·1528 工程科学学报，第40卷，第12期 10kN.由此可以看出，焊速对稳定焊接阶段的F影 速为500 mm-min-1时略有回升，且最大延伸率为焊 响显著，尤其是当焊速为500 mm.min1时，最大瞬 速50mm·min-1的接头，为9.12%，可达母材的 时F,可达1l.5kN.Arbegast和Hartley]研究了搅 83%.AA7B04铝合金为典型的沉淀强化高强铝合 拌摩擦焊接过程中焊接参数对温度的影响，并建立 金，而搅拌摩擦焊接是一个复杂的热和力耦合的过 了焊接过程中的最高温度T(℃)，与转速w(r· 程，焊速和转速的匹配决定了焊接温度的高低，以及 min-l)和焊速v(mm.min-1)的关系，如式(1)所示. 高温停留时间的长短，这些都会影响沉淀强化相的 溶解和析出等行为，并影响接头的力学性能的高低. (1) 10 图抗拉强度 式中，T为铝合金的熔点，K为比例系数，对于铝合 500 忍屈服强度 金来说，K在0.65~0.75之间，指数α的变化范围 ☑延伸率 400 为0.04-0.06 从式(1)中可以看出，随着焊速v的增加，焊接 300 过程中的最高温度降低，被焊材料的软化效果减弱， 从而使F较大，对于高强7000系铝合金的机器人 搅拌摩擦焊来说，还是需要尽量选择产热量大的参 100 数，降低搅拌头所承受的F,以此减少对机器人本 75 100200300 400 5 体刚性的不利影响. 煤接速度mm·min) 2.2接头力学性能的变化规律 图3接头的力学性能 不同焊速条件下接头的力学性能如图3所示， Fig.3 Mechanical properties of the joints 随着焊速的提高，接头的抗拉强度先升高后降低，当 焊速为100mm·min1时，接头的抗拉强度最高，为 三点弯曲测试结果表明，所有的试样在正弯和 447MPa,为母材的80%，随着焊速的继续升高，抗 背弯180°时，试样表面均无裂纹，这说明，焊接接头 拉强度下降：同样，对接头延伸率的分析可以看出， 内部没有隧道、孔洞，以及未焊合等缺陷，如图4 随着焊速的升高，延伸率近似单调的下降，只是在焊 所示. 图4机器人焊接7B04铝合金的三点弯曲试验结果.(a)正弯180°：(b)背弯180° Fig.4 Three-point bending of robotic friction stir welding of 2 mm AA7B04:(a)face bending 180:(b)root bending 180 拉伸试验过程中的接头的应力应变曲线如图5 力应变变化曲线也不相同. 所示.从图5中可以看出，50和75 mm.min-1接头 2.3接头的硬度分布 拉伸曲线的弹性变形阶段相似：而焊速为100、200、 对焊速为50、200和400mm·min-的接头厚度 300、400和500mm·min-'接头拉伸曲线的弹性变形 中心处的硬度分布进行分析，结果如图6所示，可以 阶段相似.弹性变形阶段应力-应变曲线的斜率表 看出，3个接头的硬度均呈现典型的W型分布，硬 征的是该材料的弹性模量，不同焊速接头的弹性模 度最低点出现在热力影响区和焊核区的交界处， 量提取后，如表3所示 焊核区的硬度有了一定程度的升高，前进侧和后 从表3中可以看出，焊速为50和75 mm.min1 退侧的硬度分布并不对称：同时，还可以看出，当 的接头的弹性模量约为150GPa,而焊速为100mm· 焊速升高时，焊核区的硬度略有升高，焊核区的宽 min~'及更高焊速的接头的弹性模量在70GPa左 度也略有增加，这和不同焊速导致的焊接热循环 右，两者之间相差2倍，同时，其塑性变形阶段的应 不同有关.工程科学学报,第 40 卷,第 12 期 10 kN. 