鋁合金FSW過程中攪拌針前緣金屬周期性流動行為研究

黃 甫， 熊江濤， 李京龍， 張賦升， 李瑞迪

(1.西北工業(yè)大學凝固技術(shù)國家重點實驗室，西安 710072;2.西北工業(yè)大學陜西省摩擦焊接重點實驗室，西安 710072)

攪拌摩擦焊(FSW)是一種固相連接技術(shù)，具有熱輸入低，接頭質(zhì)量高，安全性能好的特點，此外FSW還是一種綠色無污染的焊接方法。在航空、航天領(lǐng)域中高強鋁合金的連接方面有著廣闊的應用前景。美國早在1999年發(fā)射的德爾塔Ⅱ火箭燃料貯箱上已經(jīng)采用攪拌摩擦焊接技術(shù)。在攪拌摩擦焊接過程中，攪拌針帶動其前緣金屬的流動行直接影響焊核區(qū)組織微觀演變以及焊接缺陷如隧道型孔洞的形成從而影響焊接接頭的力學性能。在攪拌摩擦焊焊核區(qū)組織研究方面，Yang，Mironov，Xu，Li，Cui等人分別從不同的角度(晶粒大小，組織演變以及金屬流線)分析焊核區(qū)組織，并且證實焊核區(qū)組織存在明顯的周期性變化。而Yan等人研究了焊接過程的焊接參數(shù)的變化，結(jié)果表明壓力、扭矩呈明顯周期性變化。

但是很少有學者從工藝參數(shù)的周期性及焊核區(qū)組織周期性的角度研究攪拌針前緣金屬流動行為。因此，本研究利用高速攝像手段分析攪拌摩擦焊接過程中攪拌工具與被焊板材之間的相對運動，并結(jié)合焊核區(qū)焊后組織形貌從周期性的角度揭示攪拌針前緣金屬的流動行為。

1 實驗方法

實驗采用規(guī)格為200mm×100mm×8mm鋁2024板材在由C52型立式銑床改裝的攪拌摩擦焊機上進行攪拌摩擦焊接。該設(shè)備工作時攪拌工具只做旋轉(zhuǎn)運動，進給則是由機床平臺完成。高速攝影設(shè)備型號為進口PhotomV310，用于分析攪拌摩擦焊接過程中鋁2024板材進給的運動學數(shù)據(jù)。拍攝采用碘鎢燈作為光源，頻率為200fps，曝光時間為1.9ms，光圈為f8。表1所示為實驗組配。圖1所示為取樣示意圖。試樣采用keller試劑(1 mLHF+1.5 mLHCl+2.5 mLHNO3+95mLH2O)腐蝕并在光學顯微鏡下觀察焊核區(qū)組織形貌。

表1 實驗參數(shù)Table1 Processing parameters

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 攪拌摩擦焊接過程時間位移分析

圖2所示為高速攝影數(shù)據(jù)處理示意圖。數(shù)據(jù)處理采用示蹤法，在整個焊接過程中跟蹤標記點在X方向的位移變化。圖3所示為不同工藝參數(shù)下攪拌摩擦焊接位移時間曲線及475/60工藝參數(shù)下焊核區(qū)水平剖面組織形貌。由曲線可知攪拌工具前進過程具有明顯的周期性，并且每一個周期可分為兩個階段進行。第一個階段攪拌針與被焊母材保持相對靜止，即圖3曲線所示平臺階段。攪拌針前緣金屬在這一階段僅僅被加熱并沒有發(fā)生流動行為。第一階段結(jié)束后攪拌工具進入到下一個階段即進給階段。被焊板材無法繼續(xù)與攪拌針保持相對靜止，焊縫的成型也主要由這一階段完成。因此在該階段攪拌針與其前緣金屬必然發(fā)生劇烈的相互作用。

圖1 焊接試樣取樣示意圖Fig.1 The schematic diagram showing the Positions were taken from the FS weld

圖2 高速攝像數(shù)據(jù)處理示意圖Fig.2 The schematic showing how to process the high-speed photography

