軸肩下壓量對攪拌摩擦焊搭接焊縫界面遷移的影響

魏 鵬,邢 麗,徐衛(wèi)平

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院,南昌330063)

軸肩下壓量對攪拌摩擦焊搭接焊縫界面遷移的影響

魏 鵬,邢 麗,徐衛(wèi)平

(南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院,南昌330063)

采用左螺紋圓柱攪拌針對2mm厚的LF6鋁合金板進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接實驗,研究了軸肩下壓量對攪拌摩擦焊搭接焊縫界面遷移的影響。結(jié)果表明:焊縫返回邊和前進(jìn)邊的搭接界面均向焊縫上表面遷移,在返回邊,界面遷移至焊縫頂部時,水平向焊縫中心遷移,最大可延伸至前進(jìn)邊;而前進(jìn)邊的界面僅分布在前進(jìn)邊側(cè)。返回邊的界面遷移高度隨軸肩下壓量增加而增大,但當(dāng)軸肩下壓量超過0.18mm時,其遷移高度減小;前進(jìn)邊的界面遷移高度隨軸肩下壓量增加而逐漸增大。通過觀察遷移界面的微觀形態(tài),返回邊的界面向上遷移時,為未連接形貌;界面遷移至焊縫頂部時,呈斷續(xù)連接;界面沿水平方向向焊縫中心遷移時,界面緊密連接。前進(jìn)邊的遷移界面始終保持連續(xù)。

攪拌摩擦焊;搭接;軸肩下壓量;界面遷移

攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所(TWI)于1991年發(fā)明的一種新型的固相焊接技術(shù)[1],該技術(shù)因其原理簡單,控制參數(shù)少,易于自動化,具有廣泛的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在航空飛機(jī)蒙皮和肋板、冷卻箱、熱交換器及船舶殼板等結(jié)構(gòu)中存在大量的搭接接頭,應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行焊接,焊后發(fā)現(xiàn)搭接接頭焊核兩側(cè)的原始搭接界面因焊縫中的塑化金屬流動而發(fā)生向上、或向下的彎曲變形,稱之為界面遷移,該現(xiàn)象使接頭的力學(xué)性能變差[2]。國內(nèi)很多學(xué)者通過改進(jìn)焊接工藝以改善界面成形,L.Cederqvist[3]等認(rèn)為界面遷移使接頭的有效承載截面積減小,受載時,會增大應(yīng)力集中,降低接頭的強(qiáng)度,并提出界面遷移量盡可能小時,焊接接頭強(qiáng)度提高;高焊接速率、低旋轉(zhuǎn)速率或采用短的攪拌針,可使界面遷移量減小。Chang-Yong Lee[4]等采用左旋螺紋攪拌針對不同板厚異種鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接實驗研究,認(rèn)為隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)速率增加,焊接速率減小,返回邊和前進(jìn)邊界面向上遷移并使未連接區(qū)深入焊縫的趨勢增加,界面遷移線尖銳,接頭斷裂強(qiáng)度減小。郭曉娟[5]等采用三爪型攪拌頭對2024薄板鋁合金進(jìn)行搭接實驗,提出攪拌針長度比上板厚度大0.2～0.3mm時,搭接接頭界面成形較好,且接頭剪切力較高。A.Elrefaey[6]等對鋁/鋼異種合金進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接實驗時發(fā)現(xiàn),鋼為下板時,接頭強(qiáng)度很大程度取決于攪拌針向碳鋼壓入的深度,當(dāng)攪拌針到達(dá)鋁鋼界面時,稍微增加攪拌針的壓入深度會明顯得提高接頭強(qiáng)度;接頭強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速率增加而增大,隨焊接速率的增加而減小。上述研究中僅研究了焊接速率和旋轉(zhuǎn)速率對搭接界面遷移的影響,而軸肩下壓量也是影響焊縫成形的重要工藝參數(shù),其對搭接界面遷移有顯著的影響。

本研究選用左螺紋的圓柱攪拌針,對2mm厚的LF6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接實驗,通過改變軸肩下壓量,觀察焊縫橫截面形貌,研究攪拌摩擦焊搭接焊縫界面的遷移行為。

