基于相关性对搅拌摩擦焊接头特征值的确定

许飞　臧伟锋　张海英

摘要：通过对不同焊接参数下的2024铝合金L向搅拌摩擦焊接接头几何形貌进行数据采集，采用相关性分析其与焊接参数的关系以及对接头性能的敏感程度，最终确定联系焊接参数与接头性能的中间值，即接头特征值，并举例说明接头特征值对接头性能的判据。

关键词：搅拌摩擦焊;相关性;接头特征值;接头性能

中图分类号：TG453+.9文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）04-0036-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.05

0 前言

搅拌摩擦焊作为一种新型的连接工艺，能将原本难以焊接的铝合金连接在一起，并获得优良的静力、疲劳性能[1-6]。该技术已经在航空[7-8]、航天、高速列车、造船和汽车等制造领域显示出强劲的创新活力和广阔的应用前景。

传统焊接通过工艺和经验对焊接接头的性能进行预判，只能得出定性的结果。本文分析了不同转速、焊速组合的2024铝合金L向搅拌摩擦焊接头微观形貌及接头性能，从接头组织和几何形貌中确定联系焊接参数并能表征接头性能的中间参量，即特征值。此特征值能解决摩擦焊接头性能好与不好、能不能更好的问题。

1 焊接参数及接头特征参量的选取

影响搅拌摩擦焊接头质量的工艺参数主要有搅拌头的转速、搅拌头前进的焊速、以及搅拌头的形状。本文选择了8种焊速、6种转速，共48组焊接参数，如表1所示，对2024铝合金L向3 mm板进行焊接。

搅拌摩擦焊接头特征参量示意如图1所示，分别为：上宽度1、最大下宽度2、最小下宽度3、前进侧热影响区与热力影响区斜度4、后退侧热影响区与热力影响区斜度5、上深度6、下深度7、总深度8。

2 接头特征参量及接头力学性能统计

将每组焊接参数制备的焊件加工成6个静力试验件，并加工6个金相试样测量特征参量，求其平均值。转速600 r/min、焊速50 mm/min接头（2-1组）特征参量的统计结果如表2所示。本文用极限应力代表搅拌摩擦焊接头的静力学性能。48组焊接参数的静力学性能如表3所示（加粗部分为有焊接缺陷的试验件）。

3 相关性

从相关系数ρ（X，Y）可知：一般而言，ρ（X，Y）是介于0与1之间的常数。但是，当ρ（X，Y）=1时，X与Y之间几乎必然地存在着某种线性关系。因此，当ρ（X，Y）接近1时，X与Y之间的线性相关程度较强;当接近0时，则说明X与Y之间的线性相关程度较弱;当ρ（X，Y）=0时，称X与Y不线性相关。所以，相关系数ρ（X，Y）是一个反映随机变量X与Y之间线性相关程度的量。

4 焊接参数与接头特征参量的相关性分析

在选择了8个接头特征参量后，需要知道哪些特征参量对焊接参数的变化最为敏感，也就是能反映出焊接参数的变化。因此，本文采用相关性分析方法来确定哪些接头特征参量对焊接参数的变化最为敏感。相关性计算举例如表4所示。

由表4可知，将转速固定为600 r/min时，接头特征参量焊接区最大下宽度与焊速的相关性系数为-0.85，-0.85接近于1，因此焊接区最大下宽度与焊速的相关性较好，对焊速的变化比较敏感。同理，当转速固定为400 r/min、600 r/min、800  r/min、1 000 r/min、1 200 r/min、1 400 r/min时，8个特征参量与焊速的相关性系数如表5所示;当焊速固定为50 mm/min、100 mm/min、150 mm/min、200 mm/min、250 mm/min、300 mm/min、350 mm/min、400 mm/min，8个特征参量与转速的相关性系数如表6所示。

由表5可知，在转速固定、焊速变化时，有4个 相关性系数的绝对值大于0.5时，称此特征参量为接头特征表征要素。因此，转速固定焊速变化时，最大下宽度、前进侧热影响区与热力影响区斜度、后退侧热影响区与热力影响区斜度、上深度、下深度为接头特征表征要素。

由表6可知，在焊速固定、转速变化时，有5个相关性系数的绝对值大于0.5时，此时前进侧热影响区与热力影响区斜度、后退侧热影响区与热力影响区斜度、最小下宽度、上深度、下深度与转速相关性较好，因此确定它们为接头特征表征要素。

綜合表5、表6，对L向搅拌摩擦焊而言，前进侧热影响区与热力影响区斜度、后退侧热影响区与热力影响区斜度、最小下宽度、最大下宽度、上深度、下深度为接头特征表征要素。

5 接头特征表征要素与接头性能的相关性分析

在确定了与焊接参数相关性较大的接头特征参量即接头特征表征要素后，从这些接头要素中继续寻找与接头性能相关性的特征参量，即接头特征值。

在这次相关性分析中，要去掉通过金相观察到的有明显缺陷的试验件，即表3中加粗部分的试验件。表7为L向搅拌摩擦焊转速相对固定、焊速变化时接头特征表征要素与静力学性能相关性分析，并绘制曲线如图2所示。表8为L向搅拌摩擦焊焊速相对固定、转速变化时接头特征表征要素与静力学性能相关性，并绘制曲线如图3所示。

图2的曲线给出了相关性为0.9的标准线，可以看出，在L向焊接转速相对固定、焊速变化时，静强度性能对最大下宽度变化最为敏感，焊核区下深度次之。同样，由图3曲线可以看出，在L向焊接焊速相对固定、转速变化时，静强度性能对上深度变化最为敏感，焊核区下深度次之。

由于上深度与下深度线性相关，综合考虑，在L向搅拌摩擦焊接中，焊接区最大下宽度、下深度为接头特征值，也就是联系焊接参数又能表征接头性能的中间参量。

6 应用

在确定了L向搅拌摩擦焊接头的特征值后，以焊接区最大下宽度为例，对其应用进行简单的描述。以固定转速600 r/min、800 r/min、1 000 r/min、1 200 r/min，焊速依次变化为例，分析性能与最大下宽度的关系（转速400 r/min、1 400 r/min出现较多缺陷，因此去掉），如图4所示。可以看出，当接头最大下宽度为3 500～3 600 μm时接头的力学性能最好。则认为当搅拌摩擦焊接头最大下宽度在3 500～3 600 μm范围内，接头的力学性能较好，也就是将最大下宽度作为接头性能的一个判据。

7 結论

本文选择了48组搅拌摩擦焊焊接参数，对每组参数的焊接接头进行静力试验测试，并对接头制备金相试样进行观察。当焊接参数选择合适后（过大或过小的焊接参数值都会使焊接接头产生缺陷），即不使焊接接头产生缺陷的情况下，存在与焊接参数、性能相关的形貌参量。通过相关性分析，最终确定了联系焊接参数与接头性能的中间参量，称作接头特征值，即焊接区最大下宽度、下深度。确定了接头特征值后并用最大下宽度举例说明接头特征值对接头性能的判据。

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