李金全 劉會(huì)杰
?
2219-T6鋁合金靜止軸肩攪拌摩擦焊接工藝及接頭組織性能
李金全1劉會(huì)杰2
(1.首都航天機(jī)械公司,北京 100076;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)焊接與連接國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150006)
自主研制靜止軸肩攪拌摩擦焊(SSFSW)焊具,并且成功應(yīng)用于高強(qiáng)鋁合金2219-T6的焊接。當(dāng)靜止軸肩相對(duì)深壓與攪拌針根部的小軸肩形成“內(nèi)淺外深”的狀態(tài)時(shí),更能充分發(fā)揮SSFSW的作用。對(duì)接頭焊縫成形、顯微組織、顯微硬度及拉伸性能分別開(kāi)展了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:SSFSW消除了焊縫減薄問(wèn)題,以攪拌針起主要的攪拌作用有效地減小了焊縫寬度在板厚方向上的差異,減小了熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)的范圍。在恒定焊接轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/min的條件下,當(dāng)焊接速度增大到300mm/min時(shí),接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到354MPa(母材的79.6%),拉伸斷裂發(fā)生在焊縫后退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)邊緣。
攪拌摩擦焊;靜止軸肩;高強(qiáng)鋁合金;組織性能
自1991年攪拌摩擦焊接(FSW)在英國(guó)焊接研究所TWI發(fā)明以來(lái),經(jīng)過(guò)20多年的研究和發(fā)展,適用于鋁合金、鎂合金、銅合金、鈦合金及不銹鋼的同種和異種材料焊接,廣泛應(yīng)用于航天航空和軌道車(chē)輛等領(lǐng)域中[1]。靜止軸肩攪拌摩擦焊(SSFSW)是基于常規(guī)FSW發(fā)展而來(lái)的一種新型FSW技術(shù)。在焊接過(guò)程中,攪拌針旋轉(zhuǎn)而軸肩不旋轉(zhuǎn)[2]。因此,焊接熱源主要來(lái)源于攪拌針與工件的摩擦產(chǎn)熱以及材料的塑性變形產(chǎn)熱,不旋轉(zhuǎn)的軸肩主要起抑制攪拌區(qū)域內(nèi)的塑化材料被擠出以及保證焊縫表面成形的作用。因此,焊接時(shí)沿板厚度方向熱量輸入比較均勻,軸肩的擠壓作用也可以降低對(duì)工件的裝卡要求。
目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于SSFSW研究報(bào)導(dǎo)較少。Wichita大學(xué)的Widener等人[3]為了解決高轉(zhuǎn)速FSW焊接過(guò)程不穩(wěn)定、焊縫成形較差的問(wèn)題,加入了靜止軸肩,在6061-T6鋁合金的焊接中獲得了顯著的效果并推廣至低轉(zhuǎn)速的常規(guī)FSW中。Sheffield 大學(xué)的Wynne和TWI的Threadgill等人[4]針對(duì)導(dǎo)熱性差的鈦合金開(kāi)展了SSFSW研究,有效地解決了焊縫表面成形差且能獲得良好焊縫成形的工藝參數(shù)區(qū)間窄等問(wèn)題。Martin等人[5]將SSFSW應(yīng)用到T形接頭角焊縫的焊接中,得到了無(wú)缺陷的焊縫,極大地拓寬了SSFSW的應(yīng)用范圍。在國(guó)內(nèi),Li等人[6]開(kāi)展了2219-T6鋁合金SSFSW研究,主要利用靜止軸肩保障焊縫成形,接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的69%,但仍有進(jìn)一步發(fā)揮靜止軸肩的作用以提高接頭性能的空間。申浩等人[7]成功地將SSFSW應(yīng)用于6061-T6鋁合金的焊接中,焊縫成形良好且接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的71.5%??傮w而言,SSFSW技術(shù)研究仍待進(jìn)一步深入,以充分發(fā)揮其在高強(qiáng)鋁合金焊接中的優(yōu)勢(shì),提高焊接接頭的性能。