1 實驗材料及方法

實驗采用尺寸為300mm×100mm×2mm、表面經(jīng)陽極氧化處理的LF6鋁合金板,在經(jīng)改造的X53K型立式銑床及自制的夾具上進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接實驗。實驗過程如圖1所示,攪拌頭(Tool)向后傾斜2°,以ω=750 r/min順時針旋轉(zhuǎn),沿υ方向以60mm/min的速率行進(jìn)。攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向和行進(jìn)方向相同的一側(cè)稱為前進(jìn)邊,用AS(Advancing Side)表示;方向相反的一側(cè)稱為返回邊,用 RS(Retreating Side)表示。采用左螺紋圓柱攪拌針,攪拌頭軸肩直徑為13mm,攪拌針直徑為5mm,長度為3.0mm。焊前用丙酮將搭接板間界面進(jìn)行清洗,在同一條焊縫中,改變軸肩下壓量,進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接實驗。焊后,沿焊縫橫截面截取金相試樣,并用2g NaOH+100mL H2O腐蝕劑進(jìn)行腐蝕,根據(jù)試板表面氧化膜的遷移形貌,分析軸肩下壓量對搭接接頭焊縫成形及界面遷移的影響。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 軸肩下壓量對搭接焊縫界面遷移的影響

圖2是不同軸肩下壓量時的搭接焊縫橫截面宏觀形貌。圖中虛線表示焊縫中心;焊縫中有明顯的焊核,其寬度為W;定義遷移界面最高點(diǎn)位置與原始搭接界面間的距離為界面遷移高度,返回邊和前進(jìn)邊的界面遷移高度分別用Hr和Ha表示。由圖2可見,當(dāng)軸肩下壓量為0.07mm時,焊核上方靠近前進(jìn)邊側(cè)有孔洞,如圖2(a)中A所指;隨著軸肩下壓量增大,孔洞消失,形成完整焊縫,如圖2(b)～(d)。焊核寬度W隨軸肩下壓量的增加,呈先增大后減小的趨勢。軸肩下壓量對搭接界面遷移的影響是攪拌頭在行進(jìn)過程中,攪拌針處的搭接界面被打斷,而攪拌針兩側(cè)、即焊縫返回邊和前進(jìn)邊的界面作向焊縫上方遷移的運(yùn)動。在返回邊,搭接界面逐漸向上并向焊縫中心遷移,甚至越過焊縫中心延伸至前進(jìn)邊,如圖2(d)中A～D所指。在前進(jìn)邊,搭接界面僅向焊縫上方遷移,隨下壓量增加,遷移界面轉(zhuǎn)向遠(yuǎn)離焊縫中心的方向延伸,如圖2(d)中E,F所指。

圖2 不同軸肩下壓量時的焊縫橫截面宏觀形貌(a)0.07mm;(b)0.13mm;(c)0.18mm;(d)0.23mmFig.2 Macrograph appearance of weld cross-section with different shoulder plunge depth(a)0.07mm;(b)0.13mm;(c)0.18mm;(d)0.23mm

圖3是測量的焊核寬度、焊縫返回邊和前進(jìn)邊界面遷移高度隨軸肩下壓量變化的值。從圖3可知,隨軸肩下壓量的增加,焊核寬度增大,但當(dāng)軸肩下壓量超過0.18mm時,焊核寬度減小。返回邊的界面遷移高度(Hr)隨軸肩下壓量增加而增大,但當(dāng)軸肩下壓量超過0.18mm時,其遷移高度減小;而前進(jìn)邊的界面遷移高度(Ha)隨軸肩下壓量增加而逐漸增大。

圖3 軸肩下壓量不同時的界面遷移高度和焊核寬度Fig.3 Variation of interface transfer height and weld nugget width with the different shoulder plunge depth

焊縫完整性、焊核寬度及搭接界面的遷移與焊縫成形有關(guān),即與焊縫中塑化金屬的流動有關(guān)。攪拌摩擦焊過程中,焊縫中塑化金屬的流動包括沿焊縫厚度方向和水平方向上的流動,其中在焊縫厚度方向上,塑性金屬的流動主要受攪拌針表面螺紋的驅(qū)動作用和軸肩向下的頂鍛作用;在水平方向上,塑化金屬主要受攪拌頭旋轉(zhuǎn)驅(qū)動作用和攪拌針與前方金屬相互擠壓作用。這幾股金屬流在焊縫后方匯合后,當(dāng)溫度和擠壓力達(dá)到擴(kuò)散連接的條件時,就形成了一條致密完整的焊縫,否則會有孔洞缺陷出現(xiàn)[7]。如圖2(a)中A所指部位,此時因軸肩下壓量較小,軸肩與被焊件表面相互作用產(chǎn)生的熱量不足,產(chǎn)生的塑化金屬較少,焊縫厚度方向和水平方向的幾股塑化金屬不能完好連接,形成孔洞缺陷。

