劉禹佳， 朱 海， 郭春成， 范宇鵬， 李燕云， 趙洪武

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

汽車輕量化是我國(guó)節(jié)能減排的重要政策之一，為推進(jìn)輕量化，可以采用輕質(zhì)且具有一定強(qiáng)度的材料(如塑料、橡膠、玻璃等)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的合金材料的方法[1-2]。目前，隨著聚合物技術(shù)的進(jìn)步，工程聚合物和纖維增強(qiáng)熱塑性材料正被納入現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中，對(duì)快速、可靠和高生產(chǎn)率焊接方法的需求也在增加。攪拌摩擦焊(Friction stir welding，F(xiàn)SW)是一種低熱量輸入的固態(tài)焊接方法[3]，然而與金屬材料相比，攪拌摩擦技術(shù)在塑料材料上的應(yīng)用仍然十分有限[4]。近幾年，對(duì)于攪拌摩擦焊應(yīng)用于聚合物的研究逐漸深入。

Oliveira[5]等研究了熱塑性塑料在聚甲基丙烯酸甲酯板上摩擦點(diǎn)焊的可行性。提出開發(fā)新的和改進(jìn)焊接工具的幾何形狀、以及選擇和測(cè)試恰當(dāng)?shù)暮附硬牧?，?duì)減少焊接缺陷并提高接頭焊接強(qiáng)度是有必要的。MK Bilici[6]以探究焊接參數(shù)對(duì)攪拌摩擦焊接強(qiáng)度的影響為目的，對(duì)HDPE板材進(jìn)行了攪拌摩擦點(diǎn)焊實(shí)驗(yàn)，為了最大限度地提高焊接強(qiáng)度，作者認(rèn)為焊接參數(shù)(刀具轉(zhuǎn)速、刀具插入深度和停留時(shí)間)的選擇非常重要，并且通過(guò)調(diào)整焊接參數(shù)，在最佳焊接參數(shù)下的焊接強(qiáng)度比初始參數(shù)的提高了約40%。Payganeh[7]使用了4種不同軸肩和攪拌針的攪拌摩擦工具對(duì)5 mm厚的PP復(fù)合板進(jìn)行FSW，發(fā)現(xiàn)具有螺紋的錐形攪拌針焊接效果最好，因具有螺紋的攪拌針與母材的接觸面積越大，其焊縫的攪拌與混合就越充分，故焊接摩擦產(chǎn)熱量越高，焊縫外觀形貌越好。而對(duì)于無(wú)螺紋的攪拌頭來(lái)說(shuō)，在焊接時(shí)與母材接觸面積較少，因此成型效果不理想，很難實(shí)現(xiàn)有效焊接。Barmouz[8]等研究了不同形狀的攪拌針對(duì)焊縫宏觀表面成型的影響，結(jié)果表明，螺紋圓柱或圓錐刀具的表面質(zhì)量最好。Zafar[9]等在研究焊接接頭斷裂時(shí)認(rèn)為，具有缺陷較多的后退側(cè)是在拉伸實(shí)驗(yàn)中斷裂的最重要因素之一。Aydin[10]等在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)通過(guò)預(yù)熱可以將高分子材料在短時(shí)間達(dá)到近似的熔點(diǎn)，使熱分布均勻并促進(jìn)了材料的混合，因此提高了接頭的力學(xué)性能。Sharma[11]等研究了工藝參數(shù)對(duì)聚丙烯FSW機(jī)械性能的影響，實(shí)驗(yàn)表明在一定范圍內(nèi)，刀具直徑、轉(zhuǎn)速以及焊接速度的增加可提高抗拉強(qiáng)度。

MC尼龍是一種在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)中具有廣泛工程應(yīng)用的高分子材料，但其連接方式多采用膠接以及機(jī)械連接等方法，為了尋找MC尼龍的其他連接方法，本文采用FSW技術(shù)對(duì)MC尼龍進(jìn)行對(duì)接焊可焊性試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向?qū)附咏宇^質(zhì)量的影響較大，因此本文主要研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向?qū)缚p宏觀形貌和接頭力學(xué)性能的影響，并分析總結(jié)其影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)材料選擇象牙白色單體澆鑄尼龍(MC尼龍)，尺寸為300 mm×40 mm×4 mm。相比其他尼龍材料，象牙白色MC尼龍6其綜合性能好，強(qiáng)度，剛度和硬度高，抗蠕變、耐磨、耐熱老化、機(jī)加工性能好，MC尼龍制品作為“以塑代鋼、性能卓越”的工程塑料之一，用途極其廣泛。MC尼龍6的部分物理及力學(xué)性能見表1。

