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2017 铝合金搅拌摩擦焊接头焊接
参数和硬化参数的关系
Hassen BOUZAIENE, Mohamed-Ali REZGUI, Mahfoudh AYADI, Ali ZGHAL
摘 要：对 2017 铝合金进行搅拌摩擦焊接，表述 Swift 硬化规律的实验研究。采用面心复合设计的方法进行焊接接头的拉伸实验设计。采用基于最小二乘法和响应面法两种识别模型评估搅拌摩擦焊各焊接因素对硬化参数的影响，这两种模型被带入到有限元程序 Abaqus 来模拟焊接接头拉伸测试结果。实验结果与拉伸数值模拟结果的相对平均偏差准则表明，实验结果与预测硬化模型吻合较好。这些结果能用于实验多目标优化，实行具体焊接或完成搅拌摩擦焊接零件成形过程中塑性变形的数值模拟，如液压成形、弯曲度和锻造。
关键词：搅拌摩擦焊接；响应面方法；面心复合设计；硬化；模拟；相对平均偏差判据
1 引言
搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所(TWI)于1991年10月提出的发明专利,目的是改进铝合金焊接接头的质量。搅拌摩擦焊(FSW)是一种固态连接过程，因此系统地开发了材料难以焊接的焊接，然后扩展到不同的材料焊接，以及水下焊接。这是一个连续的、自动的过程。它利用一个旋转的搅拌针沿着接头表面移动，轴肩提供焊缝塑性变形的热量。
整个过程完全机械化，因此焊接操作和焊接热量需要得到精确控制。根据相同的焊接参数，焊接接头一端到另一端的质量也应该是完全相同的。
根据近似模型表明，将搅拌摩擦焊的塑性变形与金属切削过程进行了对比，可以将搅拌摩擦焊(FSW)视作为锻造和挤压过程。在搅拌摩擦焊的主要变形区，特别是在搅拌针附近，可以视为是一个简单的剪切过程，并平行于焊头表面。当搅拌针伸入工件的接缝中时，旋转搅拌针与工件之间的摩擦热使材料处于融化状态，有利于在热机械影响区域内的搅拌过程，造成大的塑性变形，从而改变了微观和宏观的结构，也改变了多晶材料的性能。
焊接区域非均匀结构的力学行为模型的发展是基于复合材料的处理方法，因此它必须考虑到与不同焊接区域相关联的材料特性。通过对横向应变和纵向应变与焊接方向的比较，研究了搅拌摩擦焊的整体力学性能。同时还建立了有限元模型，研究了搅拌摩擦焊(FSW)的流态和残余应力。在所有这些模型的基础上，进行了数值模拟，以研究焊接参数和焊头几何形状对焊接材料的影响，以预测各种形状零件加工过程的可行性。然而，搅拌摩擦焊(FSW)过程的大多数优化研究都是在不与FSW参数相连接的情况下进行的。
在目前的研究中，从实验和建模的角度来看，对2017铝合金搅拌摩擦焊(FSW)焊接的力学性能进行拉伸试验和焊缝方向的纵向比较研究。根据搅拌摩擦焊参数确定Swift硬化规律的材料参数，可以预测和优化搅拌摩擦焊在实际应用中的力学性能。所采取的方法是基于响应面法（RSM），以面心复合设计的方法来拟合Swift硬化规律材料参数的经验模型。响应面法（RSM）是一个数学和统计技术的集合，用于建模和分析问题，其中引起响应的因素受多个变量的影响，其目标是优化这种响应。通过对方差分析(ANOVA)的诊断检验，如序列F检验、缺乏拟合(LoF)检验、确定系数、调整系数等来选择合适的模型。
2 实验设计
2.1 焊接过程
选择用于研究的2017铝合金具有良好的机械性能（表1），优良的可加工性和成形性，主要用于高强度和适合于重型结构件的一般机械应用。
表1 2017铝合金的力学性能
|
抗拉强度/ MPa |
屈服强度/ MPa |
伸长率/ % |
维氏硬度 |
|
427 |
276 |
22 |
118 |
本研究中使用的实验装置是在Kef技术研究所(突尼斯)设计的。一个7.5KW的动力万能轧机（Momac模型），转速为5至1700 r/min，焊接进给速度为16至1080 mm / min。6mm厚度的2017铝合金板被加工切成250mmtimes;90mm的矩形焊接样品。用两个铝合金样品进行焊接试验，沿着他们较大的边缘对接，固定在夹具上，然后装夹在铣床上。
为保证搅拌摩擦焊工艺的重复性，对焊接过程中各焊接板的夹紧力矩和平面度有一定要求。焊接操作结束时，在搅拌针退出和焊接件的提取之前，应遵守80秒左右的原则。