圖4是焊接過程中,攪拌針表面螺紋對焊縫中塑化金屬的作用力和界面遷移示意圖。根據(jù)文獻(xiàn)[8]中提出的抽吸-擠壓理論,攪拌針表面螺紋內(nèi)的塑化金屬同時受到螺紋下表面的摩擦力f和法向壓力N的共同作用,ω為攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向,F是f和N的合力。在f和N合力作用下,攪拌針表面螺紋不斷地將攪拌針周圍塑化金屬從攪拌針根部螺旋遷移至攪拌針端部,塑化金屬在攪拌針端部堆積并向周圍呈放射性擠壓,當(dāng)受到攪拌針下方和周圍較遠(yuǎn)處冷金屬fb的阻礙作用后,塑化金屬沿fa朝溫度較高[9]、抗變形能力較小的焊縫上方遷移,隨著攪拌頭的移動和塑化金屬的擠壓,最終形成如圖2中的焊縫橫截面中的焊核。在焊核形成過程中,周圍的金屬和搭接界面在塑化金屬黏滯力作用下協(xié)調(diào)向上遷移,結(jié)果形成了圖2中所示的返回邊和前進(jìn)邊的搭接界面向焊縫上方遷移的形貌。在返回邊,界面向上遷移過程中,焊縫上部的塑化金屬受到軸肩的旋轉(zhuǎn)摩擦和頂鍛作用,使攪拌針后方的搭接界面金屬向下并向焊縫中心遷移,甚至遷移至焊縫前進(jìn)邊。而前進(jìn)邊的搭接界面僅在前進(jìn)邊側(cè)作向上的遷移,同時界面受到焊核和軸肩下方塑化金屬的擠壓作用,導(dǎo)致隨軸肩下壓量的增加,向上遷移的界面朝遠(yuǎn)離焊縫中心的方向延伸。

圖4 螺紋對塑化材料的驅(qū)動示意圖Fig.4 Schematic of thread-driven on the plastic materials

以上分析表明,當(dāng)攪拌針表面是左螺紋時,單位時間內(nèi)受攪拌針表面螺紋驅(qū)動向下遷移的塑化金屬量是影響搭接焊核寬度和界面遷移量的主要原因。隨軸肩下壓量的增加,軸肩與被焊件表面相互摩擦作用增強(qiáng),焊縫溫度升高,塑化金屬的軟化程度增大,單位時間內(nèi)隨攪拌針螺紋驅(qū)動向下遷移的量增多,導(dǎo)致焊核寬度增大;由于焊縫上表面受軸肩作用,溫度較焊縫下方高,焊縫上方的金屬對焊核金屬的阻力較小,焊核金屬易于向上遷移,導(dǎo)致焊核兩側(cè)的界面遷移高度增加。當(dāng)軸肩下壓量過大時,攪拌針周圍塑化金屬溫度的升高使金屬黏度下降,攪拌針表面螺紋與塑化金屬之間易產(chǎn)生相對滑移,單位時間內(nèi)塑化金屬沿螺紋間隙向下遷移的量減少,同時焊核金屬過度軟化,不易擠壓焊核周圍的冷金屬,而向阻力較小的焊縫上方擠壓,因此焊核寬度減小;同時由于軸肩下壓量的增加及軸肩強(qiáng)烈的頂鍛作用,焊縫返回邊和前進(jìn)邊的界面遷移高度減小。本研究中,當(dāng)軸肩下壓量超過0.18mm時,前進(jìn)邊的界面遷移高度繼續(xù)增大,可能是由于界面向上遷移過程中,受到隨軸肩旋轉(zhuǎn)至前進(jìn)邊金屬的擠壓作用,轉(zhuǎn)而向遠(yuǎn)離焊縫中心方向延伸的緣故。

2.2 界面遷移線的微觀形態(tài)特征

圖5和圖6分別為焊縫中無孔洞缺陷時返回邊和前進(jìn)邊界面的微觀形態(tài),其中圖5(a)～(d)分別為圖2(d)中 A,B,C,D部位,圖6(a),(b)分別為圖2(d)中E,F部位。由圖5可見,焊縫返回邊的界面開始向上遷移部位(見圖5(a))為未連接;當(dāng)界面接近焊縫上方(見圖5(b))時,呈斷續(xù)連接;當(dāng)界面遷移至焊縫中心時(見圖5(c),(d)),界面呈緊密連接狀態(tài)。而在前進(jìn)邊的界面遷移線始終為一條連續(xù)的未連接黑線,如圖6(a),(b)所示。

