搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用_高吉成.pdf

第 卷 第 期 年 月：搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用高吉成，裴启立，朱善清，焦俊科，夏鸿博（扬州大学 机械工程学院，江苏 扬州）摘 要：基于立式加工中心，搭建了用于铝合金等低熔点金属的搅拌摩擦焊实验教学平台，选用 铝合金与 铝合金开展焊接实验，分别对旋转速度为 、，焊接速度为、的焊接接头的表面成型、显微组织与力学性能进行了分析。结果表明，焊缝成型较好，焊核区硬度最高，热影响区硬度较低，在旋转速度 ，焊接速度 时接头的抗拉强度取得最大值，为 ，拉伸断口具有韧窝状特征，呈典型的韧性断裂。该实验平台可实现低熔点金属材料的有效焊接，同时可满足材料专业学生的焊接实验教学与科学研究的需求。关键词：实验教学平台；搅拌摩擦焊；铝合金中图分类号：|文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；中国博士后科学基金面上项目（）；扬州大学“课程思政”教学示范课程建设项目（）；扬州大学教学改革研究课题（）作者简介：高吉成（），男，河北衡水人，博士，副教授，主要从事搅拌摩擦焊及加工研究。：；：引 言搅拌摩擦焊（，）是由英国焊接研究所于 年发明的一种针对铝合金等低熔点金属材料的焊接技术。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊热输入少、焊接变形小、无气孔夹渣等缺陷，是一种绿色环保的先进焊接技术，近年来在交通运输、能源电子、船舶制造、航空航天等领域有着广泛的应用。第 卷近年来，高校焊接实验及实践教学主要集中在常规的熔化焊（如氩弧焊、气体保护焊等），先进焊接技术及焊接平台相对较少。部分高校针对先进焊接技术需求开展了搅拌摩擦焊实验。杨钢基于 专用设备开展了搅拌摩擦焊开放实验，通过对铝合金焊接接头微观组织和拉伸性能的分析，优化了焊接工艺参数。王希靖等研究了搅拌摩擦焊机控制器，该控制器基于变频调速技术的主轴旋转速度调节来保证设备运行的稳定性。吴功柱设计了搅拌摩擦焊实验平台，该平台主要包括焊接平台及测力平台等硬件设施及三向力监测系统与支撑软件等软件设计。张俊宝等设计了刚柔协作 搅拌摩擦焊机器人，相较于原设备具有更大的顶锻力与灵活性。目前，高校搅拌摩擦焊实验平台存在一定的问题，如设备偏向于商业化，尺寸过大，价格昂贵，对于高校教学科研而言一次性经费投入过大。针对上述问题，本文基于学生金工实习中立式加工中心的学习与实践，搭建了用于铝合金等低熔点金属材料的搅拌摩擦焊实验平台，并对 与 铝合金进行对接实验来验证实验平台的可行性。该平台可以完成铝合金等材料的焊接实验，满足工程教育专业认证对学生掌握先进焊接技术的教学和科研需求，提升学生的工程实践与创新能力。搅拌摩擦焊实验平台设计.搅拌摩擦焊基本原理搅拌摩擦焊原理如图 所示，焊接过程中，高速旋转的搅拌头缓慢扎入待焊工件，直至轴肩与工件上表面相接触，搅拌头与被焊材料之间摩擦产生的热量（主要热源）及材料搅拌产生的变形热将周围材料塑化，当搅拌头向前移动时，搅拌头前方的材料不断从前进侧（，）向后退侧（，）迁移，搅拌头后方的材料从 向 迁移来弥补搅拌针前进时留下的瞬时空腔，同时在搅拌头的锻造作用下实现材料的连接。搅拌摩擦焊接过程中，是指焊接方向与搅拌头旋转方向一致的一侧，是指焊接方向与搅拌头旋转方向相反的一侧。搅拌摩图 搅拌摩擦焊原理图擦焊工艺参数包括旋转速度、焊接速度、下压量、倾角（搅拌头中心轴线与工件表面法线的夹角）等，对于搅拌摩擦焊对接，还包括搅拌针的偏置量（搅拌针中心与待焊工件中心的相对位移）。.搅拌摩擦焊实验平台搅拌摩擦焊实验平台由立式加工中心改装而成，如图 所示。该平台由主轴、搅拌工具、导轨、控制系统、夹具、工作台等组成，焊接过程可实现、轴方向的直线及曲线焊缝的焊接，通过改变焊接过程中的旋转速度、焊接速度与下压量等工艺参数可完成铝合金、镁合金等低熔点金属材料的焊接。