基于数学模型的热处理铝合金水下搅拌摩擦焊接参数优化

刘晓春，赵　欢

（南昌理工学院，江西南昌330044）

基于数学模型的热处理铝合金水下搅拌摩擦焊接参数优化

刘晓春，赵欢

（南昌理工学院，江西南昌330044）

在热处理铝合金搅拌摩擦焊接中，焊接热循环会使接头局部软化，降低接头性能。水下搅拌焊接技术已被证明可以提高接头强度。为了获得最佳水下搅拌摩擦焊接工艺条件，建立了2219-T6铝合金水下搅拌摩擦焊接数学模型，最大限度地来优化焊接参数。结果表明，水下搅拌摩擦焊接接头可以达到360 MPa的抗拉强度，远高于正常焊接条件下的抗拉强度。

铝合金；搅拌摩擦焊接；机械性能

1　简介

由于优良的比强度性能，热处理铝合金广泛应用于航空和航天工程。搅拌摩擦焊接是一种固态的焊接工艺，特别适用于铝合金焊缝很难融合的真空焊接领域[1]。关于热处理铝合金的搅拌摩擦焊接，在热循环过程中粗大的晶粒会从接头处析出或溶解使得机械性能增强[2]。近几年，通过控制温度来提高焊接性能一直是人们关注的重点。因为水冷具有优异的冷却效果，广泛应用于搅拌摩擦焊接过程中。有研究表明[3]，使用7075-T6铝合金进行搅拌摩擦焊接，在焊接过程中水流过试件上表面，接头的拉伸强度得到一定程度的提高。为了充分利用水的吸热能力，本研究利用2219-T6铝合金在水下进行搅拌摩擦焊接，在焊接过程中，将整个工件浸没在水中。结果表明，水下焊接的接头拉伸强度高于普通焊接条件下接头的拉伸强度。

对于普通的搅拌摩擦焊接，以往研究已经非常重视外部冷却水对强度提高的作用。从应用的观点出发，这对于优化搅拌摩擦焊接冷却效果，获得最大程度上的机械性能是非常重要的。通过研究2219-T6铝合金的水下焊接，建立了数学模型来预测接头处的抗拉强度。利用该模型优化焊接参数进行优化，使其最大程度上提高水下焊接接头的抗拉强度，并为水下搅拌摩擦焊接性能预测提供理论依据。

2　试验过程

试验材料采用7.5mm厚的2219-T6铝合金板，其化学元素成分和机械性能见表1。将铝合金板加工成300 mm×100 mm的矩形焊接试件。使用丙酮清洗后，将试件放在容器中的垫板上，向容器中导入室温的水，浸没整个试件。水下搅拌摩擦焊接示意如图1所示。使用搅拌摩擦焊接设备（FSW-3LM-003）对试件在水下进行纵向焊接。已证实刀具的几何形状、旋转速度和插入深度是影响搅拌摩擦焊接接头机械性能的主要因素；以往的研究表明，使用肩部直径22.5 mm和7.4 mm长的搅拌针能够使所选材料在搅拌摩擦焊接工艺下生成没有缺陷的焊缝[4]。本实验将使用此种搅拌针。通过实验来确定旋转速度、焊接速度和轴肩插入深度的最佳参数。确定的焊接参数范围如表2所示。

表1　2219-T6铝合金的化学元素成分和机械性能

图1　水下搅拌摩擦焊接示意

表2　焊接参数和等级设置

通过Box-Behnken实验设计方案，采用3级3因子实验找到了响应（拉伸强度）和变量（焊接参数）之间的关系。该模型的优点是允许使用相对较少的变量组合确定复杂的响应函数[5]。变量的级别为1（低），0（中间点）和1（高）（见表2）。一共设计了15组实验，实际模型和结果如表3所示。水下的搅拌摩擦焊接实验通过这些设计来实现，实验中应用K型热电偶来保证搅拌摩擦焊接过程中试件的温度。所测量的位置在热量的影响范围内（HAZ，从焊接中心6 mm范围内），然后延伸到该金属试件沿宽度方向的中间位置。焊接完成后，将试件从接头处横向切开。拉伸试样按国家标准GB/T2651-2008制备。在室温下，通过计算机控制实验设备以1mm/min的速度进行拉伸实验。通过在同一接头处取的三个拉伸试件来确定该接头的性能。拉伸实验结束后，利用光学显微镜（OM，Olympus-MPG3）和扫描电子显微镜（SEM，Hitachi-S4700）对接头进行断裂特性分析。并且利用专门设计的软件对数学模型和一系列的统计进行分析。

