Name: 通过 DP780 钢上的摩擦搅拌点焊生成圈接头 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-08-13T12:30:00.000+00:00
Duration: 7 min 18 s
Description: 学习搅拌摩擦点焊技术在DP780双相钢上制备搭接接头的方法。该工艺利用高速旋转的搅拌针产生摩擦热，实现低温焊接、无飞溅且工艺稳定，适用于汽车轻量化先进高强钢连接。

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我们感谢中国钢铁公司杨克诚博士提供的材料支持，并向金属工业研究发展中心的王立德先生、王重凯先生和洪炳耀先生致以诚挚谢意，感谢他们在实验性搅拌摩擦点焊方面提供的协助。本研究由位于中国台湾高雄的金属工业研究发展中心资助。

1. 材料准备
注意：将1.6 mm厚的DP780板材加工成40 mm × 125 mm的试样。FSSW接头设计为用于力学试验的搭接剪切试样。按照RSW标准NF ISO 18278-2; 2005，将两块125 mm × 40 mm的板材以35 mm × 40 mm的重叠区域连接。采用具有多晶金刚石几何设计的工具，其肩部为截锥形。几何设计如图1a所示。针脚直径为5 mm，长度为2.5 mm，肩部宽度为10 mm。实际工具针脚如图1b所示。
<ol>
	<li>安全指南
	<ol>
		<li>使用通风橱或挡板、护目镜和手套等设备进行防护。</li>
		<li>站在通风橱或挡板后方。佩戴护目镜和手套，以防止飞溅接触或热损伤。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>FSSW 机器设置
	<ol>
		<li>使用由 MIRDC 制造的搅拌摩擦焊机完成所有接头的制备。</li>
		<li>通过内置的数据采集（DAQ）系统，在每次连接操作过程中记录 Z 轴向力和贯入深度。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>参数设置
	<ol>
		<li>本研究中使用以下参数：工具针旋转速度为 2,500 rpm，工具针停留时间为 4 s，工具针压入板材的速率为 0.5 mm/s。</li>
		<li>对操作人员进行参数优化。旋转速度范围为 1,000–2,500 rpm，停留时间范围为 2–10 s，压入速率范围为 0.1–0.5 mm/s。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
2. 实验步骤
注意：工作空间如图2所示。所有制造过程均在该工作空间内完成。在开始操作前，焊接工艺序列由工具旋转速度、压入深度的组合，以及一系列包括预热、压入、保压、回撤和后加热的步骤组成。所有步骤以工作流程图的形式展示于图3中。
<ol>
	<li>DP780 工件准备
	<ol>
		<li>在焊接过程开始前，确保工件表面无杂质污染。使用针织微纤维布擦拭工件表面，以清除任何微小颗粒。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>放置 DP780 工件，并将两块 DP780 板材（尺寸：125 mm × 40 mm）以 35 mm 的重叠量夹紧。将清洁后的工件固定在砧板上，防止其移动。</li>
	<li>确保针具清洁，以避免杂质污染。使用针织微纤维布擦拭工具针表面，清除微小颗粒。</li>
	<li>将针具用夹具固定在机器上。
	<ol>
		<li>再次拧紧工具针，确保其牢固夹紧。</li>
		<li>注意针具夹紧步骤。确保针具在机器中夹紧，以避免危险。旋转工具周围设有非旋转的夹紧环，通过施加夹紧力，在焊接前和焊接过程中将工件紧密压合。如图 3a所示，标注了用于固定工具针的夹紧环。完成此步骤后，生产流程如流程图所示。</li>
		<li>确保安全。</li>
		<li>确认高速旋转的针具在无夹紧环时会松动。当工具针安装在机器上时，必须确保其在旋转过程中不会从夹具中脱离，以确保安全。工具针先以 10 至 100 rpm 的低速旋转运行 1 分钟，随后可在 1 分钟内加速至 1,000 rpm（图 3b）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>机器设置
