李海利 邢 丽 吴鸿燕

南昌航空大学,南昌,330063

0 引言

搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)是英国焊接研究所发明的一种焊接工艺,该技术自问世以来,就因其独特的优点而受到焊接界的广泛关注[1-3]。搅拌摩擦焊焊缝塑性金属的迁移行为直接关系到焊缝成形,在焊缝中出现的孔洞、沟槽、弱结合等缺陷[4-6]也与焊缝塑性金属迁移有密切关系。柯黎明等[7]提出了搅拌摩擦焊“抽吸-挤压”理论,该理论可以用来解释搅拌摩擦焊焊接过程中高温塑化金属在焊缝厚度方向形成的剧烈环形迁移行为。Midling等[8]在不同焊接参数下研究了热量的变化趋势,认为采用较大的旋转速度和较小的焊接速度时,热输入量较大,而焊接速度较大、旋转速度较小时,单位长度焊缝上所得到的热输入量明显不足,无法实现焊接。Guerra等[9]采用标示材料法研究搅拌针周围的材料流动,认为在螺纹的作用下,旋转区的塑性金属向下迁移,焊缝底部旋转区外围的金属则向上、向外迁移。Bendzsak等[10]用流体力学软件STIR-3D进行模拟,发现轴肩下方材料的流动方向与搅拌头旋转方向一致,搅拌针端部材料被搅拌针挤出,而在搅拌针与轴肩过渡区,材料的流动形态呈现混乱状。王峰[11]研究了工艺参数对金属迁移行为的影响,发现在一定的焊接速度下,焊核体积随着搅拌头旋转速度的增加而增大;在一定的旋转速度下,焊核体积随着焊接速度减小而增大。以上研究只是对搅拌摩擦焊焊接过程中材料的迁移规律及工艺参数对材料迁移规律的影响作了初步探索,而没有在工艺参数对焊缝形貌的影响方面进行深入的研究。

笔者在利用左螺纹圆柱搅拌头进行焊接试验的基础上,观察分析焊缝宏观形貌,研究工艺参数对搅拌摩擦焊焊缝形貌的影响。

1 实验条件与方法

实验材料为 LY12(M)铝合金,此种铝合金具有较高的强度和良好的热加工性能,常用于承受较大载荷的结构件中,如飞机蒙皮、翼梁、壁板等。但其熔点低、热导率较高、线膨胀系数大、与氧的亲和力大,采用传统的熔焊方法焊接时形成裂纹的倾向较大。试件尺寸为250mm×70mm×8mm。搅拌摩擦焊试验在X53K型立式铣床上进行,采用带左螺纹圆柱搅拌针的搅拌头(下文简称左螺纹圆柱搅拌头),搅拌针直径为8mm、长度为7mm,搅拌头轴肩直径为24mm。焊接时,搅拌头顺时针旋转,搅拌头的倾角为2°,搅拌头的旋转速度为750r/min,改变焊接速度和搅拌头轴肩对工件的下压量,研究工艺参数对塑性金属迁移行为的影响。

焊前用丙酮清洗试件表面,去除表面油污及杂质。焊后,沿垂直于焊接方向截取焊缝试块,用于制备金相试样,试样用keller试剂腐蚀,观察不同参数下焊缝横截面形貌,并分析不同工艺参数下焊核形状和轧制流线变形的差异,研究焊接参数对搅拌摩擦焊焊缝形貌的影响规律。

2 试验结果分析

2.1 焊缝横截面宏观形貌

图1所示为搅拌头旋转速度ω=750r/min,焊接速度 v=47.5mm/min,轴肩下压量 L=0.5mm时,焊接得到的焊缝横截面形貌,图中AS表示前进边(advancing side)、RS表示回撤边(retreating side)。从图1可见,焊缝横截面上的焊核呈不规则的扁形体,其内部有“洋葱瓣”花纹,位于焊核上方呈不规则紊流状的部位称为紊流区,紊流区上方的扇形区域为搅拌头轴肩影响区。母材金属有较清晰的轧制流线,焊接后原有的轧制流线将产生弯曲变形。由图1可知,在焊核两侧附近热力影响区,母材金属轧制流线发生弯曲,且距离焊核越近,轧制流线的弯曲程度越大,而焊核两侧接近焊缝上表面的母材金属受到轴肩影响区的阻碍作用,这使得轧制流线向下弯曲并延伸至紊流区。在前进边和回撤边,焊核底部都有包铝层伸入。

图1 焊缝横截面形貌

2.2 焊接速度对焊缝形貌的影响

图2所示为搅拌头旋转速度ω=750r/min,轴肩下压量L=0.5mm时,不同焊接速度下的焊缝横截面形貌。为便于分析焊缝金属的塑性迁移,用 H、h分别表示回撤边和前进边的焊核高度,用W表示焊核的最大宽度。图2中的点划线表示搅拌针的中心,虚线表示焊核的中心,δ为焊核中心偏向回撤边的距离。由图2可见,焊核关于搅拌针中心不对称,且焊核中心偏向回撤边,在热力影响区,原始轧制流线发生弯曲,回撤边轧制流线的弯曲程度较前进边的大,回撤边焊核的高度明显大于前进边。随着焊接速度增大,焊核的面积减小,焊缝外侧的轧制流线弯曲程度也随着焊接速度的增大而减小。这些都说明回撤边焊核金属的挤压变形程度比前进边大。