表3　Box-Behnken的设计模型和实验结果

利用透射电子显微镜（TEM）对接头的细节进行分析。在热力影响区域内和焊接体中间厚度的基点平行于焊缝方向切成金属薄片样本。这些样本首先进行机械加工然后再进行手工抛光，使其厚度达到100 μm，最后进行电解抛光。

3　结果和讨论

3.1数学模型的建立

三个变量二次方程中的y可表示为

式中b0为常数项；bi为一次项系数；bii为二次项系数；bij为交差项系数。本研究中，该方程表示为拉伸强度（TS）是旋转速度（ω）、焊接速度（v）和轴肩插入深度（p）的函数，因此该方程可以表示为

拉伸强度试验结果如表3所示。通过对设计矩阵和方程式结果进行多元回归分析，建立了二阶多项式方程

用方差分析来检查方程中的重要项（见表4）。这个模型给出了一个精确的F值，表明该模型充分代表了实际的响应和变量之间的关系。很明显每个模型中p<0.05，表明ω、v、ω2v2、p2这些系数非常符合这个模型。提出了一种决定系数0.96（R2）和调整的决定系数0.89（调整后-R2），这意味着实验和预测结果之间有很高的相关性。

表4　二阶多项式方程方差分析

设计这个模型有两个作用：

（1）在本方案范围内，任何参数的结合都能够通过该数学模型来预测接头的性能。

（2）水下搅拌摩擦焊接工艺的优化可以通过该模型来进行。

3.2焊接工艺参数对拉伸强度的影响

优化之前有必要阐明焊接参数对拉伸强度的影响。为此，基于该模型设定了中间水平参数和其他两个参数作为变量画出了三维响应面图和等高线图，如图2所示。在焊接速度和轴肩插入深度一定的条件下，随着旋转速度的增加，抗拉强度先增加到一个最大值后减小（见图2a～图2d）。由于搅拌针搅拌作用不足，使得在低转速下抗拉强度较低，在一定范围内增加旋转速度可以提高拉伸强度。但是，当旋转速度增加到一个很大的值后，其产生的热量就会成为主要的热量输入，反而降低拉伸强度。这就是为什么当速度接近1 000 r/min时能得到较高的抗拉强度。

在一定的旋转速度和轴肩插入深度时，随着焊接速度的增加，抗拉强度会达到一个确定的值，继续增加焊接速度，抗拉强度基本保持不变（见图2a、2b和2e、2f）。较低的焊接速度会使得大量的热量传入到焊接样品中，严重影响接头处的机械性能。当焊接速度进一步增加，温度循环对接头性能的影响会降低，拉伸强度提高。因此，相对较高的焊接速度（200 mm/min）有利于形成高质量的水下接头。

转速和焊接速度一定时，随着轴肩插入深度的增加抗拉强度的变化趋势与转速变化时的趋势类似，即先增加到一个最大值然后降低（见表2c～2f）。但是，相对于改变转速而言，改变轴肩插入深度并不能使抗拉强度产生较大的变化。在一定范围内增加轴肩插入深度能够增强金属的锻造性和提高金属的混合程度和相互扩散性，这样能够使强度提高。如果设定一个相当大的肩插入深度，导入到工件中的热量就会使强化后的析出物溶解而降低拉伸强度的降低。试验可知，肩插入深度接近0.3 mm时能够获得较高的拉伸强度。

3.3焊接工艺参数优化

图2　响应面图及其分别对应的等高线

在任何两个变量和相应函数构成的响应面曲线中都能观察到一个最大值点，这表明实验范围内抗拉强度有一个最大值。通过分析响应面曲线和等高线，能够获得最佳的焊接参数和和最大的拉伸强度如表5所示。为了证明该过程的有效性，水下搅拌摩擦焊接将会使用优化的焊接参数。实验结果跟预测值表现出高度的一致性。在转速600r/min、焊接速度200 mm/min、肩插入深度0.3 mm的焊接条件下，利用普通的搅拌摩擦焊，可获得最高强度330 MPa的接头。焊接参数相同，采用水下搅拌摩擦焊能够获得强度360 MPa接头，比普通的搅拌摩擦焊接得到的强度高9％。