	<ol>
		<li>使用以下参数：转速 3,000 rpm，停留时间 4 s，下压速度 0.5 mm/s（图 3c）。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>校准焊接位置（图 3d 及 图 4a 所示实际产品）。
	<ol>
		<li>将针具置于搅拌点焊机中。针具与工件之间的间隙应小于 5 cm，以校准接合位置。确认位置后，进入焊接工序。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>焊接过程中，佩戴护目镜和手套，以防受伤。
	<ol>
		<li>在工具高速旋转状态下开始焊接，使工具针压入工件。工具肩部接触工件后，停止旋转并回撤针具。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>下压
	<ol>
		<li>开启搅拌按钮。当机器预热完成后，确认工具针稳定运行在 2,500 rpm 的转速下。确保工具针在 2,500 rpm 高速旋转下夹紧良好。针具在高速旋转下压入工件，同时工具肩部以高角速度接触工件（图 3e）。实际产品如 图 4b 所示。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>搅拌
	<ol>
		<li>当压入的工具针继续在工件中搅拌时，由摩擦热使针与材料界面软化，从而形成晶粒。当工具针的肩部接触工件顶部时，应停止操作，因为工具针的高速旋转可能产生高温。务必佩戴防护装备以确保操作安全（见 图 3f）。实际产品如 图 4c 所示。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>回撤
	<ol>
		<li>沿垂直方向抽出工具针。操作完成后，针具在搭接接头处形成钥匙孔状焊点。注意，摩擦搅拌点焊在此步骤结束（图 3g）。实际产品如 图 4e 所示。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>移除工件。
	<ol>
		<li>关闭机器电源。</li>
		<li>焊接完成后，从砧板上取下工件。观察样品是否存在裂纹或未熔合缺陷。</li>
		<li>移除工具针。</li>
		<li>操作结束后，将工具针从夹紧环中取出。观察并检查工具针的外观（图 5）。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>
3. 机械性能评估
<ol>
	<li>搅拌摩擦焊焊缝的显微组织观察（图3h）
	<ol>
		<li>显微样品制备</li>
		<li>利用光学显微镜图像和二次电子图像分析，测量结合区域的横截面积。使用粒径范围为200至2,000的碳化硅砂纸进行样品研磨，从200目开始依次递增。随后用0.03%的氧化铝进行抛光，并在室温下用4%硝酸酒精溶液腐蚀7–10秒。</li>
		<li>显微观察</li>
		<li>采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察并表征显微组织。工作电压设为20 kV，工作距离为10 μm。通过光学显微镜可判断是否存在微小裂纹或熔合区缺失。利用扫描电子显微镜分析马氏体与奥氏体的分布以及晶粒尺寸。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>显微硬度
	<ol>
		<li>显微硬度实验需重复验证三次以上。由于数值较小，标准偏差不明显。</li>
		<li>使用维氏金刚石压头，试验载荷为300 g，每点间距0.5 mm。</li>
		<li>采用显微硬度测试仪对DP780钢片进行显微硬度测试，载荷为300 g，保载时间为15 s。显微硬度测试结果揭示了焊缝搅拌区、热机影响区、热影响区以及母材区域的硬度分布和各区域的硬度值。</li>
	</ol>
	</li>
</ol>

