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摘要：搅拌摩擦焊过程中各物理量的采集分析为理解接头形成过程及质量影响因素提供重要的数据支持。为研究搅拌摩擦微连接过程中焊接力及温度的变化情况，利用自制的监测系统对0.8 mm厚1060-H24超薄铝板搅拌摩擦微连接过程中的焊接力及不同搅拌头转速下的焊缝温度进行了实时测量采集。研究结果表明：搅拌头转速为11 000 r/min时焊缝温度最高，达到约350 ℃，因焊接过程中的搅拌摩擦作用，焊缝金属受热充足流动性好，易形成表面形貌美观且性能优良的搅拌摩擦微连接接头;搅拌头下压驻留后，在初始焊接阶段，焊接轴向力保持在约50 N，持续2 s后因母材受热严重软化导致轴向力开始迅速下降，降至约30 N后稳定焊接。在焊接阶段中焊接横向力始终保持在20～40 N范围内小幅度波动。
关键词：搅拌摩擦微连接;焊接力;焊接温度;监测系统
中图分类号：TG453+.9 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）06-0072-03
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.13
0 前言
搅拌摩擦微连接技术（μFSW）是在传统搅拌摩擦焊的基础上发展起来，主要针对1 mm以下厚度板材进行连接的焊接方法。其主要通过高转速的小直径搅拌头产热，在焊接过程中，焊接力、焊缝温度对搅拌头的转速及下压量等工艺参数极为敏感。目前国内针对于1 mm以下厚度板材的搅拌摩擦微连接技术的研究相对有限，有较大的发掘空间。
搅拌摩擦微连接过程中焊接力及焊缝温度的测量采集为研究分析焊缝的形成过程提供了重要的数据基础。文中通过设计搭建基于LabVIEW的监测装置，实现了对搅拌摩擦微连接过程中焊接力及焊缝温度的实时精确测量及记录。通过对焊接力及焊缝温度曲线的分析，可对搅拌摩擦微连接过程中焊缝组织演变过程的研究提供指导作用。
1 搅拌摩擦微連接监测装置
1.1 焊缝温度测量系统
根据铝合金薄板搅拌摩擦微连接过程中的焊缝温度范围[1]和试验环境，采用K型热电偶[2]作为焊缝温度传感器。K型热电偶一般由镍铬、镍铝合金制作而成，推荐温度测量范围为100～1 000 ℃。
将K型热电偶通过调理电路与USB-6008数据采集卡连接，同时将测量端探头接触所焊试板表面，产生热电势后，通过调理电路[3]及数据采集卡将电势转化为数据，传入数据采集软件LabVIEW，对焊接过程中的焊缝温度进行实时测量记录。焊接试验前须利用温升设备对采用的测温系统进行标定，保证其在焊接过程中测得的试板温度真实有效[4]。
1.2 焊接力测量系统
因小尺寸称重传感器具有较高的信噪比和系统稳定性以及动态响应快等优点[5]，采用其作为搅拌摩擦微连接过程中轴向力与横向力的测量仪器。为使称重传感器能够准确测量搅拌摩擦微连接过程中焊接力的大小，将滑轨、板材、快速夹具等材料与称重传感器进行组配，并将称重传感器用导线与调理电路模块[6]连接之后，通过数据采集卡及LabVIEW程序将测得的焊接力数据传入上位机保存以便分析。焊接试验前利用压力设备或砝码对所采用的测力系统进行标定，保证其在焊接过程中测得的轴向力及横向力数据真实有效。焊接温度及焊接力测量装置总成如图1所示。
1.3 LabVIEW数据采集系统设计
根据搅拌摩擦微连接过程中焊接力及焊缝温度的采集需求，绘制了LabVIEW测量程序，程序中使用TDMS可将采集卡采集的数据直接存储为Excel文件进行数据处理，使数据图表化，分析过程十分方便快捷并能够保证数据处理的准确性[7]。
2 焊接过程物理量分析
采用微连接搅拌摩擦焊机配备焊接力及焊缝温度监测装置对厚度为0.8 mm的1060-H24铝板进行焊接试验，测量采集所需数据以分析焊接过程中轴向力、横向力及焊缝温度的变化规律。焊接试验参数设置如表1所示，焊缝长30 mm，搅拌头下压量达到0.1 mm时保持该位置5 s后开始进行焊接。
