张坤等：焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA704铝合金接头组织和力学性能的影响 ·1527· 过程中记录搅拌头所承受的x,y和z3个方向的作 2实验结果 用力F,F,和F.垂直于焊缝分别切取拉伸、弯曲 和金相试样，在5982电子万能材料试验机上按照 2.1焊接过程搅拌头受力的变化规律 GB/T228.1一2010进行室温拉伸试验，每个参数选 机器人搅拌摩擦焊接过程中搅拌头所受的3个 取3个试样，取平均值：按照GB/T2653一2008进 方向的作用力F,、F和F随时间的变化规律如图2 行三点弯曲试验，每个参数选取2个试样，分别进行 所示.从图2(a)和图2(b)可以看出，焊接过程中 正弯和背弯测试，弯曲速率为4mm·min-;利用 F和F的力较小，随焊速的变化不明显；而F随焊 FM-ARS9000维氏硬度仪测量焊缝厚度中心的硬度 速的变化显著，如图2(c)所示，随着焊接的进行，F 分布：金相试样采用砂纸打磨并在抛光机上抛光，在 首先以近似线性增大，这对应着搅拌针扎入试样的 Keller试剂中侵蚀，并在Leica DMI5OOOM型金相显 阶段，当搅拌头的轴肩与试样完全接触时，F,达到最 微镜上观察接头横截面的组织：利用ZEISS SUPRA 大值.实际焊接时，当轴肩完全接触试样表面后会 55高分辨透射电镜观察接头析出物的形貌：通过 停留数秒对试样进行预热，保证产生足够的摩擦热 NETSCH STA449C综合热分析仪对接头焊核区进行 软化材料，而后搅拌头在预设的直线轨迹上加速运 示差扫描量热(DSC)分析，升温速率为20℃· 动，直至到达设定的焊速，并以此焊速匀速行进，焊 min-1,升温范围为20~550℃. 接结束后将搅拌头从试样中抽出.在此过程中，F 开始震荡的减小，这主要是由于焊接开始阶段的预 表1AA7B04-T6铝合金化学成分（质量含量） 热产生了较多的热量，软化了搅拌头行进方向的金 Table 1 Chemical compositions of AA7B04-T6 aluminum alloy 属，从而降低了顶锻力，当焊速达到预设速度，将匀 Zn Mg Cu Mn Fe Si Ti Cr Al 速前进，此时，产热和散热达到平衡，F的数值变化 6.122.781.480.310.130.0410.0250.19余量 较小，进入稳定焊接阶段 表2AA7B04-T6铝合金的力学性能 对比不同焊速条件下的F,可以看出：当焊接 Table 2 Mechanical properties of AA7B04-T6 aluminum alloy 速度为50mm·min-1时，稳定焊接阶段的F,约为2 材料 屈服强度/MPa抗拉强度/MPa伸长率/% kN,随焊速的增加，稳定焊接阶段的F增大，当焊速 AA7B04-T6 495 553 11.0 为500 mm.min'时，稳定焊接阶段很短，其F,约为 1.0 (a) 焊接速度 1.o 焊接速度 0.8 -50mmmin- -200 mmmin -50 mm'min" -200 mm'min- 一75mm·minl -300mm·min -75 mmmin-! -300 mm.min- 06 100 mm'min- -400mm·min 0.5 -100mmmin- -400 mmmin -500mmminl -500 mm min- 0. 0.5 100 1s0 200 250 300 100 10 200 250 300 时间/s 时间/s 焊接速度 50 mm.min -75mm·min 100 mm.min" -200mm·min- -300mm·min -400 mm.min- 500mmmin- 人LIT 50 100 150 200250 300 时间s 图2不同焊接速度下搅拌摩擦焊接过程中力值随时间的变化规律.(a)Fx;(b)F,;(c)F: Fig.2 Variation of the force value over time in friction stir welding under different welding speeds:(a)F,(b)F,;(c)F:张 坤等: 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊 AA7B04 铝合金接头组织和力学性能的影响 过程中记录搅拌头所承受的 x,y 和 z 3 个方向的作 用力 Fx,Fy和 Fz . 垂直于焊缝分别切取拉伸、弯曲 和金相试样,在 5982 电子万能材料试验机上按照 GB / T 228郾 1—2010 进行室温拉伸试验,每个参数选 取 3 个试样,取平均值;按照 GB / T 2653 ― 2008 进 行三点弯曲试验,每个参数选取 2 个试样,分别进行 正弯和背弯测试,弯曲速率为 4 mm·min - 1 ;利用 FM鄄鄄ARS9000 维氏硬度仪测量焊缝厚度中心的硬度 分布;金相试样采用砂纸打磨并在抛光机上抛光,在 Keller 试剂中侵蚀,并在 Leica DMI5000M 型金相显 微镜上观察接头横截面的组织;利用 ZEISS SUPRA 55 高分辨透射电镜观察接头析出物的形貌;通过 NETSCH STA449C 综合热分析仪对接头焊核区进行 示差 扫 描 量 热 ( DSC) 分 析, 升 温 速 率 为 20 益· min - 1 ,升温范围为 20 ~ 550 益 . 表 1 AA7B04鄄鄄T6 铝合金化学成分(质量含量) Table 1 Chemical compositions of AA7B04鄄鄄T6 aluminum alloy % Zn Mg Cu Mn Fe Si Ti Cr Al 6郾 12 2郾 78 1郾 48 0郾 31 0郾 13 0郾 041 0郾 025 0郾 19 余量 图 2 不同焊接速度下搅拌摩擦焊接过程中力值随时间的变化规律. (a)Fx;(b)Fy;(c)Fz Fig. 2 Variation of the force value over time in friction stir welding under different welding speeds: (a) Fx; (b) Fy; (c) Fz 表 2 AA7B04鄄鄄T6 铝合金的力学性能 Table 2 Mechanical properties of AA7B04鄄鄄T6 aluminum alloy 材料 屈服强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 伸长率/ % AA7B04鄄鄄T6 495 553 11郾 0 2 实验结果 2郾 1 焊接过程搅拌头受力的变化规律 机器人搅拌摩擦焊接过程中搅拌头所受的 3 个 方向的作用力 Fx、Fy和 Fz随时间的变化规律如图 2 所示. 从图 2( a)和图 2( b)可以看出,焊接过程中 Fx和 Fy的力较小,随焊速的变化不明显;而 Fz随焊 速的变化显著,如图 2(c)所示,随着焊接的进行,Fz 首先以近似线性增大,这对应着搅拌针扎入试样的 阶段,当搅拌头的轴肩与试样完全接触时,Fz达到最 大值. 实际焊接时,当轴肩完全接触试样表面后会 停留数秒对试样进行预热,保证产生足够的摩擦热 软化材料,而后搅拌头在预设的直线轨迹上加速运 动,直至到达设定的焊速,并以此焊速匀速行进,焊 接结束后将搅拌头从试样中抽出. 在此过程中,Fz 开始震荡的减小,这主要是由于焊接开始阶段的预 热产生了较多的热量,软化了搅拌头行进方向的金 属,从而降低了顶锻力,当焊速达到预设速度,将匀 速前进,此时,产热和散热达到平衡,Fz的数值变化 较小,进入稳定焊接阶段. 对比不同焊速条件下的 Fz,可以看出:当焊接 速度为 50 mm·min - 1 时,稳定焊接阶段的 Fz约为 2 kN,随焊速的增加,稳定焊接阶段的 Fz增大,当焊速 为 500 mm·min - 1时,稳定焊接阶段很短,其 Fz约为 ·1527·