v+ 5.93 ω+ 8.20 vω+ 4.58 v 2 - 10.06 ω 2 A= 10.05 + 0.1333 v+ 0.2540 ω+ 1.39 vω -1.03 v 2 - 0.7950 ω 2 试验结果 1 数学模型方差分析 2 使用Design-Expert软件分析试验结果的方差，并对不同阶次拟合模型进行F检验，以评估每个阶次回归模型的显著性。对于给定的显著性水平α，当 F 值大于 F α （dft，dfe）， P 值小于α时，可以判断该项具有优异的显著性。使用二阶回归模型时， F 值最大， P 值低于显著性水平的1%，这表明二阶模型具有更高的显著性。设定显著性水平α的值为0.05，结果见 表4 表4 。可以看出，抗拉强度 R m 响应模型的 P 值为0.001 1，表明该模型显著性良好，即工艺参数与接头抗拉强度之间存在明显的回归关系。显然，焊接速度 v ，旋转速度 ω 、两因素交互项 vω ，平方项 v 2 、 ω 2 均显著影响接头的抗拉强度，并且焊接速度v的影响程度要明显高于旋转速度ω。此外，模型的失拟项的 P 值为0.081 2，表明其具有不显著性，即没有其他不可忽略的因素影响回归分析，验证了现有模型选择的合理性。断后延伸率 A 响应模型的 P 值为0.039 4，表明该模型显著且拟合良好。其中两因素交互项 vω 和平方项 v 2 、 ω 2 显著影响接头的延伸率。模型的失拟项的 P 值为0.115 1，说明现有模型的选择的合理性。通过该模型的建立，在已知10组参数的情况下，可以预测抗拉强度和断后伸长率的数值。同时，通过该数学模型可以获得最优的焊接参数以进行工艺试验研究，从而得到最佳的工艺参数和接头性能。 2 方差来源 2 平方和 2 自由度 2 均方差 2 F 检验 2 P 检验 R m A R m A R m A R m A R m A 模型 331.92 3.74 5 5 66.38 0.747 9 49.18 7.21 0.001 1 0.039 4 v 25.00 0.053 3 1 1 25.00 0.053 3 18.52 0.51 0.012 6 0.513 0 ω 105.47 0.193 6 1 1 105.47 0.193 6 78.14 1.87 0.000 9 0.243 7 vω 50.41 1.44 1 1 50.41 1.44 37.34 13.88 0.003 6 0.020 4 v 2 28.00 1.43 1 1 28.00 1.43 20.74 13.77 0.010 4 0.020 6 ω 2 134.83 0.842 7 1 1 134.83 0.842 7 99.88 8.12 0.000 6 0.046 4 残差 5.40 0.415 0 4 4 1.35 0.103 7 失拟项 3.73 0.256 3 1 1 3.73 0.256 3 6.70 4.84 0.081 2 0.115 1 纯误差 1.67 0.158 7 3 3 0.556 9 0.052 9 总和 337.32 4.15 9 9 图3 图3 、 图4 图4 分别显示了抗拉强度和断后延伸率试验各点的残差正态分布。可以看出，各点几乎呈线性分布，即残差具有良好的正态分布特征，进而说明通过预测所产生的误差是随机分布的，证实了预测结果的合理性。预测结果与试验结果的良好对应关系说明了所得到的二阶响应回归模型具有较高的预测精度，即建立的抗拉强度、断后延伸率与工艺参数的二阶响应模型具有较高精度，保证了在不同的工艺参数下进行抗拉强度和断后延伸率的预测具有可靠性。 1,2; 1,2; 工艺参数对拉伸性能的影响 2 图5 图5 为旋转速度和焊接速度的等高线图（4为中间参数重复试验4次，其余数值为抗拉强度）和三维示意图，显而易见，旋转速度和焊接速度两个因素及其交互作用对抗拉强度有显著影响。在旋转速度不变的情况下，随着焊接速度的增加，接头的抗拉强度先增大后减小，抗拉强度的最大值出现在较高的旋转速度处，因此当轴肩下压量和倾角均不变时，提高主轴旋转速度的同时适当提高焊接速度可以使接头抗拉强度提高，有利于提高焊接效率。这是由于当三铣平面螺纹锥形针用于FSW时，铣平面结构造成了材料塑性流动行为的改变，其所带来的动态流动效应可显著提高材料流动，同时减小热输入，焊接速度和旋转速度的适当提高可有效提高焊接热输入，进而得到高质量的焊缝成形和高的接头强度。