2.1 焊缝温度
7 000～11 000 r/min搅拌头转速下的焊缝温度峰值趋势如图2所示。
经过对比可知，搅拌头转速小于11 000 r/min时焊缝温度峰值随着转速的提高而升高，转速为11 000 r/min时焊缝温度最高，约350 ℃。因焊接过程中的搅拌摩擦作用，焊缝金属受热充足、流动性好，易形成表面形貌美观且性能优良的搅拌摩擦微连接接头，如图3所示。转速大于11 000 r/min时，焊缝温度峰值下降，因为在下压量一定、搅拌头转速大于某一限定值时，搅拌头轴肩表面与试板表面无法紧密贴合导致摩擦接触面积及摩擦力减小，从而导致摩擦产热降低，焊接温度峰值减小。
2.2 焊接力分析
搅拌头转速为11 000 r/min时，测量采集焊接过程中的轴向力，轴向力曲线如图4所示。搅拌摩擦微连接过程根据搅拌头移动形式可主要分为4个阶段：下压、驻留、焊接和搅拌头抽出退刀阶段[8]。
由图4可知，下压阶段前期随着搅拌针以低进给速度地压入试板，轴向力增大，当搅拌头轴肩与试板摩擦接触时（见图4Ⅰ处）轴向力最大，约为150 N。此时搅拌头轴肩与试板金属材料高速旋转摩擦产生的充足热量，使摩擦区域的母材金属受热软化至塑性状态。下压方向上还未受到旋转摩擦作用的母材金属虽受热但因热量不足没有达到塑性状态，对搅拌头下压进给仍有较大阻碍作用力，使得轴向力在搅拌头轴肩后续下压过程中缓慢下降至约135 N。进入驻留阶段，在搅拌头轴肩和搅拌针对母材金属充分搅拌摩擦并产生足够热量后，下压方向上整体厚度的母材金属软化且达到塑性状态，轴向力开始陡降（见图4Ⅱ处），下降量约为60 N。在初始焊接阶段，焊接轴向力保持在约50 N，持续2 s后因母材受热严重软化导致轴向力开始迅速下降（见图4Ⅲ处），降至约30 N后稳定焊接（见图4Ⅳ处）。焊接阶段结束后，搅拌头抽离试板退刀，试板释压，轴向力陡降回归零位。 同时测得该搅拌头转速下的焊接横向力如图5所示。由于下压阶段中搅拌头轴肩与试板表面接触瞬时的不稳定性，在已对轴向力传感器加载正向预紧力的情况下横向力出现短时间的负跳跃现象，而在焊接阶段中焊接横向力始终保持在20～40 N范围内小幅度波动。
3 结论
（1）当其他参数不变，搅拌头转速小于11 000 r/min时，搅拌头转速提升，摩擦产热增加，焊缝温度峰值上升;转速大于11 000 r/min时，因搅拌头转速过大导致搅拌头轴肩表面与试板表面无法紧密贴合导致摩擦接触面积及摩擦力减小，使摩擦产热降低，焊接温度峰值减小。
（2）搅拌头转速为11 000 r/min时焊缝温度最高，约350 ℃;因焊接过程中的搅拌摩擦作用，焊缝金属受热充足流动性好，易形成表面形貌美观且性能优良的搅拌摩擦微连接接头。
（3）在初始焊接阶段，焊接轴向力保持在约50 N，持续2 s后因母材受热严重软化导致轴向力开始迅速下降，降至约30 N后稳定焊接;焊接横向力在此过程中始终保持在20～40 N范围内小幅度波动。
参考文献：
祖稭. 铝合金高转速搅拌摩擦焊接头组織性能及温度场 研究[D]. 江苏：江苏科技大学，2018.
吕鹏飞，裴东兴，沈大伟. 基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究[J]. 传感技术学报，2014，27（6）：775-780.
甄国勇，王向玲，侯卓. 基于热电偶的温度测量信号调理电路[J]. 核电子学与探测技术，2012，32（3）：220-221.
方彦军，薛菲，陈梅城. 一种新型热电偶温度测量装置的设计[J]. 传感器与微系统，2005，24（11）：47-49.
张寿德. 称重传感器检测系统的设计及实现分析[J]. 中国标准化，2018，520（8）：220-221.
