AA6061-T6合金摩擦攪拌搭接焊接參數的最優化設計
前言：利用摩擦攪拌搭接焊接（FSLW）工藝連接配接6061-T6鋁合金的最佳焊接條件，以獲得最大剪切強度。文中将旋轉速度、軸向負載和焊接速度作為工藝參數進行研究。采用L-9正交表設計和三水準三因素的Taguchi方法進行實驗。
采用方差分析（ANOVA）和信噪比（S/N）來研究不同焊接參數對剪切強度的影響，并确定最佳參數。還使用Fisher檢驗找出對品質特性影響最重要的設計參數。結果顯示，工具的旋轉速度對響應（剪切強度）的貢獻最大（51%），其次是焊接速度（38%）和軸向負載（8%），誤差率為3%。
摩擦攪拌焊接（FSW）是一種新穎且非常有效的固态連接配接技術，于1991年在英國劍橋的TWI公司發明，用于鋁合金的連接配接。焊接過程主要包括一個不可調節的旋轉工具，由一個針和一個肩部組成，沿着焊縫的縱向長度移動并連接配接工件。由于較低的焊接溫度和更高的接頭強度，焊接區的性能通常具有較低的變形，與傳統焊接方法焊接的金屬相比。
T6鋁合金廣泛應用于航空航天結構的制造中，如商用飛機的機翼和機身、遙控模型飛機的幾個零件以及直升機的旋翼元件。AA6061-T6合金也在汽車行業中得到廣泛應用，例如底盤和發動機零件等。在過去的幾年中，這些行業一直在努力減輕使用傳統填料焊接方法的零部件組裝中鋁合金的重量。
在航空器結構中，各種鉚接連接配接大多被摩擦攪拌焊接的搭接連接配接所替代，需要了解的是，自從航空制造開始以來，鉚接連接配接一直是連接配接航空結構的主要方法[6]。鉚釘孔因可能産生裂紋和腐蝕擴充而臭名昭著。
航空航天和汽車工業在金屬焊接過程中通常面臨的主要問題是焊縫品質差和焊縫強度不足。這是由于參數選擇不當，這些參數對焊縫強度有重要影響，進而影響了結合形成的品質和強度。
從在工業中的應用角度來看，在經過深入研究之後，對摩擦攪拌搭接焊接（FSLW）的工藝參數進行優化以獲得最大的接頭力學性能更為重要。然而，由于該領域的研究有限。本研究展示了對6061-T6鋁合金的摩擦攪拌搭接焊接（FSLW）的旋轉速度（rpm）、軸向負載（kN）和焊接速度（mm/min）等工藝參數進行優化。
實驗中使用的基材（BM）是商用的AA6061-T6合金，尺寸為300毫米長、300毫米寬、3毫米厚。化學成分和機械性能如表1和表2所示。使用直徑為18毫米、肩部直徑為6毫米、針長為5毫米的圓柱形工具，由H13工具鋼制成。
為了解決這個問題，Taguchi方法可以通過設計正交數組來研究一系列參數，在少數實驗中涵蓋整個參數範圍。計算并實施了一個包含三個水準和三個因素的L-9正交數組，如表4所示，用于進行試驗。
通過考慮剪切強度作為主要特征來研究焊接接頭的品質。計算了每個過程參數的S/N比和均值，以找出過程參數對響應（剪切強度）的影響。其特征是“越大越好”，表明其魯棒性。其中n是重複次數，Ti是該試驗中剪切強度的值。表5和表6中給出了過程參數組合的S/N比平均響應和實驗資料。
方差分析（ANOVA）是由羅納德·費舍爾爵士開發的一種數學技術，将總變異分解為可解釋的來源，并提供了解釋實際實驗結果的方法。這項測試旨在确定具有統計顯著性的過程參數。該分析是以5%的顯著性水準進行的，即95%的置信水準。
在統計學中，有一個稱為F-Test的工具，用于找出對品質特性具有顯著影響的設計參數。通常，當F > 4時，意味着特定的設計參數對品質屬性有顯著影響。是以，旋轉速度和焊接速度對金屬品質屬性有重要影響，而軸向載荷的影響較小。
工具針形狀、旋轉速度和焊接速度的貢獻率如圖6所示。對FSLW過程影響最大的因素是工具旋轉速度，貢獻率為51%，而誤差百分比為3%。圖7顯示了兩個圖形，每個圖形代表了均值和S/N比的主效應圖。根據S/N比和均值的最高值，剪切強度的整體最優過程參數為A3、B2和C3。
從以下方程式計算了最優過程參數的理論剪切強度值：
Tm為平均響應或均值S/N比，T0為最優水準處的平均響應或均值S/N比，n是對品質屬性具有影響和影響的設計屬性的數量。将數值代入方程式，預測的抗剪強度為61.358 MPa。最優過程參數的剪切強度值為63.08 MPa。
結論：AA6061-T6合金摩擦攪拌搭接焊接的參數。觀察到旋轉速度和焊接速度對剪切強度有顯著影響。使用方差分析（ANOVA）評估了FSLW過程參數的貢獻百分比，發現旋轉速度、焊接速度和軸向載荷分别貢獻了51%、38%和8%。最佳參數組合為旋轉速度1200 rpm，焊接速度45 mm/min和軸向載荷11.5 kN，提供了63.08 MPa的剪切強度。