表5　最佳焊接参数和最大拉伸强度

3.4水下搅拌摩擦焊接提高强度的原因分析

为了准确地了解水下搅拌摩擦焊接提高强度的原因，详细分析了普通条件和水下搅拌摩擦焊接中得到的最佳的接头。

从图3的焊接热循环中可知，最佳水下接头实验的最高温度低于普通条件下接头的最高温度。此外，最佳的水下接头具有更高的加热和冷却速度，使给定的温度在接头处停留更短。这就意味着在搅拌摩擦焊接中用水冷却有效的控制了此过程中温度的变化。溶质原子的扩散受到限制，这使得搅拌摩擦焊接期间沉淀劣化程度降低，如图4所示。

图3　最佳接头的温度变化过程

两个接头的断裂特性如图5所示。普通焊接接头的断裂面靠近机械热影响区（TMAZ）和热影响区（HAZ）（见图5a）。与其相反，水下搅拌摩擦焊接接头断裂界面通过焊接区域，接近焊接中心。断裂位置的变化进一步证明了材料软化的减少。图5c中大的凹陷反映出，靠近机械热影响区和热影响区晶粒明显增大；与之相反，图5d中的凹陷表示的是典型的焊接晶粒的结构。

之前的研究还发现，对于外部冷却液对搅拌摩擦焊接接头的强度提高有积极的影响。然而，在搅拌摩擦焊接的过程中进行冷却所得到的参数跟普通条件下搅拌摩擦焊接的参数相同。通过外部液体的冷却，可以使用于搅拌摩擦焊接的热处理铝合金接头的机械性能得到提高。进行搅拌摩擦焊接的过程中，冷却水尽可能多的限制工件附近的热量传入接头中。因此跟普通搅拌摩擦焊接条件相比，能够进一步减小由于热循环对接头局部微小结构的影响。通过水下搅拌摩擦焊接能够获得具有良好拉伸性能的接头。

4　结论

（1）通过2219-T6铝合金水下搅拌摩擦焊接建立拉伸强度和焊接参数之间的数学模型，用于预测接头拉伸强度。方差分析表明，旋转速度和焊接强度是影响拉伸强度的主要参数。

（2）分析建立的模型，明确影响水下接头拉伸强度的焊接参数，分析影响这些因素的内在原因。

（3）最佳结果表明，实验证实水下搅拌摩擦焊接能够使接头最高强度达到360 MPa，这个值比普通条件下搅拌摩擦焊接的最大值高9％。水下搅拌摩擦焊接温度控制和微观结构的改变是强度增加的主要因素。

[1]杨景宏，张欣盟，夏常青，等.6082-T6铝合金厚板的搅拌摩擦焊[J].焊接，2013（05）：25-28+69.

[2]傅志红，贺地求，周鹏展，等.7A52铝合金搅拌摩擦焊焊缝的组织分析[J].焊接学报，2010（03）：65-68+116.

[3]李志刚，贾慧芳，李刚，等.水下焊接稳弧装置的磁场及其双流道流场[J].电焊机，2014，44（03）：55-59.

[4]黄华，董仕节，刘静，等.搅拌摩擦焊在车船制造中的应用[J].有色金属，2011（04）：22-25.

[5]沈洋，何晓梅，吕爽，等.搅拌摩擦焊数值模拟的现状[J].材料导报，2012（03）：223-225+229.

Parameters optimizations of underwater friction stir welding for heat-treated aluminum alloy based on mathematical model

LIU Xiaochun，ZHAO Huan
（NanchangligongUniversity，Nanchang330044，China）

In the friction stir welding(FSW)process of heat-treated aluminum alloy，the welding thermal cycle can soften part of joints and thus lead to joint performance degradation.Relative to the common joints，it has been proved that underwater welding technique can improve joint strength.In order to get the best underwater welding technique conditions，in the study of this paper a mathematical model of underwater friction stir welding for 2219-T6 aluminum alloy is established to optimize the welding parameters to the greatest extent.The results show that the underwater friction stir welding can achieve maximum tensile strength of 360 MPa，which is higher than the maximum tensile strength under normal welding condition.

aluminum alloy；friction stir welding；mechanical property

图4　在基体和热影响区内的沉淀分布

TG453+.9

A

1001－2303（2015）11－0040-06

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.08

2015-03-25

刘晓春（1980—），男，江西泰和人，讲师，硕士，主要从事数学建模、应用数学的研究工作。