李萌萌，宁祎，王统. 微型称重测力传感器信号调理电路设计[J]. 制造业自动化，2014（21）：134-136.
王吉胜，黎向锋，左敦稳，等. 基于LabVIEW的搅拌摩擦焊在线监测系统[J]. 航空制造技术，2011（23）：105-108.
马核，田志杰，熊林玉，等. 2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析[J]. 航空制造技术，2018（8）：55-61.
关键词：搅拌摩擦微连接;焊接力;焊接温度;监测系统
中图分类号：TG453+.9 文献标志码：A 文章编号：1001-2003（2021）06-0072-03
DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.06.13
0 前言
搅拌摩擦微连接技术（μFSW）是在传统搅拌摩擦焊的基础上发展起来，主要针对1 mm以下厚度板材进行连接的焊接方法。其主要通过高转速的小直径搅拌头产热，在焊接过程中，焊接力、焊缝温度对搅拌头的转速及下压量等工艺参数极为敏感。目前国内针对于1 mm以下厚度板材的搅拌摩擦微连接技术的研究相对有限，有较大的发掘空间。
搅拌摩擦微连接过程中焊接力及焊缝温度的测量采集为研究分析焊缝的形成过程提供了重要的数据基础。文中通过设计搭建基于LabVIEW的监测装置，实现了对搅拌摩擦微连接过程中焊接力及焊缝温度的实时精确测量及记录。通过对焊接力及焊缝温度曲线的分析，可对搅拌摩擦微连接过程中焊缝组织演变过程的研究提供指导作用。
1 搅拌摩擦微連接监测装置
1.1 焊缝温度测量系统
根据铝合金薄板搅拌摩擦微连接过程中的焊缝温度范围[1]和试验环境，采用K型热电偶[2]作为焊缝温度传感器。K型热电偶一般由镍铬、镍铝合金制作而成，推荐温度测量范围为100～1 000 ℃。
将K型热电偶通过调理电路与USB-6008数据采集卡连接，同时将测量端探头接触所焊试板表面，产生热电势后，通过调理电路[3]及数据采集卡将电势转化为数据，传入数据采集软件LabVIEW，对焊接过程中的焊缝温度进行实时测量记录。焊接试验前须利用温升设备对采用的测温系统进行标定，保证其在焊接过程中测得的试板温度真实有效[4]。
1.2 焊接力测量系统
因小尺寸称重传感器具有较高的信噪比和系统稳定性以及动态响应快等优点[5]，采用其作为搅拌摩擦微连接过程中轴向力与横向力的测量仪器。为使称重传感器能够准确测量搅拌摩擦微连接过程中焊接力的大小，将滑轨、板材、快速夹具等材料与称重传感器进行组配，并将称重传感器用导线与调理电路模块[6]连接之后，通过数据采集卡及LabVIEW程序将测得的焊接力数据传入上位机保存以便分析。焊接试验前利用压力设备或砝码对所采用的测力系统进行标定，保证其在焊接过程中测得的轴向力及横向力数据真实有效。焊接温度及焊接力测量装置总成如图1所示。
1.3 LabVIEW数据采集系统设计
根据搅拌摩擦微连接过程中焊接力及焊缝温度的采集需求，绘制了LabVIEW测量程序，程序中使用TDMS可将采集卡采集的数据直接存储为Excel文件进行数据处理，使数据图表化，分析过程十分方便快捷并能够保证数据处理的准确性[7]。
2 焊接过程物理量分析
采用微连接搅拌摩擦焊机配备焊接力及焊缝温度监测装置对厚度为0.8 mm的1060-H24铝板进行焊接试验，测量采集所需数据以分析焊接过程中轴向力、横向力及焊缝温度的变化规律。焊接试验参数设置如表1所示，焊缝长30 mm，搅拌头下压量达到0.1 mm时保持该位置5 s后开始进行焊接。
2.1 焊缝温度
7 000～11 000 r/min搅拌头转速下的焊缝温度峰值趋势如图2所示。