試驗(yàn)材料為航空航天領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的2219-T6高強(qiáng)鋁合金(6.48Cu, 0.32Mn, 0.23Fe, 0.06Ti, 0.08V, 0.04Zn, 0.49Si, 0.20Zr, wt.%),其抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為445MPa和11.4%。規(guī)格為300mm×80mm×5.0mm的板材,長(zhǎng)度方向垂直于軋制方向。焊接前,板材的表面和對(duì)接端面用鋼絲刷打磨以去除氧化皮,并且用丙酮進(jìn)行清洗以防止對(duì)焊縫的污染。通過(guò)夾具裝卡板材,對(duì)接縫置于墊板中心線上,采用FSW-3LM-003龍門(mén)式數(shù)控FSW系統(tǒng),SSFSW焊具自行設(shè)計(jì)。
垂直于焊縫截取試樣,進(jìn)行金相分析、顯微硬度測(cè)試以及拉伸性能測(cè)試。金相試樣采用金相砂紙逐級(jí)磨制,采用金剛石拋光劑進(jìn)行拋光處理,經(jīng)過(guò)Keller試劑(2ml HF+3ml HCl+5ml HNO3+190ml H2O)腐蝕后借助Olympus SZX12體式顯微鏡和Olympus G71光學(xué)顯微鏡分別觀察和分析焊縫宏觀形貌以及接頭各區(qū)域的顯微組織特征。在金相試樣上采用HVS-1000型維氏硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,測(cè)試過(guò)程沿三個(gè)厚度層(距離焊縫上表面1.0mm、2.5mm和4.0mm)從焊縫中心向兩側(cè)延伸,加載500g且保持時(shí)間為10s。拉伸試驗(yàn)參照GB/T2651—2008和ASTM E08在Instron-1186型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速率為1.0mm/min,拉伸試驗(yàn)后采用Olympus SZX12體式顯微鏡對(duì)拉伸斷裂位置進(jìn)行分析,并且采用Hitachi S4700型掃描電鏡對(duì)接頭拉伸斷口形貌進(jìn)行分析。
根據(jù)SSFSW基本原理,在常規(guī)FSW中起主要產(chǎn)熱作用的軸肩轉(zhuǎn)速為零,可以有效地減小焊接過(guò)程中的產(chǎn)熱以及材料的塑性流動(dòng),從而降低焊接熱循環(huán)對(duì)焊接接頭的軟化作用,從而提高接頭性能。因此,軸肩與攪拌針應(yīng)采用分體式設(shè)計(jì),軸肩與攪拌針在軸向上的相對(duì)位置關(guān)系以及兩者之間的間隙是關(guān)鍵因素。
圖1所示是SSFSW焊具的總體結(jié)構(gòu)。SSFSW焊具是由靜止軸肩端蓋、上端蓋、中間筒體、軸承、靜止軸肩的夾持板、靜止軸肩的固定支架以及帶小尺寸凹形軸肩和錐形螺紋攪拌針的中間軸等部分組成(圖1a)。靜止軸肩與下端蓋為一體,由中間筒體和上、下端蓋經(jīng)螺栓緊固組合而成的靜止軸肩裝配體通過(guò)夾持板與連接在FSW設(shè)備端部的固定支架相連,從而實(shí)現(xiàn)軸肩在焊接過(guò)程中不轉(zhuǎn)動(dòng);帶小尺寸凹形軸肩和錐形螺紋攪拌針的中間軸與FSW設(shè)備的主軸端部相連,焊接過(guò)程中隨著設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)。靜止軸肩裝配體的中間筒體通過(guò)一組軸承與中間軸配合,借助中間軸上的臺(tái)階和上、下端蓋以保證靜止軸肩和小尺寸凹形軸肩的軸向相對(duì)位置,并且更換不同厚度的靜止軸肩端蓋可以實(shí)現(xiàn)不同相對(duì)下壓量的SSFSW。設(shè)計(jì)的SSFSW焊具能與FSW系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)良好的匹配(圖1b)。
在SSFSW焊具中,靜止軸肩和帶小尺寸凹形軸肩的攪拌針的尺寸是主要參數(shù),如表1所示。其中,錐形螺紋攪拌針參考常規(guī)FSW攪拌頭的攪拌針[1,8],靜止軸肩參考常規(guī)FSW攪拌頭的軸肩直徑[9]。在SSFSW 過(guò)程中,攪拌針旋轉(zhuǎn)、軸肩不旋轉(zhuǎn),為防止攪拌針受熱膨脹或受到前進(jìn)阻力而發(fā)生彎曲造成與靜止軸肩的摩擦,攪拌針與靜止軸肩之間設(shè)計(jì)0.1mm間隙。在攪拌針上設(shè)計(jì)小尺寸的凹形軸肩,目的是限制焊接過(guò)程中塑化材料從靜止軸肩和攪拌針之間的間隙內(nèi)擠入。
圖1 SSFSW焊具的總體結(jié)構(gòu)圖
表1 SSFSW焊具的主要特征尺寸
根據(jù)靜止軸肩與攪拌針根部的小尺寸凹形軸肩的相對(duì)下壓量,當(dāng)靜止軸肩的下壓量小于小軸肩的下壓量時(shí)為“內(nèi)深外淺”SSFSW,當(dāng)靜止軸肩的下壓量大于小軸肩的下壓量時(shí)為“內(nèi)淺外深”SSFSW。