在本次实验研究中，为了筛选出三个影响因素，如焊头转速N、焊头焊接进给量f和直径比r，将从强度系数（K）、初始屈服应变（）和硬化指数（n）等考虑三个因素对硬化参数的影响。搅拌针直径（d）与轴肩直径（D）的比值（r＝D／d），是为了优化焊头的几何形状。焊接工具是用高合金钢制造的（图1）。
图1 FSW几何参数
为了确定每个因素对焊接的影响，进行了初步的焊接测试。对焊接后的表面要求是通过对焊接接头外部形态和截面的目视检查而定的，应避免表面不规则、毛边过多、焊透或表面损伤等宏观缺陷。然而，在这些限制中，不确定是否有一个正常的焊接接头，但它们在避免缺陷方面显示了很大的潜力。图2显示了在为每个因素建立的极限水平之上观察到的一些外部宏观缺陷。表2列出了各因素以及权重，表3显示了焊接测试成功所需其他因素的要求。
图2 宏观缺陷类型
表2 FSW过程参数的要求
|
因素 |
低水平（-1） |
原点（0） |
高水平（ 1） |
|
N/（） |
653 |
910 |
1280 |
|
F/（mm） |
67 |
86 |
109 |
|
r/% |
33 |
39 |
44 |
表3 焊接参数
|
搅拌针高/ mm |
轴肩直径/ mm |
搅拌针直径/ mm |
倾斜角度/ （°） |
轴肩深度/ mm |
|
5.3 |
18 |
4 |
3 |
0.78 |
采用以RSM为中心的面心复合设计方法，用三个因素确定硬化参数，从而表述焊接接头的性质。这个设计方法的重点是每个面阶乘的中心(alpha;=plusmn;1)，所有的因素都被考虑在这三个层次中：minus;1，0， 1的编码值(表4)。方案以随机的方式进行，以避免系统误差。
2.2拉伸试验
拉伸试验是Testometri的万能试验机FS--300 KN进行的。拉伸试样(ASME E8Mminus;04)描述搅拌摩擦焊接头减少了焊缝上纵向的机械行为，因此活跃区主要在中央焊缝区(图3)。表4显示了根据2017铝合金的搅拌摩擦焊参数设计的实验和数据特征。图4为断裂后拉伸试样。最后，根据Swift硬化法，对搅拌摩擦焊接头(k，，n)的硬化参数进行了实验总结：
(1)
需要这些参数来确定搅拌摩擦焊接头的塑性变形能力，还需要在焊接样板上进行成形操作的数值模拟。根据应力-应变曲线数据，用最小二乘法计算硬化参数。表4显示了2017铝合金的搅拌摩擦焊参数的实验设计和数据特征。
表4 2017铝合金搅拌摩擦焊的面心复合设计
|
类型 |
序数 |
因素等级 |
硬化参数 |
|||||||
|
组合 |
参数 |
|||||||||
|
N |
F |
r |
F/(mm) |
r/ % |
k/ MPa |
n |
/ % |
|||
|
析因设计 |
1 |
-1 |
-1 |
-1 |
653 |
67 |
33 |
629.7 |
0.3296 |
0.0020 |
|
2 |
1 |
-1 |
-1 |
1280 |
67 |
33 |
654.7 |
0.4514 |
0.0035 |
|
|
3 |
-1 |
1 |
-1 |
653 |
109 |
33 |
587.8 |
0.3712 |
0.0025 |
|
|
4 |
1 |
1 |
-1 |
1280 |
109 |
33 |
689.2 |
0.4856 |
0.0055 |
|
|
5 |
-1 |
-1 |
1 |
653 |
109 |
44 |
642.3 |
0.4524 |
0.0025 |
|
|
6 |
1 |
-1 |
1 |
1280 |
86 |
44 |
218.6 |
0.2447 |
0.0015 |
|
|
7 |
-1 |
1 |
1 |
653 |
86 |
44 |
685.5 |
0.4885 |
0.0035 |
|
|
8 |
1 |
1 |
1 |
1280 |
109 |
44 |
332.5 |
0.3405 |
0.0020 |
|
|
主要点 |
9 |
0 |
0 |
0 |
910 |
86 |
39 |
624.9 |
0.4257 |
0.0025 |
|
10 |
0 |
0 |
0 |
910 |
86 |
39 |
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