0 前言
回填式搅拌摩擦点焊(R-FSSW)是一种固态单点连接方法，该方法通过精确控制搅拌工具相对运动使得焊点材料回填，消除常规式搅拌摩擦点焊(FSSW)焊后匙孔，从而提高点焊接头力学性能[1-2]。与电阻点焊和铆接相比，它具有接头强度高、质量稳定性好、焊接变形小、能耗低以及焊点美观等优点[3]，日益受到汽车及航空工业领域的广泛关注[4]。
一个青年人在思想上是否成熟，要看他是否有自我创造的自觉意识和有效结果，能不能通过自我创造过程，把外来的知识信息、资源条件转换成自我创造的要素，完成社会性自我身心的创造。大学教育与中小学教育相比，青年自我创造的成分越来越突出。如果处在大学教育的关键阶段，缺乏必要的自我创造意识，会是一个严重的问题。以往普遍存在的被动灌输式教育压抑了学生的创造力，使之忘记自己是创造的主体。而没有自我创造的意识，就不能培养人的创造力。我们走向一个新时代，要使中华民族创造力焕发出来，青年在成长中就要培养自我创造的意识。
在回填式搅拌摩擦点焊中，高速旋转焊具与工件摩擦生热使得焊接材料软化并发生塑性变形。焊具旋转速度是决定焊接热输入的决定性因素，进而决定接头的力学性能。T. Rosendo等人[5]采用回填式搅拌摩擦点焊成功获得性能较好的 AA6181-T4接头，研究结果显示适当降低旋转速度能够提高接头的力学性能。申志康等人[6]研究结果显示7075-T6铝合金R-FSSW接头强度随焊具旋转速度增加呈先增大后减小的趋势，旋转速度较大时，材料的局部瞬时熔化引起的焊具滑移造成焊具对材料的搅拌作用降低是降低接头强度的主要原因。
目前国内外 R-FSSW 研究主要集中于焊接工艺和接头性能，特别是2 系和7 系铝合金，对5系铝合金R-FSSW 接头综合性能研究尚少。为此，采用R-FSSW技术对5182-O铝合金进行焊接，系统研究低旋转速度下接头的成形及力学性能。
1 试验方法
试验所用的材料为1.5 mm 厚的5182-O铝合金，其化学成分见表1。焊接试验在FSSW-SK-003型点焊机上进行，焊接过程中能够提供最高轴向压力为15 kN，最高旋转速度达3 000 r/min。点焊工具为分体式，由压紧套、搅拌套及搅拌针组成，其直径分别为18 mm，9 mm，5.2 mm，其中搅拌套加工有左旋螺纹，搅拌针加工有环形槽。
表1 5182-O化学成分(质量分数，%)
SiFeCuMnMgCrZnTiAl0.200.350.150.20～0.504.0～5.00.100.250.10余量
试验的点焊接头采用搭接形式，剪切拉伸、十字拉伸及疲劳试样，其几何尺寸如图1所示。焊前所有铝片用乙醇擦拭，去除油污等杂质。采用正交法设计试验，选取焊接时间、旋转速度和下扎深度为因素，因素水平见表2。试验采用搅拌套下扎形式，其中焊接时间是指搅拌套下扎与回抽时间的总和，焊具为同向同速旋转。每组参数焊接6个剪切拉伸试样，检测结果除去极值后取平均值，以剪切拉伸力为正交试验结果评价指标，采用正交试验优化后参数制备十字拉伸及疲劳试样。
图1 R-FSSW点焊试样几何尺寸
表2 正交试验因素与水平表
因素焊接时间t/s旋转速度n/(r·min-1)下扎深度d/mm14.51 0001.725.51 2001.836.51 4001.9
沿垂直于焊点中心的方向切割试样，经镶嵌、研磨、腐蚀后对接头微观组织进行观察分析。采用DNS100型万能拉伸试验机进行拉伸试验，疲劳试验在MTS810疲劳试验机上进行，在室温下正弦应力控制方式，应力比为0.1，加载频率20 Hz。每组试件均分为6个疲劳载荷级，最大为最大静拉剪载荷 60%，绘制载荷与疲劳寿命的关系，即F-N曲线。使用JSM-7001F扫描电子显微镜进行疲劳断口观察。
2 试验结果及分析
正交试验方案和结果见表3。由结果可知，焊接时间为6.5 s，旋转速度为1 000 r/min，下扎深度为1.9 mm时，接头剪切力达最大值6.62 kN，经计算接头抗剪强度为 104 MPa，达到母材强度(278 MPa)的37.4%。图2a为接头剪切力与位移关系曲线，试验选取表3序号1-7的焊接参数为较佳工艺参数，并以此制备R-FSSW十字拉伸及疲劳试样。由试验结果直观分析可知，下扎深度对接头剪切力影响最大，其次是旋转速度，最后是焊接时间。图2b 为接头正应力作用下力与位移关系曲线，均值为3.67 kN，约为母材剪切力的55.4%。