圖2 “內(nèi)深外淺”SSFSW的焊縫成形特征
圖2所示是“內(nèi)深外淺”SSFSW的焊縫成形特征。攪拌針轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/min,焊接速度100mm/min,攪拌頭傾角2.5°,小軸肩與靜止軸肩的下壓量分別為0.2mm和0.1mm。焊縫表面的小軸肩的作用區(qū)域具有明顯的弧形紋特征,形成機(jī)理與常規(guī)FSW焊縫相同;靜止軸肩的作用區(qū)域是由靜止軸肩沿焊接方向的平動(dòng)摩擦和擠壓作用形成,具有明顯的刮擦特征。靜止軸肩的下壓量相對(duì)較小,因而焊縫中心區(qū)域并未受到靜止軸肩的明顯的擠壓作用。靜止軸肩限制了塑化材料從焊具兩側(cè)被擠出,可以消除飛邊缺陷,即使有塑化材料從小軸肩兩側(cè)被擠出也被靜止軸肩的平動(dòng)刮擦而去除。
圖3所示是2219-T6鋁合金在不同相對(duì)下壓量時(shí)的焊縫成形特征,其中主軸轉(zhuǎn)速和焊接速度均分別為800轉(zhuǎn)/min和100mm/min?!皟?nèi)深外淺”SSFSW,可以限制攪拌區(qū)內(nèi)的塑化材料被擠出而形成飛邊缺陷,但是靜止軸肩對(duì)焊縫中間區(qū)域的作用較小,焊縫表面的弧紋特征是由小尺寸凹形軸肩的作用而形成的(圖3a)?!皟?nèi)淺外深”SSFSW,靜止軸肩對(duì)整個(gè)焊縫寬度都起到顯著的擠壓作用,因而焊縫寬度等于靜止軸肩直徑并且焊縫表面也更光滑和平整,焊縫表面因靜止軸肩的平動(dòng)擠壓而形成沿焊接方向的直線紋特征(圖3b)。同時(shí),“內(nèi)深外淺”SSFSW接頭抗拉強(qiáng)度最大僅達(dá)到母材的69%[6],表明在這種條件下仍然不可完全避免塑化材料的損失,接頭性能未能得到進(jìn)一步的提高。因此,為充分發(fā)揮靜止軸肩在整個(gè)焊縫寬度上的作用,后續(xù)均采用“內(nèi)淺外深”的相對(duì)壓深條件。
a “內(nèi)深外淺”SSFSW b “內(nèi)淺外深”SSFSW
a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min
圖4所示是2219-T6鋁合金“內(nèi)淺外深”SSFSW在不同焊接速度條件下的焊縫成形。在恒定主軸轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/min時(shí),焊接速度在50~300mm/min內(nèi)均獲得良好的焊縫成形,無(wú)飛邊和孔洞等缺陷,未出現(xiàn)焊縫減薄現(xiàn)象。SSFSW接頭由焊核區(qū)(WNZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)等部分組成。隨著焊接速度增大,攪拌針和小尺寸凹形軸肩對(duì)材料的切削作用增大、攪拌作用逐漸減小;焊接熱輸入量逐漸減小,使WNZ和TMAZ內(nèi)材料的塑性變形能力逐漸減小,因而焊接接頭的各區(qū)域也逐漸減小。焊縫上表面寬度約等于靜止軸肩的外徑,表明靜止軸肩對(duì)整個(gè)焊縫寬度都起到明顯的作用。
在“內(nèi)淺外深”SSFSW接頭中,WNZ由等軸再結(jié)晶晶粒組成,隨著焊接速度由50mm/min逐漸增大到300mm/min,等軸再結(jié)晶晶粒的尺寸逐漸減小,如圖5所示。焊接過(guò)程中,WNZ受攪拌針的直接攪拌作用,高溫和大塑性變形的作用使該區(qū)域發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶、形成等軸晶粒;隨著焊接速度增大,動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸減小,表明焊接熱輸入量對(duì)再結(jié)晶晶粒的最終尺寸起主導(dǎo)性作用。圖6所示是焊接速度對(duì)SSFSW接頭TMAZ顯微組織的影響。雖然焊接接頭的TMAZ在焊接過(guò)程中并未受到攪拌針的直接攪拌作用,但該區(qū)域內(nèi)的晶粒也發(fā)生明顯的塑性變形。隨著焊接速度逐漸增大,焊接熱輸入量逐漸減小使TMAZ內(nèi)材料的塑性變形能力減小,WNZ外圍材料向上的塑性流動(dòng)程度逐漸減小,因而TMAZ內(nèi)晶粒向上拉長(zhǎng)變形的程度也逐漸減小,且變形的范圍也變窄。對(duì)于TMAZ外側(cè)的HAZ,在焊接過(guò)程中并未發(fā)生塑性變形而僅經(jīng)受焊接熱循環(huán)的作用,因而晶粒形態(tài)和晶粒尺寸均與母材晶粒類(lèi)似,晶粒形態(tài)在不同焊接速度時(shí)基本相同。