表1 試驗(yàn)用MC尼龍的部分參數(shù)

試驗(yàn)采用對(duì)接的形式對(duì)MC尼龍板進(jìn)行FSW，試驗(yàn)設(shè)備采用綺發(fā)VH-850立式數(shù)控銑床，焊接工藝過(guò)程由數(shù)控銑床系統(tǒng)進(jìn)行控制。攪拌摩擦焊刀具采用右旋錐形螺紋攪拌頭，攪拌針長(zhǎng)度為4 mm，軸肩直徑為12 mm，如圖1所示。夾具是由六個(gè)可拆卸壓塊和基座組成，使用螺栓將壓塊壓緊工件并固定于基座上，此夾具可實(shí)現(xiàn)搭接與對(duì)接工件的裝夾，夾具的傾角為2.5°，如圖2所示。

圖1 右旋錐形螺紋攪拌頭

圖2 夾具實(shí)物

焊接過(guò)程中，首先將攪拌頭插入到待焊接件中，攪拌頭插入深度與攪拌針長(zhǎng)度相同，設(shè)定攪拌頭在插入焊接件的起始位置停留10 s的時(shí)間，以用來(lái)預(yù)熱以及軟化材料，然后攪拌頭根據(jù)設(shè)定軌跡行走，行走結(jié)束后攪拌頭在焊縫末端抬起并留下與攪拌針直徑大小相同的孔。試驗(yàn)中用到的焊接參數(shù)見表2，焊接完成后，觀察焊縫表面形貌，為了評(píng)估接頭力學(xué)性能，在每個(gè)焊接件上各取3個(gè)拉伸試樣，試樣尺寸均為80 mm×20 mm×4 mm，如圖3所示。在室溫下利用萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣拉伸強(qiáng)度，拉伸速度設(shè)定固定值為5 mm/min。

表2 試驗(yàn)中所用的焊接參數(shù)

圖3 對(duì)接焊拉伸試樣

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)向?qū)缚p表面成型的影響

在焊接過(guò)程中觀察發(fā)現(xiàn)攪拌頭沿順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，螺紋的凹槽移動(dòng)方向是上升的趨勢(shì)，如圖4(a)所示，而當(dāng)攪拌頭沿逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，螺紋的凹槽移動(dòng)方向是下降趨勢(shì)，如圖4(b)所示。

圖4 刀具旋轉(zhuǎn)以及母材放置位置示意圖

為了確定MC尼龍F(tuán)SW的最佳轉(zhuǎn)向并產(chǎn)生良好的焊接區(qū)域，在轉(zhuǎn)速為500 rpm，焊接速度在10～55 mm/min范圍下，分別對(duì)MC尼龍板進(jìn)行順逆時(shí)針的FSW試驗(yàn)。如圖5(a)所示，雖然焊縫的上表面都處于接合狀態(tài)，但是觀察其橫截面圖，發(fā)現(xiàn)在焊接區(qū)域內(nèi)部?jī)H有一部分材料被完全固化，其中只有很少被完全固化的材料形成膠體狀態(tài)與母材本身融合。這種呈膠體狀態(tài)的材料不會(huì)隨著攪拌頭的行進(jìn)而改變其形態(tài)，但是由于短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量不均勻分布，從而導(dǎo)致大部分材料未能形成膠體狀態(tài)，因此接頭界面材料在焊縫上表面區(qū)域多以顆粒形式出現(xiàn)。

圖5 主軸不同轉(zhuǎn)向焊縫表面及截面圖

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入膠態(tài)的材料越多，在攪拌區(qū)材料融合效果越好，在這種焊接條件下的焊縫可以形成較好的形貌，且焊縫周圍的飛屑較少，如圖5(b)所示。而內(nèi)部存在較大空腔和孔洞等明顯缺陷的焊接區(qū)，表明材料之間的融合效果較差，如圖5(a)所示。為了更直觀的觀察不同轉(zhuǎn)向?qū)τ诤缚p表面的影響，挑選出三組在轉(zhuǎn)速為500 rpm下的焊縫表面成型順逆影響對(duì)比圖，其中a、c、e為逆時(shí)針轉(zhuǎn)向，b、d、f為順時(shí)針轉(zhuǎn)向，且a、b焊速 25 mm/min；c、d焊速35 mm/min；e、f焊速45 mm/min，如圖6所示。