表3 正交试验结果
序号焊接时间t/s旋转速度n/(r·min-1)下扎深度d/mm剪切力F/kN14.51 0001.75.8824.51 2001.85.9634.51 4001.96.1545.51 0001.86.3755.51 2001.96.1965.51 4001.75.2776.51 0001.96.6286.51 2001.75.0196.51 4001.85.41R0.3170.6800.933—因素主次下扎深度→旋转速度→焊接时间
图2 接头拉伸曲线
图3a为低转速下R-FSSW 接头表面成形，工艺参数为旋转速度1 000 r/min,下扎深度1.9 mm，焊接时间6.5 s，可以看出点接头表面平整美观，飞边较少，焊点表面无环沟槽缺陷。图3b所示为接头截面宏观形貌，由图可知，接头焊后材料回填充分，焊点根部无孔洞。焊点中心存在粘连韧带区(图3c)。如图3d所示接头表面出现一黑色区域，呈环形分布。Y. Q. Zhao等人[7]采用添加 0.2 mm下压量补偿焊接过程中材料损耗，消除焊后环沟槽缺陷，但焊后搅拌针面成形较差。
图3 低旋转速度下R-FSSW 接头表面成形
图4为试验焊接工艺路线图，其中焊接时间为6.5 s，旋转速度为1 000 r/min，下扎深度为1.9 mm。焊接时下扎与回抽时间比值为1.5，其中搅拌套下扎速度为0.49 mm/s，回抽速度为0.69 mm/s。搅拌针回抽速度为0.98 mm/s，下压阶段分为两个时间相等阶段，其下压速度分别1.69 mm/s，1.38 mm/s。在旋转速度较低时，适当减小下扎速度，有助于软化工件，实现焊接。搅拌针下压第一阶段速度大于搅拌套回抽阶段，即单位时间内搅拌针下压回填的体积大于搅拌套回抽所产生瞬时间隙的体积，有助于消除孔洞及环沟槽缺陷[8]，提高接头力学性能。
北京大学房地产研究中心主任楼建波表示，《房产测量规范》提到的公摊面积计算方式在《住宅设计规范》中无相应体现，致使国内报批、设计、施工每个环节都不是特别清楚公摊如何计算，只能等着房子盖出来，测绘部门最终来测公摊大小，导致出现不少乱象。
焊接结束时搅拌套与搅拌针下压量分别0.1 mm，0.2 mm,如图4所示，由图4d可知，搅拌针与搅拌套焊接时形成面几乎无高度差。这主要是由于焊接时，搅拌针上粘附铝屑，如图5所示，对搅拌套与搅拌针相对运动产生一定的阻碍作用，称为“延迟”效应，较大的搅拌针下压量可有效消除“延迟”效应，获得表面平整的焊接接头。
图4 低旋转速度下铝合金 R-FSSW 工艺路线
图5 焊后搅拌工具照片
粘连韧带是 R-FSSW 固有特征之一，主要是由于搅拌套呈环形，中心区域搅拌作用最小[9]，焊接过程中不能较好地消除上下两板搭接间隙，因而形成粘连韧带区域。黑色区域形成于焊点退出线外侧，主要是由于焊点周围有部分区域被氧化[10]，且焊接时搅拌作用有限所导致的。
实验数据由两部分组成：从CASIA-IrisV2人眼数据集中随机挑选了700张图片，利用红外摄像头自采集了300张人眼图片。由于数据集中人眼姿态单一，因此加入自采人眼图片。部分实验结果如图11所示，其中，图11（a）伴有睫毛干扰，图11（b）中有位于瞳孔和虹膜交界处的光斑干扰，图11（c）瞳孔姿态倾斜，图11（d）瞳孔存在部分遮挡。
R-FSSW 接头可分为四个区域[7]，分别为搅拌区(SZ)、热力影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BM)。如图6a所示，搅拌区由于焊具搅拌作用，经历较高的温度和应变[11]，发生动态再结晶，其显微组织呈细小等轴状。相比之下，热力影响区搅拌作用较小，无动态再结晶，晶粒沿材料流动方向被拉长。热影响区在焊接热循环作用下，晶粒长大较为明显。图6b为低旋转速度下接头Hook形貌。接头Hook产生于热机影响区，焊接时经历搅拌作用较弱，为弱结合区，其形貌呈现先向下后向上的波峰形式。在搅拌套下扎阶段，上下板界面在搅拌套挤压作用向下拉长，如图黄色箭头所示；在回抽阶段，热塑性材料在搅拌针下压作用下向两侧流动，如图暗红色箭头所示。