a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min
a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min
圖7所示是2219-T6鋁合金“內(nèi)淺外深”SSFSW接頭的顯微硬度分布特征。對(duì)于焊接速度為100mm/min時(shí)獲得的典型接頭,隨著到焊縫上表面的距離的增大,焊接接頭軟化區(qū)的寬度逐漸減小,且WNZ內(nèi)的顯微硬度值最?。▓D7a)。在SSFSW焊具中,攪拌針為帶螺紋的錐狀特征,帶有小尺寸的凹形軸肩。焊縫上表面處,小尺寸凹形軸肩的熱機(jī)作用更顯著,焊縫近表面的峰值溫度較高且高溫停留時(shí)間較長(zhǎng);同時(shí),攪拌針是圓錐狀結(jié)構(gòu)且與焊縫底部接觸的墊板具有一定的散熱作用。因此,焊接接頭軟化區(qū)的寬度在板厚方向上存在差異,上部比下部略寬,與焊縫的宏觀形貌形成良好的對(duì)應(yīng)。然而,靜止軸肩不旋轉(zhuǎn)產(chǎn)熱且攪拌針根部到尖端的直徑差異較小,因而SSFSW接頭軟化區(qū)的寬度在板厚方向上的差異與常規(guī)FSW相比明顯較小。在不同厚度層,顯微硬度最小值出現(xiàn)的位置也有差異:距離焊縫上表面1.0mm的厚度層,出現(xiàn)在焊縫后退側(cè)的TMAZ/WNZ界面處;距離焊縫上表面2.5mm 的厚度層,在焊縫中心和焊縫兩側(cè)TMAZ/WNZ界面處顯微硬度均為最小值;距離焊縫上表面4.0mm的厚度層,則出現(xiàn)在焊縫中心??傮w而言,SSFSW接頭的WNZ內(nèi)的顯微硬度值在沿厚度方向和寬度方向的變化都并不顯著。隨著焊接速度的逐漸增大,焊接熱輸入量逐漸減小,使得焊接接頭軟化區(qū)寬度逐漸減小、顯微硬度值逐漸增大(圖7b)。
a 典型接頭100mm/min b 焊接速度的影響
圖8 “內(nèi)淺外深”SSFSW接頭拉伸性能
圖8所示是2219-T6鋁合金“內(nèi)淺外深”SSFSW接頭的拉伸性能。在恒定主軸轉(zhuǎn)速800轉(zhuǎn)/min時(shí),焊接速度由50mm/min逐漸增大到300mm/min,接頭抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),而斷后伸長(zhǎng)率則逐漸減小。焊接速度為50mm/min時(shí),接頭拉伸斷后伸長(zhǎng)率達(dá)到最大值7.7%(母材的67.5%),但抗拉強(qiáng)度319MPa為最小值(母材的71.7%);焊接速度為300mm/min時(shí),接頭抗拉強(qiáng)度增大至354MPa(母材的79.6%)且斷后伸長(zhǎng)率也能達(dá)到6.4%(母材的56.1%)。在不同的焊接速度條件下,焊接接頭拉伸性能的極限誤差都較小,可見(jiàn)在各焊接速度時(shí)的焊接過(guò)程穩(wěn)定、在焊縫長(zhǎng)度上接頭性能也穩(wěn)定。調(diào)整靜止軸肩與中間的小尺寸凹形軸肩的相對(duì)下壓量,由“內(nèi)深外淺”SSFSW轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?nèi)淺外深”SSFSW,焊接接頭抗拉強(qiáng)度的最大值由307MPa顯著提高至354MPa,接近旨在提高高強(qiáng)鋁合金焊接接頭性能的水浸FSW的最優(yōu)接頭性能[10]。由此可見(jiàn),靜止軸肩與小尺寸凹形軸肩的相對(duì)下壓量是SSFSW的關(guān)鍵參數(shù)之一。然而,靜止軸肩的下壓量過(guò)大,則焊接過(guò)程中前進(jìn)阻力過(guò)大,容易導(dǎo)致焊具中間軸發(fā)生完全而發(fā)生破壞。并且,焊接速度過(guò)快也將導(dǎo)致焊接過(guò)程中的前進(jìn)阻力過(guò)大。
a 50mm/min b 100mm/min C 200mm/min d 300mm/min
a 50mm/min b 100mm/min c 200mm/min d 300mm/min
