李海利 邢 麗 吳鴻燕

南昌航空大學(xué),南昌,330063

0 引言

攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)是英國焊接研究所發(fā)明的一種焊接工藝,該技術(shù)自問世以來,就因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)而受到焊接界的廣泛關(guān)注[1-3]。攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬的遷移行為直接關(guān)系到焊縫成形,在焊縫中出現(xiàn)的孔洞、溝槽、弱結(jié)合等缺陷[4-6]也與焊縫塑性金屬遷移有密切關(guān)系。柯黎明等[7]提出了攪拌摩擦焊“抽吸-擠壓”理論,該理論可以用來解釋攪拌摩擦焊焊接過程中高溫塑化金屬在焊縫厚度方向形成的劇烈環(huán)形遷移行為。Midling等[8]在不同焊接參數(shù)下研究了熱量的變化趨勢,認(rèn)為采用較大的旋轉(zhuǎn)速度和較小的焊接速度時,熱輸入量較大,而焊接速度較大、旋轉(zhuǎn)速度較小時,單位長度焊縫上所得到的熱輸入量明顯不足,無法實(shí)現(xiàn)焊接。Guerra等[9]采用標(biāo)示材料法研究攪拌針周圍的材料流動,認(rèn)為在螺紋的作用下,旋轉(zhuǎn)區(qū)的塑性金屬向下遷移,焊縫底部旋轉(zhuǎn)區(qū)外圍的金屬則向上、向外遷移。Bendzsak等[10]用流體力學(xué)軟件STIR-3D進(jìn)行模擬,發(fā)現(xiàn)軸肩下方材料的流動方向與攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向一致,攪拌針端部材料被攪拌針擠出,而在攪拌針與軸肩過渡區(qū),材料的流動形態(tài)呈現(xiàn)混亂狀。王峰[11]研究了工藝參數(shù)對金屬遷移行為的影響,發(fā)現(xiàn)在一定的焊接速度下,焊核體積隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大;在一定的旋轉(zhuǎn)速度下,焊核體積隨著焊接速度減小而增大。以上研究只是對攪拌摩擦焊焊接過程中材料的遷移規(guī)律及工藝參數(shù)對材料遷移規(guī)律的影響作了初步探索,而沒有在工藝參數(shù)對焊縫形貌的影響方面進(jìn)行深入的研究。

筆者在利用左螺紋圓柱攪拌頭進(jìn)行焊接試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,觀察分析焊縫宏觀形貌,研究工藝參數(shù)對攪拌摩擦焊焊縫形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件與方法

實(shí)驗(yàn)材料為 LY12(M)鋁合金,此種鋁合金具有較高的強(qiáng)度和良好的熱加工性能,常用于承受較大載荷的結(jié)構(gòu)件中,如飛機(jī)蒙皮、翼梁、壁板等。但其熔點(diǎn)低、熱導(dǎo)率較高、線膨脹系數(shù)大、與氧的親和力大,采用傳統(tǒng)的熔焊方法焊接時形成裂紋的傾向較大。試件尺寸為250mm×70mm×8mm。攪拌摩擦焊試驗(yàn)在X53K型立式銑床上進(jìn)行,采用帶左螺紋圓柱攪拌針的攪拌頭(下文簡稱左螺紋圓柱攪拌頭),攪拌針直徑為8mm、長度為7mm,攪拌頭軸肩直徑為24mm。焊接時,攪拌頭順時針旋轉(zhuǎn),攪拌頭的傾角為2°,攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度為750r/min,改變焊接速度和攪拌頭軸肩對工件的下壓量,研究工藝參數(shù)對塑性金屬遷移行為的影響。

焊前用丙酮清洗試件表面,去除表面油污及雜質(zhì)。焊后,沿垂直于焊接方向截取焊縫試塊,用于制備金相試樣,試樣用keller試劑腐蝕,觀察不同參數(shù)下焊縫橫截面形貌,并分析不同工藝參數(shù)下焊核形狀和軋制流線變形的差異,研究焊接參數(shù)對攪拌摩擦焊焊縫形貌的影響規(guī)律。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 焊縫橫截面宏觀形貌

圖1所示為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=750r/min,焊接速度 v=47.5mm/min,軸肩下壓量 L=0.5mm時,焊接得到的焊縫橫截面形貌,圖中AS表示前進(jìn)邊(advancing side)、RS表示回撤邊(retreating side)。從圖1可見,焊縫橫截面上的焊核呈不規(guī)則的扁形體,其內(nèi)部有“洋蔥瓣”花紋,位于焊核上方呈不規(guī)則紊流狀的部位稱為紊流區(qū),紊流區(qū)上方的扇形區(qū)域?yàn)閿嚢桀^軸肩影響區(qū)。母材金屬有較清晰的軋制流線,焊接后原有的軋制流線將產(chǎn)生彎曲變形。由圖1可知,在焊核兩側(cè)附近熱力影響區(qū),母材金屬軋制流線發(fā)生彎曲,且距離焊核越近,軋制流線的彎曲程度越大,而焊核兩側(cè)接近焊縫上表面的母材金屬受到軸肩影響區(qū)的阻礙作用,這使得軋制流線向下彎曲并延伸至紊流區(qū)。在前進(jìn)邊和回撤邊,焊核底部都有包鋁層伸入。