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</ol>

作者无任何利益冲突需要披露。

在FSSW过程中，压入阶段最为关键。若搅拌头肩部产生的摩擦热不足以软化工件，搅拌针将发生断裂。FSSW过程中的工具几何形状、旋转速度、停留时间以及工具压入深度26等参数对焊缝接头的完整性起着决定性作用。已有研究报道，压入深度（TPD）和工具几何形状27对接头的可焊性及接头性能具有重要影响。
TWI设计的针具几何形状包括圆柱形（cylindrical）、Whorl、MX Triﬂute、Flared-Triﬂute、A-skew和Re-stir28。这些形状适用于对接焊，但不适用于搭接焊，因为强烈的搅拌作用会产生横向力，从而增加工具运动阻力和焊接扭矩。其中，Flared-Triﬂute、A-skew和Re-stir型工具针适用于搭接焊；其设计旨在增加针的扫过体积，以扩大搅拌区域，形成更宽的塑性化搭接接头29。同时，在摩擦搅拌点焊（FSSW）过程中，旋转工具与工件界面因摩擦而产生热量。工具几何形状...

搅拌摩擦焊（FSW）最早于1991年由英国阿宾顿的TWI公司报道1。2003年，Piccini和Svoboda提出了一种可进一步发挥FSW优势的改进方法，称为搅拌摩擦点焊（FSSW），并将其应用于商业汽车制造工艺中2。FSSW技术通过在不发生整体区域熔化的条件下形成点状搭接接头。FSSW技术最重要的应用进展体现在铝合金材料上，因为在高温条件下，铝合金在焊接过程中会发生塑性变形。首个成功应用案例出现在汽车工业中，FSSW被用于制造马自达RX-8车型的整个后车门1,3,4。
与此同时，高强度钢是车身的主要材料，特别是双相钢。文献表明，采用FSSW（摩擦塞焊）工艺生产的DP600可具有与母材相同的性能，其所有焊接区域均具有相似的显微组织和硬度水平5。已有少数研究人员对DP钢在FSSW过程中搅拌区（SZ）、热机影响区（TMAZ）的显微组织，以及DP590和DP600钢的失效模式进行了研究。他们观察到，在不同旋转速度下，DP590和DP600钢的显微组织（铁素体、贝氏体和马氏体）一致性存在差异6,7,8,9,10。一些研究人员对DP780钢的FSSW与电阻点焊（RSW）进行了对比研究8,9。他们报告指出，较长的连接时间和较高的工具旋转速度会增加所有压入过程中的结合面积，从而提高剪切力，并使失效模式由界面断裂转变为拉出失效。他们还得出结论：FSSW的强度高于RSW。FSSW工艺包括三个步骤：压入、搅拌和回撤。第一步是将旋转的工具针头靠近搭接板件并压入板材中。在FSSW过程中，旋转工具的轴肩可产生摩擦热。在第二步中，热量可软化板材，促进工具针头插入板材，并在材料中保持一段时间，使两个工件在针头周围充分搅拌和混合。最后，工具轴肩对工件施加的压力可增强结合效果。焊接完成后，针头可从匙孔中回撤。与RSW相比，FSSW的优点包括焊接温度更低、无飞溅以及制造过程更稳定。
尽管已有众多研究人员报道了先进高强钢（AHSS）的搅拌摩擦点焊（FSSW）研究，但针对DP590、DP600和DP780钢的FSSW研究主要集中在不同工艺参数下的显微组织、力学性能及失效模型。本研究聚焦于DP780钢的搅拌摩擦点焊。文中详细报道了FSSW工艺的操作流程，并基于实测的显微硬度，对搅拌区、热机影响区、热影响区以及母材各自的硬度进行了评估。
随着汽车和航空航天工业的持续发展以及对减重需求的日益增长，汽车行业对先进高强钢（AHSS）和搭接接头的兴趣不断增加。例如，传统汽车车身平均包含超过2000个点焊搭接接头11。工业中常用的搭接接头焊接工艺主要有三种，包括电阻点焊、激光点焊和摩擦点焊12。减轻重量的一种方法是使用先进高强钢（AHSS）。目前最受欢迎的材料是双相钢和相变诱导塑性（TRIP）钢，这些材料在汽车工业中的应用正日益增多13,14,15,16。由于汽车工业在降低车身重量的同时，对燃油经济性和碰撞能量吸收性能提出了更高的要求，从而提高了材料强度标准，因此不同材料与焊接工艺的应用正成为一个关键问题。

<table><tbody><tr><td>铁砧</td><td>MIRDC</td><td></td><td>由 MIRDC 制造</td></tr><tr><td>DP780</td><td>中国钢铁股份有限公司</td><td>CSC DP780</td><td></td></tr><tr><td>搅拌点焊机</td><td>MIRDC</td><td></td><td>由 MIRDC 制造</td></tr><tr><td>工具针</td><td>KINIK COMPANY</td><td>DBN2B005B</td><td></td></tr></tbody></table>

通过摩擦搅拌点焊在dp780钢上制备搭接接头

Generating Lap Joints Via Friction Stir Spot Welding on DP780 Steel

搅拌摩擦点焊（FSSW）是搅拌摩擦焊（FSW）的一种衍生技术，是一种于1991年开发的固态焊接方法。2003年，该技术在汽车工业中找到了应用，用于焊接汽车后车门所用的铝合金材料。搅拌摩擦点焊主要用于铝合金，以形成搭接接头。其优点包括焊接温度接近熔点的80%，与电阻点焊相比，热变形小且无飞溅。搅拌摩擦点焊包含三个步骤：压入、搅拌和回抽。在本研究中，除铝合金外，还尝试将高强度钢等其他材料应用于搅拌摩擦焊接工艺中。DP780是汽车工业中常用的几种高强度钢之一，其传统焊接工艺通常采用电阻点焊。本文采用DP780进行搅拌摩擦点焊，并对其显微组织和显微硬度进行了测定。显微组织结果显示，焊点存在晶粒细小的熔合区以及含有岛状马氏体的热影响区。显微硬度测试结果表明，焊点中心区域的硬度高于母材。所有数据表明，搅拌摩擦点焊可用于双相钢780并形成良好的搭接接头。未来，搅拌摩擦点焊有望应用于工业制造过程中的高强度钢焊接。

图 3 中的示意图表明，搅拌摩擦点焊过程包含三个阶段：下压（图 3e）、搅拌（图 3f）和回抽（图 3g）。在本研究中，可形成焊接点。其中，贯入深度是被评估的因素之一。在 图 6a 中，搅拌摩擦点焊在中心形成匙孔，以实现两块板材的连接。匙孔的测量深度定义为从板材表面到匙孔底部表面的距离（图 6b）。测量结果如 图 6c 所示，设定值为 2 cm，实际测量值介于 1.92 至 1.98 cm 之间。在 图 7 中，图像展示了 DP780 板材上焊接点的匙孔整体形貌。对母材显微组织的分析显示，在铁素体基体...