圖9所示是不同焊接速度時(shí)“內(nèi)淺外深”SSFSW接頭的拉伸斷裂位置。焊接速度在50~300mm/min的范圍內(nèi),焊接接頭的拉伸斷裂均發(fā)生在焊縫后退側(cè)的TMAZ邊緣,拉伸斷裂的擴(kuò)展路徑與拉伸方向基本成45o夾角,表現(xiàn)出典型的剪切斷裂特征。圖10所示是各焊接接頭拉伸斷裂的斷口形貌。雖然焊接速度對(duì)接頭拉伸斷裂位置的影響并不顯著,但是不同的拉伸性能將在斷口形貌上表現(xiàn)出不同的特征。在較低焊接速度50mm/min時(shí),斷口表面以小尺寸的韌窩為主,同時(shí)塑性變形的特征尤為明顯(圖10a),因而接頭抗拉強(qiáng)度較低但斷后伸長(zhǎng)率最大;當(dāng)焊接速度增大到100mm/min時(shí),斷口表面仍以小尺寸的韌窩為主,但是塑性變形的特征明顯減少(圖10b),因而接頭抗拉強(qiáng)度增大但斷后伸長(zhǎng)率降低;當(dāng)焊接速度進(jìn)一步增大到200~300mm/min時(shí),斷口表面韌窩的尺寸明顯增大并且在大尺寸韌窩底部存在明顯的破碎的第二相顆粒,斷裂屬于微孔聚集型斷裂(圖10c和10d)。起主要強(qiáng)化作用的第二相顆粒隨著焊接速度的增大而增多,因而焊接速度300mm/min時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度最大。
a. SSFSW分為“內(nèi)深外淺”和“內(nèi)淺外深”SSFSW兩種情況,兩者均能獲得良好的焊縫成形,焊縫無(wú)飛邊缺陷。但是,“內(nèi)淺外深”SSFSW靜止軸肩能在整個(gè)焊縫寬度上起熱機(jī)作用,更能發(fā)揮SSFSW的作用。
b. SSFSW接頭由WNZ、TMAZ、HAZ和BM等區(qū)域組成,僅攪拌針起主要攪拌作用,WNZ和TMAZ均明顯減小,因攪拌作用而引起的材料在板厚方向上的塑性流動(dòng)也明顯減小,僅在低焊接速度50mm/min時(shí)形成了明顯的沿板厚方向上的材料流動(dòng)。
c. SSFSW中攪拌針起主要攪拌作用且攪拌針在板厚方向上的直徑差異較小,因而焊縫軟化區(qū)寬度在板厚方向上的差異較小,顯微硬度分布特征與之對(duì)應(yīng)。
d. SSFSW接頭抗拉強(qiáng)度隨焊接速度的增大而增大,而斷后伸長(zhǎng)率隨焊接速度的增大而減小。在焊接速度300mm/min時(shí),接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到354MPa,達(dá)到母材的79.6%。
e. SSFSW接頭的拉伸斷裂主要發(fā)生焊縫后退側(cè)的TMAZ邊緣,對(duì)應(yīng)焊縫顯微硬度值最低的區(qū)域,接頭拉伸斷裂屬于典型的微孔聚集型斷裂。
1 Mishra R S, Ma Z Y. Friction stir welding and processing[J]. Materials Science and Engineering R, 2005, 50(2): 1~78
2 劉會(huì)杰,李金全,段衛(wèi)軍. 靜止軸肩攪拌摩擦焊的研究進(jìn)展[J]. 焊接學(xué)報(bào),2012,33(5):108~112
3 Widener C A, Talia J E, Tweedy B M, et al. High-rotational speed friction stir welding with a fixed shoulder[C]. 6th International Symposium on Friction Stir Welding, Montreal, Canada, 2006: S8B-P1
4 Wynne B P, Threadgill P L, Davies P S, et al. Microstructure and texture in static shoulder friction stir welds of Ti-6Al-4V[C]. 7th International Friction Stir Welding Symposium, Awaji Island, Japan, 2008: S10B-P3
5 Martin J P, Stanhope C, Gascoyne S. Novel techniques for corner joints using friction stir welding[C]. TMS 2011 Annual Meeting & Exhibition, SanDiego, California, 2011: on CD-ROM
6 Li J Q, Liu H J. Effects of tool rotation speed on microstructures and mechanical properties of AA2219-T6 welded by the external non-rotational shoulder assisted friction stir welding[J]. Materials and Design, 2013(43): 299~306
7 申浩,楊新岐,李冬曉,等. 6061-T6鋁合金的靜止軸肩攪拌摩擦焊工藝及組織性能[J]. 焊接學(xué)報(bào),2016,37(5):119~123