圖1 焊縫橫截面形貌

2.2 焊接速度對焊縫形貌的影響

圖2所示為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=750r/min,軸肩下壓量L=0.5mm時,不同焊接速度下的焊縫橫截面形貌。為便于分析焊縫金屬的塑性遷移,用 H、h分別表示回撤邊和前進(jìn)邊的焊核高度,用W表示焊核的最大寬度。圖2中的點(diǎn)劃線表示攪拌針的中心,虛線表示焊核的中心,δ為焊核中心偏向回撤邊的距離。由圖2可見,焊核關(guān)于攪拌針中心不對稱,且焊核中心偏向回撤邊,在熱力影響區(qū),原始軋制流線發(fā)生彎曲,回撤邊軋制流線的彎曲程度較前進(jìn)邊的大,回撤邊焊核的高度明顯大于前進(jìn)邊。隨著焊接速度增大,焊核的面積減小,焊縫外側(cè)的軋制流線彎曲程度也隨著焊接速度的增大而減小。這些都說明回撤邊焊核金屬的擠壓變形程度比前進(jìn)邊大。

圖2 不同焊接速度的焊縫橫截面

圖3所示為焊接速度對焊核形狀參數(shù)的影響,從圖3a可以看出,隨著焊接速度的增大,回撤邊焊核高度均減小,前進(jìn)邊的焊核高度變化不大。即隨著焊接速度的增大,回撤邊的塑性金屬向上遷移程度逐漸減小,前進(jìn)邊金屬向上遷移程度變化不大。由圖3b可見,焊核寬度隨焊接速度增大而減小。如圖3c所示,焊核中心偏離攪拌針中心的距離也呈現(xiàn)出隨焊接速度增大而減小的趨勢。

回撤邊金屬的擠壓變形比前進(jìn)邊的大且焊核中心偏向回撤邊的原因是,攪拌針前方的金屬受

圖3 焊接速度對焊核形狀參數(shù)的影響

到攪拌針行進(jìn)過程中的擠壓力和攪拌針旋轉(zhuǎn)過程中的剪切力[12],這兩個力的合力導(dǎo)致焊縫關(guān)于攪拌針中心不對稱,塑性金屬的變形更容易在回撤邊發(fā)生。又由于回撤邊的溫度比前進(jìn)邊的溫度高,金屬的變形抗力隨著溫度的升高而減小,因此回撤邊的金屬也比前進(jìn)邊多。

焊接速度對焊縫形狀參數(shù)影響的原因是,當(dāng)焊接速度增大時,單位長度焊縫上攪拌頭旋轉(zhuǎn)摩擦次數(shù)減小,導(dǎo)致焊縫金屬的熱輸入量減少的同時,位于螺紋間隙的塑性金屬向下遷移量也小,從而使得累積在焊縫底部的金屬對焊核外側(cè)的塑性金屬的擠壓力減弱,焊核塑性金屬的遷移量隨之減小,因此焊核的寬度、高度及焊核中心偏向回撤邊的距離都減小。

2.3 軸肩下壓量對焊縫形貌的影響

圖4所示為焊接速度v=60mm/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω=750r/min,不同下壓量時的焊縫橫截面形貌。由圖4可見,當(dāng)下壓量從0.1mm增加到0.5mm時,在焊縫的紊流區(qū)均有缺陷,紊流區(qū)組織隨著軸肩下壓量的增大而更加致密,紊流區(qū)、母材及焊核的交界處金屬結(jié)合不緊密,在三者的交界處有孔洞,孔洞隨著下壓量的增大而減小,回撤邊熱力影響區(qū)的軋制流線的彎曲程度隨著軸肩下壓量的增加而增大。當(dāng)下壓量為0.5mm時,焊縫變得致密。

圖4 不同軸肩下壓量時的焊縫橫截面

圖5所示為軸肩下壓量對焊核形狀參數(shù)的影響。從圖5a可以看出,隨下壓量增大,回撤邊焊核高度先增大后減小,這說明回撤邊塑性金屬向上遷移程度先增大后減小。從圖5b、圖5c可以看出,隨著軸肩下壓量的增大,焊核寬度及焊核中心偏向回撤邊的距離均增大。

