焊接参数对摩擦塞焊焊接区域温度场的影响

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（1.南京航空航天大学江苏省精密与微细制造技术重点实验室，江苏南京 210001；2.南京信息职业技术学院机电工程系，江苏南京210001）

0 前言

摩擦塞焊（Friction plug welding）又称为摩擦塞补焊，是英国焊接研究所于1995年发明的一种新型固相补焊技术。其基本原理[1]为：在裂纹处钻出一定大小的锥形通孔，并制出与基体材料相同的焊接塞棒，当摩擦塞焊的焊接塞棒以较高的转速和一定的焊接进给速度进入锥形通孔，焊接塞棒与焊接件之间的相互摩擦使得焊接塞棒与焊接件连接，然后在一定顶锻力作用下，连接处的材料组织晶粒更加细小，从而有效保证了焊接接头的质量。摩擦塞焊焊接质量很大程度上受温度的影响，焊接接头的连接强度大小、焊接缺陷的出现都和温度场息息相关。摩擦塞焊中的摩擦界面温度过低，会导致摩擦界面上的材料塑化较差，出现难以焊接和焊接不牢的缺陷；界面温度过高，会出现金属过热现象。

目前，摩擦塞焊的相关文献主要是研究焊接接头的微观组织、微观硬度和力学性能。Beamish[2]深入研究了10 mm厚6082-T6铝板的摩擦塞焊工艺，分析焊接接头的微观硬度和力学性能，得到焊接参数对焊接质量的基本影响规律。Unfried等人[3]对CMn钢材料进行摩擦塞焊试验，主要研究焊接区域的微观组织变化。Metz等人[4-5]针对2195铝锂合金搅拌摩擦焊焊缝进行了摩擦塞焊试验，分析焊接接头的显微组织、显微硬度及疲劳强度。国内对摩擦塞焊的研究也主要集中在焊接接头的微观组织和力学性能方面[6-8]。

本研究以7075-T6铝合金材料为焊接材料，摩擦塞焊焊接过程分为初始阶段和稳定阶段，建立摩擦塞焊焊接的产热模型，得到产热量与焊接参数的关系，为摩擦塞焊焊接区域温度场研究提供理论基础；在不同焊接进给速度、焊接转速和焊接摩擦时间的试验条件下进行摩擦塞焊焊接工艺试验，得到焊接参数对摩擦塞焊焊接区域温度场的影响规律。

1 产热模型的建立

1.1 初始阶段的产热功率

摩擦产热是搅拌摩擦焊接起始阶段的主要产热来源[9]，而摩擦塞焊焊接起始阶段的产热机理与搅拌摩擦焊接起始阶段的产热机理类似，焊接接触面上材料塑化程度都相对较小，塑性变形产热量也相对较小，故忽略塑性变形产热，将摩擦产热作为摩擦塞焊焊接起始阶段的产热来源。

在摩擦塞焊焊接过程中，假设焊接摩擦接触面积始终为S不变，焊接塞棒受到向下的焊接压力为F，焊接塞棒和焊接铝板接触面上单位面积的压力为P，分析塞棒受力，其上表面向下的力与侧面受到向上的分力达到平衡状态，则有

由牛顿力学定律可知，焊接铝板锥形孔表面上单位面积的压力也为P，在图1中高度h处，在焊接铝板锥形孔侧面取一微环面，则焊接铝板锥形孔侧面微环处受到的扭矩为

图1 焊接铝板剖面

考虑摩擦产热的热损失，产热效率为η，故摩擦塞棒侧面产热功率为

由式（1）和式（3）可得摩擦塞焊焊接初始阶段的产热功率为

式中 η为产热效率；μ为摩擦系数；n为焊接转速；F为摩擦塞焊中塞棒受到的轴向力。

1.2 稳定阶段的产热功率

摩擦产热和塑性变形产热是搅拌摩擦焊接稳定阶段的产热来源，而摩擦塞焊焊接中的产热机理和搅拌摩擦焊接的产热机理类似，摩擦塞焊焊接稳定阶段产热来源主要是摩擦产热和塑形变形产热。稳定阶段的摩擦行为和初始阶段不同，摩擦塞焊焊接经过初始阶段的摩擦产热，使得摩擦界面上的温度升高，此时粘着摩擦是主要摩擦行为，摩擦力为待焊材料的剪切流变应力和接触面积的乘积。按照Mises屈服准则，剪切屈服极限值τs=0.577σs。在工程分析中，σs=ReL（单位：Pa）。由于ReL随温度变化，故τs可表示为温度T的函数

