金鑫 熊亮 向勇 劉曉 史煜 張昌青

摘要：攪拌摩擦焊過(guò)程中各物理量的采集分析為理解接頭形成過(guò)程及質(zhì)量影響因素提供重要的數(shù)據(jù)支持。為研究攪拌摩擦微連接過(guò)程中焊接力及溫度的變化情況，利用自制的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)0.8 mm厚1060-H24超薄鋁板攪拌摩擦微連接過(guò)程中的焊接力及不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊縫溫度進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量采集。研究結(jié)果表明：攪拌頭轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時(shí)焊縫溫度最高，達(dá)到約350 ℃，因焊接過(guò)程中的攪拌摩擦作用，焊縫金屬受熱充足流動(dòng)性好，易形成表面形貌美觀且性能優(yōu)良的攪拌摩擦微連接接頭;攪拌頭下壓駐留后，在初始焊接階段，焊接軸向力保持在約50 N，持續(xù)2 s后因母材受熱嚴(yán)重軟化導(dǎo)致軸向力開(kāi)始迅速下降，降至約30 N后穩(wěn)定焊接。在焊接階段中焊接橫向力始終保持在20～40 N范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)。

關(guān)鍵詞：攪拌摩擦微連接;焊接力;焊接溫度;監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TG453+.9 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-2003（2021）06-0072-03

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.13

0 ? ?前言

攪拌摩擦微連接技術(shù)（μFSW）是在傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)，主要針對(duì)1 mm以下厚度板材進(jìn)行連接的焊接方法。其主要通過(guò)高轉(zhuǎn)速的小直徑攪拌頭產(chǎn)熱，在焊接過(guò)程中，焊接力、焊縫溫度對(duì)攪拌頭的轉(zhuǎn)速及下壓量等工藝參數(shù)極為敏感。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)于1 mm以下厚度板材的攪拌摩擦微連接技術(shù)的研究相對(duì)有限，有較大的發(fā)掘空間。

攪拌摩擦微連接過(guò)程中焊接力及焊縫溫度的測(cè)量采集為研究分析焊縫的形成過(guò)程提供了重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。文中通過(guò)設(shè)計(jì)搭建基于LabVIEW的監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攪拌摩擦微連接過(guò)程中焊接力及焊縫溫度的實(shí)時(shí)精確測(cè)量及記錄。通過(guò)對(duì)焊接力及焊縫溫度曲線的分析，可對(duì)攪拌摩擦微連接過(guò)程中焊縫組織演變過(guò)程的研究提供指導(dǎo)作用。

1 攪拌摩擦微連接監(jiān)測(cè)裝置

1.1 焊縫溫度測(cè)量系統(tǒng)

根據(jù)鋁合金薄板攪拌摩擦微連接過(guò)程中的焊縫溫度范圍[1]和試驗(yàn)環(huán)境，采用K型熱電偶[2]作為焊縫溫度傳感器。K型熱電偶一般由鎳鉻、鎳鋁合金制作而成，推薦溫度測(cè)量范圍為100～1 000 ℃。

將K型熱電偶通過(guò)調(diào)理電路與USB-6008數(shù)據(jù)采集卡連接，同時(shí)將測(cè)量端探頭接觸所焊試板表面，產(chǎn)生熱電勢(shì)后，通過(guò)調(diào)理電路[3]及數(shù)據(jù)采集卡將電勢(shì)轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，傳入數(shù)據(jù)采集軟件LabVIEW，對(duì)焊接過(guò)程中的焊縫溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量記錄。焊接試驗(yàn)前須利用溫升設(shè)備對(duì)采用的測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，保證其在焊接過(guò)程中測(cè)得的試板溫度真實(shí)有效[4]。

1.2 焊接力測(cè)量系統(tǒng)

因小尺寸稱重傳感器具有較高的信噪比和系統(tǒng)穩(wěn)定性以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)[5]，采用其作為攪拌摩擦微連接過(guò)程中軸向力與橫向力的測(cè)量?jī)x器。為使稱重傳感器能夠準(zhǔn)確測(cè)量攪拌摩擦微連接過(guò)程中焊接力的大小，將滑軌、板材、快速夾具等材料與稱重傳感器進(jìn)行組配，并將稱重傳感器用導(dǎo)線與調(diào)理電路模塊[6]連接之后，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡及LabVIEW程序?qū)y(cè)得的焊接力數(shù)據(jù)傳入上位機(jī)保存以便分析。焊接試驗(yàn)前利用壓力設(shè)備或砝碼對(duì)所采用的測(cè)力系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，保證其在焊接過(guò)程中測(cè)得的軸向力及橫向力數(shù)據(jù)真實(shí)有效。焊接溫度及焊接力測(cè)量裝置總成如圖1所示。

1.3 LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)攪拌摩擦微連接過(guò)程中焊接力及焊縫溫度的采集需求，繪制了LabVIEW測(cè)量程序，程序中使用TDMS可將采集卡采集的數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)為Excel文件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使數(shù)據(jù)圖表化，分析過(guò)程十分方便快捷并能夠保證數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性[7]。