图 搅拌摩擦焊实验平台示意图 搅拌摩擦焊实验平台的基本控制流程如图 所示。开机后系统初始化，将待焊工件安装在焊接工作台上，然后通过控制系统确定坐标原点；通过主轴沿 轴方向的运动调整轴肩下压量；编制焊接程序实施焊接实验，完成后对焊缝进行检测，实时调整工艺参数，完成焊接试样制备。本平台采用法兰克数控系统编制焊接程序，系统主界面如图 所示。图 搅拌摩擦焊实验控制流程 焊接过程中主要调整旋转速度、焊接速度与下压量 个工艺参数，代码程序如下：；第 期高吉成，等：搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用图 搅拌摩擦焊实验操作控制系统主界面 ；|；。搅拌摩擦焊实验.实验材料选用 厚 与 铝合金作为被焊板材，化学成分见表 所示。表 与 铝合金化学成分（质量分数）材料 铝合金|余量 铝合金|余量 选用 钢制作搅拌头，搅拌针直径为 ，搅拌针长度为|，轴肩直径为 ，搅拌针形状为圆柱形（带螺纹），如图 所示。搅拌头加工后进行“油淬 回火”工艺进行热处理以提高搅拌头的表面硬度与耐磨性。图 搅拌头实物图.实验方法搅拌摩擦焊接过程中，轴肩下压量固定为|，搅拌针偏置量为，倾角为，旋转速度分别为、与 ，焊接速度分别为、，焊接时 铝合金放置在，铝合金放置在。实验利用光学显微镜与扫描电子显微镜对焊缝的微观结构进行观察分析，金相试样观察前经抛光后用 试剂腐蚀 。利用维氏显微硬度计对焊缝的显微硬度进行测量，加载时间 ，加载载荷为|。采用 试验机测量接头的抗拉强度，采用扫描电子显微镜对断口形貌进行观察。实验结果与讨论.铝合金搅拌摩擦焊接头表面形貌图 所示为不同工艺参数时 铝合金搅拌摩擦焊接头表面形貌。由图可见，焊接过程中由于下压量较小，焊缝表面基本不存在飞边等缺陷。焊接速度为 时，焊接表面为细密的鱼鳞纹，当旋转速度为 时，焊缝表面成型最好；焊接速度为 时，焊缝表面较粗糙，当旋转速度为 时，由于该焊接参数下的热输入最少，材料受热和混合流动不充分，导致焊缝表面存在裂纹等缺陷。（），（），（），（），（），（），图 不同焊接参数时 搅拌摩擦焊接头表面形貌.铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织图 所示为旋转速度 ，焊接速度 第 卷 时的 搅拌摩擦焊接头横截面形貌。由图可见，焊缝整体成形良好，组织均匀。根据搅拌摩擦焊接过程中材料经受热循环与塑性变形的不同可以将组织分为 个区域，从左往右依次为母材区（，）、热影响区（，）、热 机 影 响 区（，）与焊核区（，）。图 搅拌摩擦焊接头横截面形貌 图 所示为旋转速度 ，焊接速度 时的 搅拌摩擦焊接头不同区域显微照片。图（）与（）分别为 铝合金母材与 铝合金母材的显微组织，两种基体均呈现典型的轧制组织，晶粒沿着轧制方向被拉长，铝合金较 铝合金母材晶粒沿轧制方向排列更加明显。图（）为 热影响区的微观组织，由图可见，相对于 铝合金母材，热影响区的晶粒依然呈轧制方向排列，但是晶粒尺寸较母材区有所长大，这主要是因为热影响区晶粒在焊接过程中仅受到摩擦热的影响。焊核区主要是铝合金与铝合金的混合区（）母材（）母材（）热影响区（）焊核区（）热机影响区（）热机影响区图 旋转速度 ，焊接速度 时 搅拌摩擦焊接头不同区域微观组织见图（），该区域在焊接过程中受到搅拌针的强烈搅拌作用和摩擦热而发生动态再结晶，晶粒明显细化。图（）与（）分别为 与 热机影响区微观组织，热机影响区在焊接过程中由于受到搅拌针的搅拌作用和摩擦热不足未发生动态再结晶，晶粒受搅拌针影响被拉长发生弯曲，相对于 而言，受到的影响更大，从而使得两侧热机影响区的微观组织呈现不同的形态。.铝合金搅拌摩擦焊接头显微硬度图 为旋转速度 ，焊接速度 时接头横截面显微硬度分布。沿 轴 点向左为 一侧，向右为 一侧，由图可知，显微硬度呈左高右低趋势分布，这主要与 种铝合金基体硬度差异较大相关。焊核区硬度最高，远离焊核区的热影响区硬度较低。焊接过程中，焊核区受到搅拌针的剧烈搅拌作用发生动态再结晶，晶粒细化，加工硬化明显，而热影响区晶粒受热长大，硬度降低。