8 Thomas W M, Nicholas E D, Smith S D. Friction stir welding-tool development[Z]. Paper at the aluminum joining symposia during the 2001 TMS annual meeting, February 2001:11~15
9 Arora A, De A, DebRoy T. Toward optimum friction stir welding shoulder diameter[J]. Scripta Materialia, 2011, 64(1): 9~12
10 Zhang H J, Liu H J. Mathematical model and optimization for underwater friction stir welding of a heat-treatable aluminium alloy[J]. Maerials and Design, 2013(45): 206~211
Researches on Stationary Shoulder Friction Stir Welding Process of Aluminum Alloy 2219-T6 and Microstructures and Mechanical Properties of Welded Joints
Li Jinquan1Liu Huijie2
(1. Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076; 2. State Key Laboratory of Welding and Joining, Harbin Institute of Technology, Harbin 150006)
In this paper, a tool system for the stationary shoulder friction stir welding was self-designed and applied successfully to weld the high-strength aluminum alloy 2219-T6. When the plunge depth of the stationary shoulder was larger than that of the sub-size concave shoulder at the root of the tool pin, the SSFSW could exert its greatest effects. The researches of weld formation, microstructures, hardness distribution and tensile properties of the welded joints were conducted. The phenomenon of weld thinning was eliminated completely through the SSFSW process. The stirring effect was mainly caused by the tool pin, thus the variation of weld width was obviously reduced along the thickness direction. Meanwhile, both the thermo-mechanically affected zone (TMAZ) and heat-affected zone were decreased. At a constant rotation speed of 800 rpm, the tensile strength reached 354 MPa (79.6% of the base material) when the welding speed increased to 300 mm/min, and the tensile fracture occurred at the edge of the TMAZ on the retreating side.
friction stir welding;stationary shoulder;high-strength aluminum alloy;microstructures and mechanical properties
李金全(1984),博士,焊接專(zhuān)業(yè);研究方向:膜盒精密焊接技術(shù)研究、鋁合金攪拌摩擦焊接技術(shù)研究、導(dǎo)管全位置焊接技術(shù)研究以及導(dǎo)管三維數(shù)字化制造技術(shù)研究等。
2017-11-20