2 焊接過(guò)程物理量分析

采用微連接攪拌摩擦焊機(jī)配備焊接力及焊縫溫度監(jiān)測(cè)裝置對(duì)厚度為0.8 mm的1060-H24鋁板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，測(cè)量采集所需數(shù)據(jù)以分析焊接過(guò)程中軸向力、橫向力及焊縫溫度的變化規(guī)律。焊接試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1所示，焊縫長(zhǎng)30 mm，攪拌頭下壓量達(dá)到0.1 mm時(shí)保持該位置5 s后開(kāi)始進(jìn)行焊接。

2.1 焊縫溫度

7 000～11 000 r/min攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊縫溫度峰值趨勢(shì)如圖2所示。

經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，攪拌頭轉(zhuǎn)速小于11 000 r/min時(shí)焊縫溫度峰值隨著轉(zhuǎn)速的提高而升高，轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時(shí)焊縫溫度最高，約350 ℃。因焊接過(guò)程中的攪拌摩擦作用，焊縫金屬受熱充足、流動(dòng)性好，易形成表面形貌美觀且性能優(yōu)良的攪拌摩擦微連接接頭，如圖3所示。轉(zhuǎn)速大于11 000 r/min時(shí)，焊縫溫度峰值下降，因?yàn)樵谙聣毫恳欢ā嚢桀^轉(zhuǎn)速大于某一限定值時(shí)，攪拌頭軸肩表面與試板表面無(wú)法緊密貼合導(dǎo)致摩擦接觸面積及摩擦力減小，從而導(dǎo)致摩擦產(chǎn)熱降低，焊接溫度峰值減小。

2.2 焊接力分析

攪拌頭轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時(shí)，測(cè)量采集焊接過(guò)程中的軸向力，軸向力曲線如圖4所示。攪拌摩擦微連接過(guò)程根據(jù)攪拌頭移動(dòng)形式可主要分為4個(gè)階段：下壓、駐留、焊接和攪拌頭抽出退刀階段[8]。

由圖4可知，下壓階段前期隨著攪拌針以低進(jìn)給速度地壓入試板，軸向力增大，當(dāng)攪拌頭軸肩與試板摩擦接觸時(shí)（見(jiàn)圖4Ⅰ處）軸向力最大，約為150 N。此時(shí)攪拌頭軸肩與試板金屬材料高速旋轉(zhuǎn)摩擦產(chǎn)生的充足熱量，使摩擦區(qū)域的母材金屬受熱軟化至塑性狀態(tài)。下壓方向上還未受到旋轉(zhuǎn)摩擦作用的母材金屬雖受熱但因熱量不足沒(méi)有達(dá)到塑性狀態(tài)，對(duì)攪拌頭下壓進(jìn)給仍有較大阻礙作用力，使得軸向力在攪拌頭軸肩后續(xù)下壓過(guò)程中緩慢下降至約135 N。進(jìn)入駐留階段，在攪拌頭軸肩和攪拌針對(duì)母材金屬充分?jǐn)嚢枘Σ敛a(chǎn)生足夠熱量后，下壓方向上整體厚度的母材金屬軟化且達(dá)到塑性狀態(tài)，軸向力開(kāi)始陡降（見(jiàn)圖4Ⅱ處），下降量約為60 N。在初始焊接階段，焊接軸向力保持在約50 N，持續(xù)2 s后因母材受熱嚴(yán)重軟化導(dǎo)致軸向力開(kāi)始迅速下降（見(jiàn)圖4Ⅲ處），降至約30 N后穩(wěn)定焊接（見(jiàn)圖4Ⅳ處）。焊接階段結(jié)束后，攪拌頭抽離試板退刀，試板釋壓，軸向力陡降回歸零位。

同時(shí)測(cè)得該攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊接橫向力如圖5所示。由于下壓階段中攪拌頭軸肩與試板表面接觸瞬時(shí)的不穩(wěn)定性，在已對(duì)軸向力傳感器加載正向預(yù)緊力的情況下橫向力出現(xiàn)短時(shí)間的負(fù)跳躍現(xiàn)象，而在焊接階段中焊接橫向力始終保持在20～40 N范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)其他參數(shù)不變，攪拌頭轉(zhuǎn)速小于11 000 r/min時(shí)，攪拌頭轉(zhuǎn)速提升，摩擦產(chǎn)熱增加，焊縫溫度峰值上升;轉(zhuǎn)速大于11 000 r/min時(shí)，因攪拌頭轉(zhuǎn)速過(guò)大導(dǎo)致攪拌頭軸肩表面與試板表面無(wú)法緊密貼合導(dǎo)致摩擦接觸面積及摩擦力減小，使摩擦產(chǎn)熱降低，焊接溫度峰值減小。

（2）攪拌頭轉(zhuǎn)速為11 000 r/min時(shí)焊縫溫度最高，約350 ℃;因焊接過(guò)程中的攪拌摩擦作用，焊縫金屬受熱充足流動(dòng)性好，易形成表面形貌美觀且性能優(yōu)良的攪拌摩擦微連接接頭。

（3）在初始焊接階段，焊接軸向力保持在約50 N，持續(xù)2 s后因母材受熱嚴(yán)重軟化導(dǎo)致軸向力開(kāi)始迅速下降，降至約30 N后穩(wěn)定焊接;焊接橫向力在此過(guò)程中始終保持在20～40 N范圍內(nèi)小幅度波動(dòng)。

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