焊接參數(shù)對(duì)攪拌摩擦焊焊縫形貌的影響

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(guó)焊接研究所發(fā)明的一種焊接工藝,該技術(shù)自問(wèn)世以來(lái),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?？吕杳鞯萚7]提出了攪拌摩擦焊“抽吸-擠壓”理論,該理論可以用來(lái)解釋攪拌摩擦焊焊接過(guò)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(shì),認(rèn)為采用較大的旋轉(zhuǎn)速度和較小的焊接速度時(shí),熱輸入量較大,而焊接速度較大、旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí),單位長(zhǎng)度焊縫上所得到的熱輸入量明顯不足,無(wú)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(dòng),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(dòng)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(guò)渡區(qū),材料的流動(dòng)形態(tài)呈現(xiàn)混亂狀。王峰[11]研究了工藝參數(shù)對(duì)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(duì)攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中材料的遷移規(guī)律及工藝參數(shù)對(duì)材料遷移規(guī)律的影響作了初步探索,而沒(méi)有在工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)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(jiǎn)稱左螺紋圓柱攪拌頭),攪拌針直徑為8mm、長(zhǎng)度為7mm,攪拌頭軸肩直徑為24mm。焊接時(shí),攪拌頭順時(shí)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(duì)工件的下壓量,研究工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí),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(jiàn),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(duì)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(shí),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(jiàn),焊核關(guān)于攪拌針中心不對(duì)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(shuō)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(duì)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(jiàn),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(shì)。

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(duì)焊核形狀參數(shù)的影響

到攪拌針行進(jìn)過(guò)程中的擠壓力和攪拌針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的剪切力[12],這兩個(gè)力的合力導(dǎo)致焊縫關(guān)于攪拌針中心不對(duì)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(duì)焊縫形狀參數(shù)影響的原因是,當(dāng)焊接速度增大時(shí),單位長(zhǎng)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(shí),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(duì)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(duì)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(shí)的焊縫橫截面形貌。由圖4可見(jiàn),當(dāng)下壓量從0.1mm增加到0.5mm時(shí),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(shí),焊縫變得致密。

圖4 不同軸肩下壓量時(shí)的焊縫橫截面

圖5所示為軸肩下壓量對(duì)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(shuō)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(shí),攪拌頭軸線均向焊縫后方傾斜一個(gè)角度,當(dāng)攪拌頭沿焊接方向行進(jìn)時(shí),軸肩對(duì)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(shí),軸肩的后方將產(chǎn)生瞬時(shí)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(shí)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(duì)焊核形狀參數(shù)的影響

圖6 攪拌頭行進(jìn)時(shí)對(duì)周圍金屬的擠壓力

軸肩下壓量對(duì)焊縫形貌產(chǎn)生影響的原因是,隨著下壓量的增大,軸肩對(duì)焊縫金屬擠壓力增大,從而促進(jìn)焊縫金屬向下遷移,同時(shí),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(gè)密閉的區(qū)域內(nèi)流動(dòng),保證塑性金屬填充攪拌頭行進(jìn)過(guò)程中留下的瞬時(shí)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(guò)小,軸肩對(duì)工件的擠壓力和接觸面積都減小,甚至對(duì)焊縫表面起不到封閉作用,使整個(gè)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(duì)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(shí),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(shí),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。

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