圖3所示焊核區(qū)水平剖面金屬組織呈明顯的周期性分布，每一層金屬的厚度λ與由Cui等人［9］從微觀組織角度入手獲得的關(guān)系表達式，即公式1，計算得出的值相吻合。表2所示為不同工藝參數(shù)下測得的Ti，λi在十個周期內(nèi)平均值與理論值。由此可見，由實驗所測得的位移周期Ti，以及每個周期攪拌工具前進的距離λi與Cui等人得到的理論值基本一致。這表明微觀組織上的周期性現(xiàn)像與位移周期性現(xiàn)象有著必然的聯(lián)系，而這種必然聯(lián)系就是攪拌針帶動前緣金屬的流動行為，也即攪拌針帶動前緣金屬流動具有周期性。

式中v為攪拌頭前進速度，ω為攪拌頭旋轉(zhuǎn)角速度，α為攪拌頭傾角，由于α很小所以有cosα≈1。

2.2 攪拌針前緣金屬流動行為

由上述分析可知攪拌針帶動前緣金屬的流動行為存在明顯的周期性，因此，本研究以一個周期作為研究對象分析攪拌針前緣金屬的流動行為。圖4所示為475/60工藝參數(shù)下焊核區(qū)前進側(cè)橫剖面組織形貌。焊核區(qū)組織在前進側(cè)呈層狀分布，Ⅰ區(qū)金屬層較薄而Ⅱ區(qū)則相對較厚，并且Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間存在明顯的分界線。這表明攪拌針在進給階段帶動金屬流動存在兩個階段如下文所述。

圖5所示為攪拌針前緣金屬流動行為示意圖。在一個周期內(nèi)攪拌針與被焊材料之間的相互作用從時間上可分為兩個階段即平臺階段和進給階段。進給階段又可分為兩個階段，即擠壓攪拌針前方粘塑性金屬階段和整體流動階段，分別形成圖4Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)所示組織形貌。在平臺階段攪拌針與被焊材料之間的相對位移幾乎為零，母材金屬的溫度在軸肩和攪拌針的摩擦加熱作用下升高。在平臺階段結(jié)束后攪拌針前緣金屬形成如圖5a所示一層較薄的粘塑性金屬層。進入到進給階段后，攪拌針對被焊材料的作用力增加。在進給階段初期，由平臺階段生成的粘塑性層金屬由于流變應力較低被直接以擠壓的方式擠到攪拌針后方，如圖5b所示，形成圖4Ⅰ區(qū)組織形貌。這時攪拌針與其前緣較冷金屬接觸從而以“整體流動”的方式將其帶到攪拌針后方形成焊核區(qū)，如圖5c所示，最后形成圖4所示組織形貌。

圖4 475/60工藝參數(shù)下焊核區(qū)前進側(cè)橫剖面組織形貌圖Fig.4 Microstructure of transverse cross section in nugget zone with parameter of 475/60

表2 實驗平均值與理論值比較Table 2 Compare the value of experimental to the value calculated by formulation

圖5 攪拌針前緣金屬流動行為示意圖(a)攪拌針平臺階段;(b)攪拌針擠壓前緣金屬階段;(c)攪拌針整體搬運前緣金屬階段Fig.5 The schematic diagram shows the flow behavior of metal front stir pine in one periodical(a)platform stage;(b)the stage of metal front of stir pine extruded;(c)the stage of metal of front of stir pine carried

3 結(jié)論

(1)攪拌摩擦焊接過程中攪拌工具與被焊接板材之間的相對運動存在著明顯的周期性現(xiàn)象，且位移的周期T以及每個周期的進給λ與攪拌摩擦焊過程中Cui等人所得理論值相吻合。

(2)攪拌針對其前緣金屬作用具有周期性，且一個周期可分為兩個階段即平臺階段和進給階段。

(3)在平臺階段攪拌針對其前緣金屬只起到加熱作用，并產(chǎn)生一定厚度較軟的粘塑性金屬層;當攪拌針進入到進給階段這層粘塑性金屬被擠向攪拌針后方形成圖4(b)所示Ⅱ區(qū);在攪拌針繼續(xù)進給時與相對較冷金屬接觸，以整體流動的方式將前緣金屬帶到攪拌針后方，形成焊核區(qū)。

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