图2 不同焊接速度的焊缝横截面

图3所示为焊接速度对焊核形状参数的影响,从图3a可以看出,随着焊接速度的增大,回撤边焊核高度均减小,前进边的焊核高度变化不大。即随着焊接速度的增大,回撤边的塑性金属向上迁移程度逐渐减小,前进边金属向上迁移程度变化不大。由图3b可见,焊核宽度随焊接速度增大而减小。如图3c所示,焊核中心偏离搅拌针中心的距离也呈现出随焊接速度增大而减小的趋势。

回撤边金属的挤压变形比前进边的大且焊核中心偏向回撤边的原因是,搅拌针前方的金属受

图3 焊接速度对焊核形状参数的影响

到搅拌针行进过程中的挤压力和搅拌针旋转过程中的剪切力[12],这两个力的合力导致焊缝关于搅拌针中心不对称,塑性金属的变形更容易在回撤边发生。又由于回撤边的温度比前进边的温度高,金属的变形抗力随着温度的升高而减小,因此回撤边的金属也比前进边多。

焊接速度对焊缝形状参数影响的原因是,当焊接速度增大时,单位长度焊缝上搅拌头旋转摩擦次数减小,导致焊缝金属的热输入量减少的同时,位于螺纹间隙的塑性金属向下迁移量也小,从而使得累积在焊缝底部的金属对焊核外侧的塑性金属的挤压力减弱,焊核塑性金属的迁移量随之减小,因此焊核的宽度、高度及焊核中心偏向回撤边的距离都减小。

2.3 轴肩下压量对焊缝形貌的影响

图4所示为焊接速度v=60mm/min,搅拌头旋转速度ω=750r/min,不同下压量时的焊缝横截面形貌。由图4可见,当下压量从0.1mm增加到0.5mm时,在焊缝的紊流区均有缺陷,紊流区组织随着轴肩下压量的增大而更加致密,紊流区、母材及焊核的交界处金属结合不紧密,在三者的交界处有孔洞,孔洞随着下压量的增大而减小,回撤边热力影响区的轧制流线的弯曲程度随着轴肩下压量的增加而增大。当下压量为0.5mm时,焊缝变得致密。

图4 不同轴肩下压量时的焊缝横截面

图5所示为轴肩下压量对焊核形状参数的影响。从图5a可以看出,随下压量增大,回撤边焊核高度先增大后减小,这说明回撤边塑性金属向上迁移程度先增大后减小。从图5b、图5c可以看出,随着轴肩下压量的增大,焊核宽度及焊核中心偏向回撤边的距离均增大。

采用搅拌摩擦焊进行焊接时,搅拌头轴线均向焊缝后方倾斜一个角度,当搅拌头沿焊接方向行进时,轴肩对其下方金属有斜向下的挤压力,其水平方向和竖直方向的分量分别为Ps、Fs,如图6所示,在轴肩挤压力的作用下,轴肩下方金属将朝下和朝前迁移。当搅拌头沿焊接方向行进时,轴肩的后方将产生瞬时空腔,若轴肩下压量选取合适,轴肩前沿通常高于被焊金属表面,因此轴肩后半圆区域内,焊缝金属受轴肩挤压而向下迁移并填充瞬时空腔,合适的轴肩下压量将促进塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移。

图5 轴肩下压量对焊核形状参数的影响

图6 搅拌头行进时对周围金属的挤压力

轴肩下压量对焊缝形貌产生影响的原因是,随着下压量的增大,轴肩对焊缝金属挤压力增大,从而促进焊缝金属向下迁移,同时,轴肩与工件接触面积增大,轴肩与工件摩擦产生大量的热,使被焊金属软化而更易于迁移,厚度方向金属迁移量增大,导致塑化金属更多地集聚到回撤边,使得焊核宽度及焊核中心偏向回撤边的距离增大。轴肩端面与焊缝表面紧密接触,使塑性金属能在一个密闭的区域内流动,保证塑性金属填充搅拌头行进过程中留下的瞬时空腔,避免缺陷的产生,使焊缝的致密度提高。如果下压量过小,轴肩对工件的挤压力和接触面积都减小,甚至对焊缝表面起不到封闭作用,使整个焊缝出现组织疏松、孔洞缺陷。

3 结论

(1)采用左螺纹圆柱形搅拌头进行焊接,形成的焊核关于搅拌针中心不对称,回撤边塑性金属迁移程度大于前进边。

(2)搅拌头旋转速度为750r/min,轴肩下压量为0.5mm时,若焊接速度从47.5mm/min增大到118mm/min,则回撤边塑性金属向上迁移程度减小,焊核宽度减小,焊核中心偏向回撤边的距离也减小。

(3)搅拌头旋转速度为750r/min,焊接速度为60mm/min时,若轴肩下压量从0.1mm增加到0.5mm,则焊核宽度和焊核中心偏向回撤边的距离都增大,回撤边塑性金属向上迁移程度先增大后减小。

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