而在设计的参数范围内，抗拉强度的最低值出现在旋转速度较高而焊接速度较低处，这表明过大的热输入会导致热影响区温度过高，难以控制晶粒再结晶尺寸，造成强度降低。另一处抗拉强度的较低值出现在旋转速度较低而焊接速度较高处，这表明过低的热输入会造成塑化材料未充分软化流动，导致焊接接头的抗拉强度显著降低。 1,2; 接头的断后伸长率是表征材料塑性的重要指标之一，直接影响接头的抗拉强度。如 图6 图6 所示，断后伸长率与抗拉强度具有基本一致的趋势，具体来说，当焊速过大时，材料热输入不足，即使三铣平面降低了塑性材料的流动阻力，依然难以形成高质量的成形接头；而当转速过大时，材料热输入过大，严重影响热影响区的晶粒尺寸及其分布，导致断后延伸率的抗拉强度均下降。 1,2; 综上所述，由于三铣平面螺纹搅拌针的应用，虽然优化了塑性材料的流动性，但是仍需与转速与焊速相匹配，适当的热输入可以避免产生缺陷 ［ 15 15 ］ ，并且也可获得较高的抗拉强度和断后延伸率。 最优工艺参数获取及其特征分析 2 通过求解极值点的方法进行优化，从而获得最佳的工艺参数。任意两个因素的响应面都对应着一个极大值，说明在所得响应关系式中存在极大值。结果如 表5 表5 所示，两者优化参数结果同时接近于850 r/min的旋转速度和650 mm/min的焊接速度，在此参数下对所得接头进行拉伸测试，接头拉伸试验结果与HD法优化结果十匹配良好，表明回归模型及其优化有较高的准确性。 2 最优工艺参数 4 接头拉伸性能 2 旋转速度 /（r·min -1 ） 2 焊接速度 /（mm·min -1 ） 2 抗拉强度 R m /MPa 2 断后延伸率 A /% 预测值 实验值 预测值 实验值 850 650 257.08 257.29 10.57 10.68 利用最优工艺参数进行特征表征，可得到6082-T6铝合金三铣平面螺纹锥形针FSW的高质量接头，其表面形貌如 图7 图7 所示。在相匹配的焊速与转速下，接头表面宏观成形优异，飞边较少，弧纹均匀稳定，无宏观缺陷。 接头宏观形貌如 图8 图8 所示，焊缝形貌呈碗状，顶部宽，底部窄且左右对称。在最优参数下，三铣平面充分发挥促进流动性的作用，塑化材料具有良好的流动性且热输入适中，焊缝内部成形良好，焊缝整体尺寸适中，未产生缺陷。 接头硬度分布如 图9 图9 所示，接头硬度曲线呈现“W”形，母材区硬度最高，热机影响区硬度最低，热影响区和焊核区硬度略微提升。三铣平面螺纹搅拌针导致焊缝材料具有良好的流动性，焊缝前进侧与后退侧硬度差异不明显，整体呈对称分布。 采用最优的工艺参数对三铣平面搅拌针FSW后接头及母材进行了拉伸试验，测试结果如 图10 图10 所示，最优参数下抗拉强度达到257.29 MPa，通过对断前断后长度的测量及计算，得到断后伸长率达到10.68%，表明三铣平面搅拌针的焊接效果优异。 因此，在最优旋转速度850 r/min与焊接速度650 mm/min下，焊缝宏观成形良好，前进侧与后退侧硬度基本呈对称分布，且抗拉强度与断后伸长率达到最优，表明了试验工艺力学性能的优异性，同时证明三铣平面螺纹搅拌针焊接6082-T6铝合金时，可产生促进材料流动的有益影响。 结论 1 （1）试验利用响应面法HD模型构建了6082-T6铝合金三铣平面螺纹锥形针FSW工艺参数（旋转速度、焊接速度）与抗拉强度及断后伸长率之间的数学关系，并得到了三铣平面螺纹锥形针FSW接头性能的预测模型。 （2）在最优参数下，三铣平面搅拌针充分发挥促进流动性的作用，塑化材料流动好且热输入适中，焊缝内部成形好，无缺陷，焊缝整体尺寸适中，硬度呈对称分布。 （3）在设计区间范围内提高旋转速度，并选取适当的焊接速度，可以有效的优化抗拉强度和断后伸长率。转动速度850 r/min、焊接速度650 mm/min时，接头的抗拉强度最大为257.29 MPa，断后伸长率为10.68%。 参考文献 高士康 ， 赵洪运 ， 李高辉 ， 等 . 铝基复合材料搅拌摩擦焊研究现状 ［J］. 材料导报 ， 2022 ， （ 24 ）： 1 - 19 . 铝基复合材料搅拌摩擦焊研究现状 GAO Shikang ， ZHAO Hongyun ， LI Gaohui ， et al . 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