上述現(xiàn)象表明,攪拌摩擦焊過程中,焊核區(qū)的塑化金屬被充分?jǐn)嚢?而在焊核區(qū)兩側(cè)的母材受到焊核的擠壓作用向上遷移。焊縫返回邊和前進(jìn)邊的遷移界面,由于溫度較焊核溫度低,且隨距攪拌針的距離增加,受到的擠壓力減小,使得這些界面處很難達(dá)到真正的連接,因此,在返回邊,隨距攪拌針的距離增加,界面由連接、斷續(xù)連接到完全分離;而前進(jìn)邊,由于界面在焊核外圍向上并遠(yuǎn)離焊縫中心,且溫度較焊縫中心低,因此界面始終為未連接形貌。

綜上所述,軸肩下壓量對焊核寬度和焊縫兩側(cè)搭接界面的遷移有很大影響。在一定范圍內(nèi)增加軸肩下壓量,可使焊核寬度增加,同時也增加了焊縫返回邊和前進(jìn)邊的界面遷移高度。因此,在焊核寬度較大的情況下,減小軸肩下壓量,可以減小板間界面向上的遷移高度。

3 結(jié)論

(1)采用左螺紋攪拌針對2mm厚的LF6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接時,焊核寬度隨著軸肩下壓量的增加而增大,但當(dāng)軸肩下壓量超過0.18mm時,焊核寬度減小。焊縫返回邊和前進(jìn)邊的原始板間界面均向上遷移,返回邊的界面遷移高度隨軸肩下壓量增加而增大,但當(dāng)軸肩下壓量超過0.18mm時,其遷移高度減小;而前進(jìn)邊的界面遷移高度隨軸肩下壓量增加而逐漸增大。

(2)焊縫返回邊的界面向上遷移,當(dāng)接近焊縫上方時,向焊縫中心遷移,最大可延伸至前進(jìn)邊,向上遷移界面為未連接形貌;當(dāng)界面遷移至焊縫上方時,呈斷續(xù)連接形貌;界面水平遷移時,緊密連接。前進(jìn)邊的界面始終為未連接形貌。

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Influence of Plunge Depth of Shoulder on Interface Migration of Friction Stir Lap Welds

WEI Peng,XING Li,XU Wei-ping
(School of Aeronautical Manufacturing Engineering,Nanchang Hangkong University,Nanchang 330063,China)

Friction stir lap welds of 2mm thick plates of LF6 aluminum alloy were conducted using the cylindrical tool with left-hand thread,the influence of plunge depth of shoulder on interface migration of friction stir lap welds was investigated.The results show that the interfaces at the advancing side and retreating side of the welds move toward the upper surface of welds,when the interface at the retreating side is up to the top of weld,it will transfers horizontally to weld center and can be largest extended to the advancing side while the interface at the advancing side is only moved at the advancing side.The height of interface migration at the retreating side rises with the increase of the plunge depth of shoulder,but the height will be reduced when the plunge depth of shoulder is more than 0.18mm.The height at the advancing side augments with the increase of the plunge depth of shoulder.Micromorphology of transferred interface was observed,the interface at the retreating side is not joining when it transfers upwards.And then it is intermittent distribution when it moves to the top of weld.Interface line becomes a tight joining when it transfers horizontally to weld center.The transferred interface at the advancing side is always continuous.

friction stir welding;lap joint;plunge depth of shoulder;interface migration

TG456

A

1001-4381(2011)06-0043-05

國家自然科學(xué)基金(50875119);航空科學(xué)基金(20081156009);江西省自然科學(xué)基金(2008GQC0039);江西省教育廳基金(G JJ09187)

2010-07-13;

2011-01-25

魏鵬(1984—),男,碩士研究生,研究方向為攪拌摩擦焊焊接工藝研究,E-mail:weipeng142@163.com

邢麗(1959—),女,工學(xué)碩士,教授,碩士生導(dǎo)師,聯(lián)系地址:江西省南昌市豐和南大道696號南昌航空大學(xué)前湖校區(qū)航空制造工程學(xué)院(330063),E-mail:xingli_59@126.com