本文介绍了一种在双相780钢上进行搅拌摩擦点焊（FSSW）的实验方案。通过高速旋转的焊具针部产生摩擦热，使材料软化，随后针部插入两片板材的接合处，形成搭接接头。

通过摩擦搅拌点焊在DP780钢上制备搭接接头

搅拌摩擦点焊（FSSW）是搅拌摩擦焊（FSW）的一种衍生技术，是一种于1991年开发的固态焊接工艺。该技术在工业中……

汽车工业对减重的需求日益增长，使得搭接接头和先进高强钢（AHSS）受到越来越多的关注。然而，AHSS的点焊接头在工艺可靠性方面仍面临挑战。与电阻点焊相比，搅拌摩擦点焊（FSSW）具有焊接温度较低、无飞溅以及制造过程更稳定等优势。演示该实验操作的是本实验室的研究生 Cheng Chia-Ping 和 Hsu Hao。在操作过程中，请佩戴护目镜和手套，以防止液体飞溅或热损伤。同时应站在通风橱或挡板后方以提供保护。使用搅拌摩擦焊机制造所有接头。利用内置的数据采集系统，在每次连接操作过程中记录轴向力和压入深度。设定工具针的旋转速度为 25,000 转/分钟，工具针焊接时间为 4 秒，工具针插入板材的速率为 0.5 毫米/秒。优化操作人员的参数。旋转速度范围为 1,000 至 2,500 转/分钟。停留时间范围可为 2 至 10 秒，下压速率可为 0.1 至 0.5 毫米/秒。在焊接之前，确保没有杂质基底污染工件。使用针织无尘布擦拭工件表面，以去除任何微小颗粒。放置 DP 780 工件，并将两张 DP 780 板材夹紧，使其重叠 35 毫米。将清洁的工件固定在铁砧上，以防止移动。确保针具清洁，以避免杂质对基底造成污染。使用针织超细纤维布擦拭工具针的表面。将针具固定在机器上的夹具时，首先应将工具针拧紧。注意针具夹紧步骤，确保针具在机器上被牢固夹紧，以避免危险。旋转工具周围有一个不旋转的夹紧环，通过施加夹紧力，可在焊接前和焊接过程中将工件牢固地压合在一起。确认无夹紧环的高速旋转销已松开。将工具针安装到设备上时，为确保安全，应确保工具针在旋转过程中不会从夹紧装置中脱离。工具针在一分钟内的转速为10至100转/分钟。转速可在一分钟内从100加速至1,000转/分钟。将设备设置为转速3,000转/分钟、停留时间4秒、下压速率为0.5毫米/秒。校准焊接位置与实际产品位置。将针具安装到搅拌摩擦焊机中。针具与工件之间的距离应小于5厘米，以校准接头位置。确认位置后，进入焊接过程。以工具高速旋转开始焊接过程，将工具针插入工件中。工具肩部接触工件，停止旋转，然后缩回针。进行插拔操作时，首先打开搅拌按钮。当机器预热完成后，确认工具针的旋转速度稳定保持在 2,500 RPM。确保在 2,500 RPM 的高速旋转下，工具针被牢固夹紧。在高速旋转下，针状部分插入工件，同时工具肩部以高角速度与工件接触。随着针状部分持续在工件中搅拌，摩擦热使针与材料的界面软化，从而形成晶粒。当工具针的肩部接触工件顶部时，应停止操作，因为工具针的高速旋转可能产生高温。佩戴可确保操作安全的防护装备非常重要。将工具针沿垂直方向抽出。操作完成后，该针会在搭接接头处形成钥匙孔状焊点。请注意，摩擦搅拌点焊在此步骤中停止。关闭设备电源。焊接完成后，将工件从底座上取下。观察样品是否存在裂纹和未熔合现象。操作完成后，从夹紧环中取出工

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学习搅拌摩擦点焊技术在DP780双相钢上制备搭接接头的方法。该工艺利用高速旋转的搅拌针产生摩擦热，实现低温焊接、无飞溅且工艺稳定，适用于汽车轻量化先进高强钢连接。

通过摩擦搅拌点焊在DP780钢上制备搭接接头

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