图 接头显微硬度分布.铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸性能图 所示为不同旋转速度与焊接速度时接头的抗拉强度。由图可见，固定焊接速度时，随着旋转速度的增加，接头的抗拉强度呈现先增加后减小的趋势；当旋转速度不变时，增加焊接速度会使得接头的抗拉强度降低，异种铝合金接头的抗拉强度在旋转速度 ，焊接速度 时取得最大值，为 。搅拌摩擦焊接过程中，增加旋转速图 不同旋转速度时 接头抗拉强度 第 期高吉成，等：搅拌摩擦焊实验教学平台设计与应用度可以使得焊接过程的热输入增加，从而增强材料的流动性，使得异种铝合金在焊接界面产生良好的冶金结合。但是，热输入过大会导致接头热影响区强化相粗大或溶解，从而降低接头的抗拉强度。当焊接速度过大时，焊缝区域单位时间获得的热量降低，从而使得周围金属不能达到很好的热塑性状态，导致材料混合不充分；当焊接速度过低时会使得内部产生缺陷，亦使得接头抗拉强度降低。图 所示为焊接速度 ，旋转速度分别为 与 时的拉伸试样断口的微观形貌。由图可见，试样断口分布着大量的韧窝，呈现典型的韧性断裂。试样韧窝大小不一，试样韧窝较均匀，放大后可以看到部分韧窝中存在第二相粒子见图（）且有明显撕裂棱，分析认为第二相粒子在拉伸过程中发生了塑性变形，滑移后发生断裂。（）（）左图（）方框放大图（）（）左图（）方框放大图图 接头拉伸断口微观组织 结 语本文搭建了搅拌摩擦焊实验平台，制备了不同旋转速度和焊接速度下的异种铝合金搅拌摩擦焊接头，通过光学显微镜、扫描电子显微镜等手段分析了焊接接头的微观组织，通过显微硬度计、拉伸试验机等测试技术分析了焊接接头的力学性能。结果表明：旋转速度为 ，焊接速度为 时，焊接表面为细密的鱼鳞纹，焊缝表面成型最好。焊核区硬度最高，远离焊核区的热影响区硬度较低。异种铝合金接头的抗拉强度在旋转速度 ，焊接速度 时取得最大值，为 。该实验平台结合搅拌摩擦焊科学研究、金工实习实践教学，涉及焊接接头制备、组织分析、性能测试、数据处理等多项操作，可满足实验教学对先进焊接技术的需求，将其用于焊接实验教学可弥补先进焊接设备不足的现状，满足本校材料成型及控制工程专业工程教育专业认证的需求，实验过程使学生将理论知识与实验技能有机融合，注重实验的综合性与创新性，有助于学生深入掌握先进焊接技术，了解焊接前沿。参考文献（）：杨 钢 搅拌摩擦焊开放实验项目的设计与实践 实验室研究与探索，（）：王希靖，陈书锦，李常锋，等 搅拌摩擦焊机控制器的研制 兰州理工大学学报，（）：吴功柱 搅拌摩擦焊实验平台研制与应用 上海：东华大学，张俊宝，侯红娟，刘 健，等 刚柔协作 搅拌摩擦焊机器人研究 工程设计学报，（）：李秋锋，宋 凯，卢 超，等 面向工程教育专业认证的无损检测工艺实验教学探索与实践 实验室研究与探索，（）：陈玉华，胡煌辉，黄春平 搅拌摩擦焊接技术 北京：机械工业出版社，：杨智勇，李武鹏，李志强，等 搅拌摩擦焊多平面搅拌头对材料流动行为的影响 机械工程学报，（）：刘晓超，王江华 搅拌头转速对 和 异种铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响 宇航材料工艺，（）：，：邱 宇，孟 强，董继红，等 铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能研究 塑性工程学报，（）：张德芬，谭 盖，陈孝文，等 异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织及性能 金属热处理，（）：，：高士康，周利，张欣盟，等 异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能 焊接学报，（）：王勇强，王 进，王梦婷，等 异种铝合金薄板搅拌摩擦焊 接 工 艺 研 究 精 密 成 形 工 程，（）：黄 悦，王守晶，张志强，等 和 异种铝合金搅拌摩擦焊接头成型及力学性能 热加工工艺，（）：李文国 异种铝合金搅拌摩擦焊工艺及接头组织性能研究 镇江：江苏科技大学，