由此可以看出,焊速对稳定焊接阶段的 Fz影 响显著,尤其是当焊速为 500 mm·min - 1 时,最大瞬 时 Fz可达 11郾 5 kN. Arbegast 和 Hartley [19] 研究了搅 拌摩擦焊接过程中焊接参数对温度的影响,并建立 了焊接过程中的最高温度 T (益 ),与转速 棕 ( r· min - 1 )和焊速 淄(mm·min - 1 )的关系,如式(1)所示. T Tm = K ( 棕 2 ) 淄 琢 (1) 式中, Tm为铝合金的熔点,K 为比例系数,对于铝合 金来说,K 在 0郾 65 ~ 0郾 75 之间,指数 琢 的变化范围 为 0郾 04 ~ 0郾 06. 从式(1)中可以看出,随着焊速 淄 的增加,焊接 过程中的最高温度降低,被焊材料的软化效果减弱, 从而使 Fz较大,对于高强 7000 系铝合金的机器人 搅拌摩擦焊来说,还是需要尽量选择产热量大的参 数,降低搅拌头所承受的 Fz,以此减少对机器人本 体刚性的不利影响. 2郾 2 接头力学性能的变化规律 不同焊速条件下接头的力学性能如图 3 所示, 随着焊速的提高,接头的抗拉强度先升高后降低,当 焊速为 100 mm·min - 1 时,接头的抗拉强度最高,为 447 MPa,为母材的 80% ,随着焊速的继续升高,抗 拉强度下降;同样,对接头延伸率的分析可以看出, 随着焊速的升高,延伸率近似单调的下降,只是在焊 速为 500 mm·min - 1时略有回升,且最大延伸率为焊 速 50 mm·min - 1 的接头, 为 9郾 12% , 可达母材的 83% . AA7B04 铝合金为典型的沉淀强化高强铝合 金,而搅拌摩擦焊接是一个复杂的热和力耦合的过 程,焊速和转速的匹配决定了焊接温度的高低,以及 高温停留时间的长短,这些都会影响沉淀强化相的 溶解和析出等行为,并影响接头的力学性能的高低. 图 3 接头的力学性能 Fig. 3 Mechanical properties of the joints 三点弯曲测试结果表明,所有的试样在正弯和 背弯 180毅时,试样表面均无裂纹,这说明,焊接接头 内部没有隧道、孔洞,以及未焊合等缺陷,如图 4 所示. 图 4 机器人焊接 7B04 铝合金的三点弯曲试验结果. (a)正弯 180毅;(b)背弯 180毅 Fig. 4 Three鄄point bending of robotic friction stir welding of 2 mm AA7B04: (a) face bending 180毅; (b) root bending 180毅 拉伸试验过程中的接头的应力应变曲线如图 5 所示. 从图 5 中可以看出,50 和 75 mm·min - 1接头 拉伸曲线的弹性变形阶段相似;而焊速为 100、200、 300、400 和 500 mm·min - 1接头拉伸曲线的弹性变形 阶段相似. 弹性变形阶段应力鄄鄄 应变曲线的斜率表 征的是该材料的弹性模量,不同焊速接头的弹性模 量提取后,如表 3 所示. 从表 3 中可以看出,焊速为 50 和 75 mm·min - 1 的接头的弹性模量约为 150 GPa,而焊速为 100 mm· min - 1及更高焊速的接头的弹性模量在 70 GPa 左 右,两者之间相差 2 倍,同时,其塑性变形阶段的应 力应变变化曲线也不相同. 2郾 3 接头的硬度分布 对焊速为 50、200 和 400 mm·min - 1的接头厚度 中心处的硬度分布进行分析,结果如图 6 所示,可以 看出,3 个接头的硬度均呈现典型的 W 型分布,硬 度最低点出现在热力影响区和焊核区的交界处, 焊核区的硬度有了一定程度的升高,前进侧和后 退侧的硬度分布并不对称;同时,还可以看出,当 焊速升高时,焊核区的硬度略有升高,焊核区的宽 度也略有增加,这和不同焊速导致的焊接热循环 不同有关. ·1528·