经过对比可知，搅拌头转速小于11 000 r/min时焊缝温度峰值随着转速的提高而升高，转速为11 000 r/min时焊缝温度最高，约350 ℃。因焊接过程中的搅拌摩擦作用，焊缝金属受热充足、流动性好，易形成表面形貌美观且性能优良的搅拌摩擦微连接接头，如图3所示。转速大于11 000 r/min时，焊缝温度峰值下降，因为在下压量一定、搅拌头转速大于某一限定值时，搅拌头轴肩表面与试板表面无法紧密贴合导致摩擦接触面积及摩擦力减小，从而导致摩擦产热降低，焊接温度峰值减小。
2.2 焊接力分析
搅拌头转速为11 000 r/min时，测量采集焊接过程中的轴向力，轴向力曲线如图4所示。搅拌摩擦微连接过程根据搅拌头移动形式可主要分为4个阶段：下压、驻留、焊接和搅拌头抽出退刀阶段[8]。
由图4可知，下压阶段前期随着搅拌针以低进给速度地压入试板，轴向力增大，当搅拌头轴肩与试板摩擦接触时（见图4Ⅰ处）轴向力最大，约为150 N。此时搅拌头轴肩与试板金属材料高速旋转摩擦产生的充足热量，使摩擦区域的母材金属受热软化至塑性状态。下压方向上还未受到旋转摩擦作用的母材金属虽受热但因热量不足没有达到塑性状态，对搅拌头下压进给仍有较大阻碍作用力，使得轴向力在搅拌头轴肩后续下压过程中缓慢下降至约135 N。进入驻留阶段，在搅拌头轴肩和搅拌针对母材金属充分搅拌摩擦并产生足够热量后，下压方向上整体厚度的母材金属软化且达到塑性状态，轴向力开始陡降（见图4Ⅱ处），下降量约为60 N。在初始焊接阶段，焊接轴向力保持在约50 N，持续2 s后因母材受热严重软化导致轴向力开始迅速下降（见图4Ⅲ处），降至约30 N后稳定焊接（见图4Ⅳ处）。焊接阶段结束后，搅拌头抽离试板退刀，试板释压，轴向力陡降回归零位。 同时测得该搅拌头转速下的焊接横向力如图5所示。由于下压阶段中搅拌头轴肩与试板表面接触瞬时的不稳定性，在已对轴向力传感器加载正向预紧力的情况下横向力出现短时间的负跳跃现象，而在焊接阶段中焊接横向力始终保持在20～40 N范围内小幅度波动。
3 结论
（1）当其他参数不变，搅拌头转速小于11 000 r/min时，搅拌头转速提升，摩擦产热增加，焊缝温度峰值上升;转速大于11 000 r/min时，因搅拌头转速过大导致搅拌头轴肩表面与试板表面无法紧密贴合导致摩擦接触面积及摩擦力减小，使摩擦产热降低，焊接温度峰值减小。
（2）搅拌头转速为11 000 r/min时焊缝温度最高，约350 ℃;因焊接过程中的搅拌摩擦作用，焊缝金属受热充足流动性好，易形成表面形貌美观且性能优良的搅拌摩擦微连接接头。
（3）在初始焊接阶段，焊接轴向力保持在约50 N，持续2 s后因母材受热严重软化导致轴向力开始迅速下降，降至约30 N后稳定焊接;焊接横向力在此过程中始终保持在20～40 N范围内小幅度波动。
参考文献：
祖稭. 铝合金高转速搅拌摩擦焊接头组織性能及温度场 研究[D]. 江苏：江苏科技大学，2018.
吕鹏飞，裴东兴，沈大伟. 基于K型热电偶的瞬态测温技术的研究[J]. 传感技术学报，2014，27（6）：775-780.
甄国勇，王向玲，侯卓. 基于热电偶的温度测量信号调理电路[J]. 核电子学与探测技术，2012，32（3）：220-221.
方彦军，薛菲，陈梅城. 一种新型热电偶温度测量装置的设计[J]. 传感器与微系统，2005，24（11）：47-49.
张寿德. 称重传感器检测系统的设计及实现分析[J]. 中国标准化，2018，520（8）：220-221.
李萌萌，宁祎，王统. 微型称重测力传感器信号调理电路设计[J]. 制造业自动化，2014（21）：134-136.
王吉胜，黎向锋，左敦稳，等. 基于LabVIEW的搅拌摩擦焊在线监测系统[J]. 航空制造技术，2011（23）：105-108.
马核，田志杰，熊林玉，等. 2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析[J]. 航空制造技术，2018（8）：55-61.