在粘着摩擦状态下，摩擦力和压力P无关，将式（3）中的μP用τs替代，可得稳定阶段摩擦塞棒侧面产热功率

稳定阶段塑性变形的产热功率

摩擦塞焊焊接稳定阶段总的产热功率

式中 ηV为塑性变形产热的热转化效率；为等效应力；为等效应变速率；η为产热效率；n为焊接转速；ReL为材料的屈服强度。

理论上，得到焊接过程中的主要产热来源的计算公式能初步判断焊接参数对焊接温度场的影响规律：焊接转速越高，初始阶段的焊接压力越大；摩擦时间越长，焊接铝板得到的温度场温度更高。但需要通过试验方法详细论述焊接参数对焊接温度场的影响，验证建立的摩擦塞焊焊接产热模型。

2 试验方案

2.1 试验材料

试验用焊接铝棒和焊接铝板的材料均为7075-T6铝合金，其化学成分如表1所示。

表1 7075-T6铝合金的化学成分 %

2.2 试验设备

采用自主研发的摩擦塞焊焊接设备，设备主要参数为：焊接主轴转速0～5 000 r/min，焊接进给速度0～240 mm/min，夹持焊接塞棒直径10～20 mm。

2.3 试验方法及过程

焊接塞棒尺寸φ20 mm×100 mm，塞棒锥头锥度60°，锥头端部直径10 mm，焊接铝板尺寸100 mm×50 mm×5 mm，锥形孔锥度60°，锥形孔底部直径为10 mm。焊接工艺参数如表2所示。

表2 焊接工艺参数

摩擦塞焊焊接示意如图2所示。焊接塞棒以较高的转速向下进给，摩擦塞棒和焊接铝板开始接触进入焊接摩擦产热阶段，焊接摩擦产热结束，保持一定的轴向顶锻力5 s，最后停止顶锻，摩擦塞焊焊接结束。

图2 摩擦塞焊焊接示意

焊接过程中的主要控制参数为焊接转速n、焊接进给速度v和焊接摩擦时间t。在摩擦塞焊焊接过程中，需要采集焊接转速n，焊接压力F，测温点A、B的温度值。由图2可知，测温点A、B到焊接中心轴的距离均为8 mm，两个点距上下表面的距离也都相同，测温传感器选择常用的K型热电偶，探头顶部与测温点相接触，保证测得的温度值为测温点处的值。测温点A、B为对称位置以避免其他干扰因素导致采集到的温度值不准确，两个测温点理论上测得的温度值很接近，当差别较大时，可能是其他干扰或者焊接过程不当造成的，需要重复一次试验。当测温点A、B测得的温度值很接近时，采用测温点A测得的数据作为分析数据。

3 试验结果与分析

3.1 摩擦塞焊焊接接头

在焊接转速3 000 r/min、进给速度120 mm/min和焊接摩擦时间4 s的试验条件下，获得的焊接接头如图3所示，基本上没有焊接缺陷。接下来分别探讨焊接转速、焊接进给速度和焊接摩擦时间对温度场的影响规律。

3.2 焊接进给速度对焊接区域温度场的影响

在焊接转速3000r/min、焊接摩擦时间6s，进给速度分别为60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min的焊接参数下，焊接压力和测温点A处的温度值随时间的变化曲线如图4、图5所示。

由式（4）和式（7）可知，焊接进给速度与焊接区域温度场没有直接联系。由图4可知，焊接进给速度对焊接过程中的焊接压力有影响，随着焊接进给速度的增大，焊接过程中的最大焊接压力也会增大。焊接进给速度60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min焊接条件下对应的最大焊接压力分别为3 240 N、4 220 N和4 840 N，焊接进给速度达到一定值，再提高焊接进给速度，最大焊接压力增大幅度相对减小。