采用攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接時,攪拌頭軸線均向焊縫后方傾斜一個角度,當(dāng)攪拌頭沿焊接方向行進(jìn)時,軸肩對其下方金屬有斜向下的擠壓力,其水平方向和豎直方向的分量分別為Ps、Fs,如圖6所示,在軸肩擠壓力的作用下,軸肩下方金屬將朝下和朝前遷移。當(dāng)攪拌頭沿焊接方向行進(jìn)時,軸肩的后方將產(chǎn)生瞬時空腔,若軸肩下壓量選取合適,軸肩前沿通常高于被焊金屬表面,因此軸肩后半圓區(qū)域內(nèi),焊縫金屬受軸肩擠壓而向下遷移并填充瞬時空腔,合適的軸肩下壓量將促進(jìn)塑性金屬在焊縫厚度方向上的遷移。

圖5 軸肩下壓量對焊核形狀參數(shù)的影響

圖6 攪拌頭行進(jìn)時對周圍金屬的擠壓力

軸肩下壓量對焊縫形貌產(chǎn)生影響的原因是,隨著下壓量的增大,軸肩對焊縫金屬擠壓力增大,從而促進(jìn)焊縫金屬向下遷移,同時,軸肩與工件接觸面積增大,軸肩與工件摩擦產(chǎn)生大量的熱,使被焊金屬軟化而更易于遷移,厚度方向金屬遷移量增大,導(dǎo)致塑化金屬更多地集聚到回撤邊,使得焊核寬度及焊核中心偏向回撤邊的距離增大。軸肩端面與焊縫表面緊密接觸,使塑性金屬能在一個密閉的區(qū)域內(nèi)流動,保證塑性金屬填充攪拌頭行進(jìn)過程中留下的瞬時空腔,避免缺陷的產(chǎn)生,使焊縫的致密度提高。如果下壓量過小,軸肩對工件的擠壓力和接觸面積都減小,甚至對焊縫表面起不到封閉作用,使整個焊縫出現(xiàn)組織疏松、孔洞缺陷。

3 結(jié)論

(1)采用左螺紋圓柱形攪拌頭進(jìn)行焊接,形成的焊核關(guān)于攪拌針中心不對稱,回撤邊塑性金屬遷移程度大于前進(jìn)邊。

(2)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min,軸肩下壓量為0.5mm時,若焊接速度從47.5mm/min增大到118mm/min,則回撤邊塑性金屬向上遷移程度減小,焊核寬度減小,焊核中心偏向回撤邊的距離也減小。

(3)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min,焊接速度為60mm/min時,若軸肩下壓量從0.1mm增加到0.5mm,則焊核寬度和焊核中心偏向回撤邊的距離都增大,回撤邊塑性金屬向上遷移程度先增大后減小。

[1]Ma Z Y.Friction Stir Processing Technology:a Review[J].Metallurgical and Materials T ransactionsa,2008,39A:642-658.

[2]Lombard H,Hattingh D G,Steuwer A,et al.Optimising FSW Process Parameters to Minimise Defects and Maximise Fatigue Life in 5083-H321 A-luminium Alloy[J].Engineering Fracture Mechanics,2007,75(3/4):341-354.

[3]Xu S,Deng X,Reynolds A P,et al.Finite Element Simulation of Material Flow in Friction Stir Welding[J].Science and Technology of Welding and Joining,2001,6(3):191-193.

[4]李兵,謝里陽,王磊,等.2A12鋁合金攪拌摩擦焊孔洞和溝槽缺陷分析[J].輕合金加工技術(shù),2008,36(5):43-46.

[5]嚴(yán)鏗,馬志新,張健.包鋁層對攪拌摩擦焊接接頭力學(xué)性能的影響[J].材料工程,2008(9):44-47.

[6]徐愛杰,劉鴿平,李程剛,等.攪拌摩擦焊缺陷補(bǔ)焊工藝及性能分析[J].宇航材料工藝,2006(增刊Ι):93-95.

[7]柯黎明,潘際鑾,邢麗,等.摩擦焊焊縫金屬塑性流動的抽吸-擠壓理論[J].機(jī)械工程學(xué)報,2009,45(4):89-94.

[8]Midling O T,Oosterkamp L D,Bersaas J.Friction Stir Welding Aluminum-Process and Applications[C]//Proc.INA LCO-7.Cambridge,2004:161-169.

[9]Guerra M,Schmidt C,McClure J C,et al.Flow Patterns duringFriction Stir Welding[J].Material Characterization,2002,49(2):95-101.

[10]Bendzsak G J,Smith C B,North T H.An Experimentally Validated 3D Model for Friction Stir Welding[C]//TWI 2nd International Symposium on Friction Stir Welding.Gothenburg,Sweden,2000:411.

[11]王峰.攪拌摩擦焊焊縫塑化金屬流動形態(tài)的研究[D].南昌:南昌航空工業(yè)學(xué)院,2005.

[12]柯黎明,邢麗,黃奉安.攪拌摩擦頭焊接頭形成過程的二維觀察與分析[J].焊接學(xué)報,2005,26(3):1-4.