圖6 焊縫表面形貌順逆對(duì)比圖

從圖6可以看出，在其他焊接參數(shù)均相同情況下，逆時(shí)針的表面成型均優(yōu)于順時(shí)針，焊接過(guò)程中所產(chǎn)生的飛屑以及毛刺較少，可以推斷出焊接區(qū)內(nèi)部材料填充較好。當(dāng)攪拌頭順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，螺紋凹槽是向上移動(dòng)的，如圖4(a)所示，材料沿凹槽逐漸上移最終飛出焊縫，使填充材料減少，因此會(huì)在焊縫內(nèi)部形成孔洞等缺陷；當(dāng)攪拌頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺紋的凹槽是向下移動(dòng)的，從而帶動(dòng)焊縫內(nèi)部材料下移，如圖4(b)所示，由于凹槽移動(dòng)方向和刀具旋轉(zhuǎn)方向相反，彼此之間會(huì)產(chǎn)生對(duì)抗的力，從而在焊接區(qū)域會(huì)產(chǎn)生更多的熱量，使材料更易變成膠體，并且從接合界面僅伴隨著較少材料排出。因此，在相同焊接參數(shù)下，試件在逆時(shí)針的成型效果優(yōu)于順時(shí)針。

2.2 主軸轉(zhuǎn)向?qū)鞆?qiáng)度的影響

因前文提到的試件在逆時(shí)針的表面成型質(zhì)量?jī)?yōu)于順時(shí)針，為了全面分析主軸轉(zhuǎn)向?qū)缚p接頭質(zhì)量的影響，分別對(duì)順逆時(shí)針的焊接件取3個(gè)拉伸試樣，并在萬(wàn)能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸強(qiáng)度結(jié)果取平均值，并繪制在兩種轉(zhuǎn)向下隨著焊接速度的增加拉伸強(qiáng)度變化折線圖，如圖7所示。

圖7 主軸轉(zhuǎn)向?qū)鞆?qiáng)度的影響

從圖7可以直觀地看到，雖然攪拌頭逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)條件下焊縫強(qiáng)度隨著焊接速度的增加其變化波動(dòng)較大，但是在其他焊接參數(shù)均相同的情況下，焊接件在逆時(shí)針旋向下的強(qiáng)度均高于順時(shí)針，并在逆時(shí)針旋向下且焊接速度為25 mm/min時(shí)，達(dá)到拉伸力最大值為2 054 N。綜合來(lái)看，主軸轉(zhuǎn)向?qū)τ诤缚p表面成型以及力學(xué)性能的影響較大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：攪拌頭旋向?yàn)槟鏁r(shí)針的效果優(yōu)于順時(shí)針。

2.3 斷裂位置

為了觀察對(duì)接接頭拉伸斷裂位置以及斷裂形式，并分析MC尼龍對(duì)接焊接頭斷裂的共性以及規(guī)律，分別對(duì)順時(shí)針和逆時(shí)針試件在焊接速度為25 mm/min、35 mm/min、45 mm/min、55 mm/min下的拉伸斷口進(jìn)行觀察，如圖8所示。

圖8 拉伸試樣斷裂位置

由圖8可以看出，無(wú)論是在逆時(shí)針還是順時(shí)針情況下，其斷裂位置均在后退側(cè)邊緣，Simoes[12]根據(jù)Arbegast模型發(fā)現(xiàn)，在攪拌頭沿焊縫行走過(guò)程中，熔融的材料從后退側(cè)流向前進(jìn)側(cè)，導(dǎo)致后退側(cè)的材料缺失從而形成不連續(xù)的結(jié)合狀態(tài)。焊縫區(qū)前進(jìn)側(cè)的材料部分來(lái)源于后退側(cè)熔融材料，材料流動(dòng)所產(chǎn)生的擠壓力足以使其在前進(jìn)側(cè)固結(jié)，從而在前進(jìn)側(cè)形成了良好的結(jié)合。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)焊接件的宏觀形貌以及力學(xué)性能進(jìn)行分析，得出了以下結(jié)論：

(1)成功實(shí)現(xiàn)了4 mm厚MC尼龍板材的FSW對(duì)接焊，通過(guò)對(duì)焊縫表面與接頭拉伸強(qiáng)度兩個(gè)角度進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)攪拌頭轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針表現(xiàn)出良好的接頭質(zhì)量。

(2)在逆時(shí)針條件下，在轉(zhuǎn)速為500 rpm、焊接速度為25 mm/min時(shí)，拉伸強(qiáng)度達(dá)到最大值為1 353 N。相對(duì)于其他連接技術(shù)的某些缺點(diǎn)來(lái)看，攪拌摩擦焊工藝可以適用于這種材料。

(3)通過(guò)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)多數(shù)焊接件斷裂于后退側(cè)，由于材料是從后退側(cè)流向前進(jìn)側(cè)，因此材料在后退側(cè)流失較多，往往有較多的孔隙而形成不連續(xù)的結(jié)合狀態(tài)。