图3 焊接接头形貌

由图5可知，测温点在60 mm/min、120 mm/min和180mm/min下的最大温度值分别为240℃、361℃和400℃。当焊接进给速度为60～120 mm/min时，焊接进给速度的变化对焊接区域温度场影响较大，提高焊接进给速度，测温点A处最大温度值变化幅度较大。而当焊接进给速度为120～180 mm/min时，再提高焊接进给速度，测温点A处最大温度值变化幅度较小。

图4 不同焊接进给速度下的焊接压力变化曲线

图5 不同焊接进给速度下测温点A处的温度变化曲线

焊接进给速度对焊接区域温度场的影响实质上是焊接进给速度影响了摩擦塞焊焊接初始阶段的焊接压力，而焊接压力直接影响初始阶段的摩擦产热。当初始阶段焊接压力差别较小时，初始阶段焊接区域的温度场差别不大，稳定阶段的产热几乎不受焊接压力影响，因此焊接进给速度在120 mm/min和180 mm/min时的稳定阶段产热差别很小，初始阶段结束后，两条温度曲线趋于一致。

3.3 焊接转速对焊接区域温度场的影响

在进给速度120mm/min、焊接摩擦时间6s，焊接转速分别为2 000 r/min、3 000 r/min和4 000 r/min的焊接参数下，测温点A处的温度变化曲线见图6。

理论分析得出焊接过程中产生的热量与焊接转速成正比关系，由图6可知，测温点A处的最高温度值随着焊接转速的提高而升高，这是因为温度越高，焊接区域由于摩擦产生的热量也是越多，故试验结果与理论分析比较一致。

在焊接初始阶段，较高的焊接转速会提高测温点的升温速率，而由于焊接铝板和垫板的接触热传导、焊接铝板表面和空气的热对流，随着焊接的进行，3种转速条件下测温点处的升温速率越来越小，到焊接摩擦阶段结束，测温点处的温度值达到最高值，随后逐渐降低。高的焊接转速提高了摩擦界面材料的升温速率，材料塑化较快，能有效避免焊接缺陷，提高焊接质量。

图6 不同焊接转速下测温点A处的温度变化曲线

3.4 焊接摩擦时间对焊接区域温度场的影响

在进给速度120 mm/min、焊接转速3 000 r/min，焊接摩擦时间分别为2 s、4 s和6 s的焊接参数下，测温点A处的温度变化曲线如图7所示。

图7 不同焊接摩擦时间下测温点A处的温度变化曲线

理论上在其他焊接参数相同的条件下，焊接过程的产热量和焊接摩擦时间成正比关系。试验结果表明，焊接摩擦时间越长，焊接过程中产生的热量也越多，从而导致测温点A处的温度值越高。一般焊接摩擦时间不能太短，否则产热量较少，焊接区域材料塑化较差，导致材料迁移少，容易产生未焊接缺陷。焊接摩擦时间也不能过长，焊接塞棒消耗较多，焊接接头飞边更严重，塑化的材料堆积在焊接接头上表面较多。通常选择高的焊接转速，焊接摩擦时间控制在4～6 s，使得焊接区域最高温度值达到400℃。

4 结论

（1）理论分析和试验结果表明，焊接参数对摩擦塞焊焊接温度场有很大的影响，焊接转速越高、焊接进给速度越高、焊接摩擦时间越长，焊接区域测温点A处的温度值越大。

（2）焊接进给速度在不同范围对焊接区域温度场的影响程度不同，主要原因是焊接进给速度在不同范围对焊接压力的影响程度不同，而焊接压力的大小直接影响摩擦塞焊焊接初始阶段过程中的产热量从而影响焊接区域温度场。焊接压力对摩擦塞焊焊接稳定阶段的产热影响很小，稳定阶段主要是粘性摩擦产热和塑性变形产热。

（3）高的焊接转速能得到较好的焊接接头，原因是高的焊接转速可提高摩擦界面材料的升温速率，材料塑化较快。焊接摩擦时间一般不宜过短或过长，应尽量匹配较高的焊接转速。

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