我的名字叫奥古斯特，今年十岁了，怎样描述自己的长相呢？从出生到现在，我已经做过27次手术了。一系列矫正上颚的手术在我嘴巴四周留下了好几道疤痕，最醒目的是一道锯齿状的切口，从上唇中央一直延伸到鼻子。我的上牙很小，并呈八字形斜开。有严重的龅牙，下巴也小得可怜。反正不管你怎么想，实际情况只可能更糟。
图6 接头横截面显微组织
图7为R-FSSW 接头剪切拉伸断口形貌图。在剪切力作用下，接头上板围绕焊核发生形变，呈“碗”状，接头下板仅载荷一侧发生弯曲，如图7a所示；点焊接头为“上板塞型”断裂，失效起始位置为上板靠近载荷一侧。如图7b所示，断后试样上板发生较明显的“缩颈”现象(蓝色箭头所指)，断裂起始于退出线左侧附近，为热机影响区，如图7c所示。裂纹穿过热机影响区向热影响区扩展，由于承载面积减小，裂纹继而向接头表面扩展，迅速撕裂。
图7 R-FSSW 接头剪切拉伸断口形貌
图8a为较佳工艺参数下接头载荷与疲劳寿命关系曲线，即F-N曲线。疲劳检测结果经直线拟合，其关系式为：lgF = 4.255 21-0.201 78 lgN，在疲劳寿命N为1×106时疲劳极限载荷F为1 108 N。
根据沿线地貌、工程地质、水文地质等条件，本项目所在区域为风积沙漠区，本段位于研究区域的中部，位于古尔班通古特沙漠的中部，该区域的沙丘多数为固定、半固定沙丘，固定沙丘上植被覆盖度40～50%，半固定沙丘达15～25%，植被主要为梭梭、蛇麻黄、花棒等。地层主要为第四系风积相的细砂、中砂、粉土等，松散～稍密。本合同段主要位于中部准噶尔盆地（古尔班通古特沙漠），为风积沙漠区。项目地理位置见图1。
疲劳试样的典型宏观断口，如图8b所示，其载荷水平为3.31 kN，部分焊点被拔出，并穿过母材形成撕裂破坏。图8c为点焊疲劳试样断口 SEM 图，根据图8d放大图可知，该区域有较多的韧窝，说明该区域为裂纹源，表现为塑性断裂；裂纹源为上下板结合面处HAZ与TMAZ。焊具旋转速度越大，线速度越高，因而其热输入量较多(qf=2πμRNFn，其中R为点到轴心的距离;N为旋转速度;Fn为工件承受的法向加载力)[12]。在较低转速下，热输入较低，材料流动性较弱，不能将上下两板界面氧化物充分打碎与混合，在疲劳应力作用下，容易形成显微裂纹源。
在剪切应力作用下，接头与焊核间靠近载荷一侧为拉应力，而背离载荷一侧为压应力，在循环应力作用下，上板与下板靠近载荷一侧均产生显微裂纹，裂纹经扩展形成部分焊点拔出。在静载应力作用下，显微裂纹形成于上下板界面结合处，并迅速扩展而断裂，表现出塞型断裂，并无焊点拔出现象。
图8 疲劳试样检测结果
3 结论
(1)采用低旋转速度成功制备了1.5 mm厚5182-O铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头，试样表面光亮平整，无环沟槽缺陷。其较佳工艺参数为：焊接时间6.5 s，旋转速度1 000 r/min，下扎深度 1.9 mm。
(2)较佳工艺参数下，接头剪切力为 6.62 kN，经计算抗剪强度为104 MPa，约为母材强度的 37.4%；接头十字剪切力为 3.67 kN，约为母材剪切力的55.4%。剪切拉伸断口SEM 结果显示接头失效起始位置为上下板间热机影响区，并沿上板厚方向扩展。
(3)接头疲劳寿命F-N表达式为：lgF=4.255 21-0.201 78lgN，疲劳寿命N为1×106时，疲劳极限载荷F为1 108 N。疲劳试样断口SEM分析结果表明，低旋转速度下热输入量较低，氧化物不均匀性是产生裂纹源的主要原因。
参考文献
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