6082鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊試板溫度場(chǎng)研究

李敬勇， 周小平， 董春林， 董繼紅

(1.江蘇科技大學(xué)先進(jìn)焊接技術(shù)省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇鎮(zhèn)江 212003;2.北京航空制造工程研究所中國(guó)攪拌摩擦焊中心，北京 100024)

攪拌摩擦焊從一出現(xiàn)就備受關(guān)注［1］，雙軸肩自支撐攪拌摩擦焊技術(shù)(BTFSW)是攪拌摩擦焊領(lǐng)域的拓展技術(shù)，焊接過程中，上、下雙軸肩與攪拌針共同旋轉(zhuǎn)并與被焊材料表面相互作用。由于在攪拌頭內(nèi)部對(duì)工件上、下表面形成閉合的內(nèi)力，大大降低了焊接過程中工件厚度方向承受的載荷，同時(shí)，下軸肩代替常規(guī)攪拌摩擦焊的背部墊板，增加了零件裝配及施焊的靈活性，因而，在焊接薄壁、中空結(jié)構(gòu)及其他復(fù)雜形狀和特殊位置的工件，如曲線或雙曲率結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊接等方面顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)［2］。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在雙軸肩攪拌摩擦焊攪拌頭機(jī)構(gòu)［3～5］、焊接接頭宏觀形貌與微觀組織［6～9］、接頭力學(xué)性能［7～11］等方面業(yè)已開展了一定的研究。攪拌摩擦焊接過程中，焊縫區(qū)材料劇烈的塑性變形和攪拌頭軸肩與工件表面劇烈的摩擦，導(dǎo)致攪拌區(qū)附近溫度迅速升高。雙軸肩攪拌摩擦焊的兩軸肩同時(shí)產(chǎn)熱，在相同焊接規(guī)范下，與常規(guī)攪拌摩擦焊相比產(chǎn)熱較大，且熱輸入方式也有很大不同。Hilgert提出了針對(duì)雙軸肩攪拌摩擦焊的3D熱模型［12］;劉雪梅等建立了雙軸肩攪拌摩擦焊的熱-力數(shù)值模型，模擬了6mm厚2014鋁合金板材雙軸肩攪拌摩擦焊的溫度場(chǎng)分布［13］;Sato等通過有限元數(shù)值模擬和焊接試驗(yàn)研究了焊接夾具對(duì)6系鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊試板溫度場(chǎng)的影響，主要考慮了焊接夾具材料、寬度和其之間距離對(duì)試板溫度場(chǎng)的影響［14］。本工作研究設(shè)計(jì)了一系列針對(duì)雙軸肩攪拌摩擦焊6082鋁合金板材對(duì)接焊接試驗(yàn)，應(yīng)用熱電偶測(cè)溫技術(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)定了不同工藝條件下焊接試板溫度分布曲線，探討了雙軸肩攪拌摩擦焊試板溫度場(chǎng)分布規(guī)律。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料選用6082-T6鋁合金，其化學(xué)成分列于表1。焊接試板尺寸為:400mm×60mm×6mm。為了測(cè)定焊接過程中試板上溫度分布規(guī)律，在靠近上軸肩、下軸肩2mm的平面分別設(shè)置測(cè)溫特征點(diǎn)，特征點(diǎn)距焊縫中心的橫向距離分別為12mm，18mm和24mm，試板上安裝熱電偶測(cè)溫孔的直徑為 φ 1.2mm。每組試板均設(shè)有八個(gè)測(cè)溫孔，孔底即為測(cè)溫特征點(diǎn)，分別標(biāo)識(shí)為CH01至CH08，如圖1所示。

焊接試驗(yàn)使用FSW-LM2-1020型攪拌摩擦焊機(jī)，所用雙軸肩攪拌頭軸肩直徑為φ22.5mm，攪拌針直徑為φ6mm，帶螺紋。焊接試板測(cè)溫采用直徑為φ1.0mm的K型鎧裝熱電偶和YOKOGAWA-DX2000無紙記錄儀。在焊接參數(shù)優(yōu)化并獲得良好焊縫成形的基礎(chǔ)上，采用攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度600r/min，順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，焊接速度為300～400mm/min。焊接前，將直徑為φ1.0mm的K型鎧裝熱電偶預(yù)先插入鋁板各測(cè)溫孔中，實(shí)時(shí)測(cè)量該點(diǎn)在焊接過程中的溫度變化規(guī)律。

表1 6082鋁合金的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 Chemical compositions of aluminum alloy 6082(mass fraction/%)

圖1 試板測(cè)溫點(diǎn)順序示意圖Fig.1 Diagram of distributed feature points on the workpieces

圖2 試板溫度曲線示意圖Fig.2 Temperature-time curves of feature points

2 焊接試板溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果與討論

2.1 雙軸肩攪拌摩擦焊試板溫度曲線特征

雙軸肩攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭上、下軸肩面同時(shí)與試板摩擦產(chǎn)熱，與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊產(chǎn)熱相比量大大增加，而且焊接試板不與墊板接觸，其傳導(dǎo)散熱條件也與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊有很大不同，因此，可以采用更大的焊接速度，從而提高焊接效率。焊接起始階段，焊接試板溫度較低，其對(duì)攪拌頭向前移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生很大的阻力，因此，雙軸肩攪拌摩擦焊過程主要分為兩個(gè)階段:加速焊接階段和穩(wěn)定焊接階段。

圖2為試驗(yàn)測(cè)得雙軸肩攪拌摩擦焊過程中，焊接試板各特征點(diǎn)典型溫度變化曲線。在加速焊接階段，攪拌頭轉(zhuǎn)速一定，焊接速度由初始的25mm/min均勻加速至穩(wěn)定焊接速度400mm/min。較慢的初始焊接速度使攪拌頭軸肩與試板之間的摩擦產(chǎn)熱迅速增加，其周圍的金屬迅速塑化，因此，攪拌頭短暫停頓時(shí)間較傳統(tǒng)攪拌摩擦焊大大縮短。圖2所示焊接試板溫度分布曲線顯示，靠近焊接起始端測(cè)溫點(diǎn)CH01和CH05的初始升溫速率明顯高于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊，而在該階段，遠(yuǎn)離起始端各測(cè)溫點(diǎn)的溫度升溫則非常緩慢。當(dāng)焊接速度逐漸達(dá)到較高的穩(wěn)定焊接速度，攪拌頭接近CH01和CH05測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，其溫度達(dá)到峰值溫度;當(dāng)攪拌頭到達(dá)后續(xù)各測(cè)溫點(diǎn)時(shí)，其溫度值瞬間急劇升高至峰值溫度，然后，隨著攪拌頭的遠(yuǎn)離，溫度值逐漸下降。鑒于該階段焊接速度較大，焊接試板受熱時(shí)間及較高溫度下的持續(xù)時(shí)間顯著縮短?？梢钥闯觯p軸肩攪拌摩擦焊過程不同階段，各測(cè)溫點(diǎn)表現(xiàn)了不同的溫度分布特征，而雙軸肩攪拌摩擦焊試板的溫度分布特征與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊也明顯不同，前者的焊接過程較后者大大縮短。

2.2 距離焊縫中心不同距離的溫度場(chǎng)分布規(guī)律

由于焊接過程前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)、靠近上軸肩與下軸肩各測(cè)量點(diǎn)均沿焊縫對(duì)稱分布，其沿試板寬度方向的溫度變化趨勢(shì)相似，因此，本工作僅分析距上軸肩面2mm，前進(jìn)側(cè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)。圖3為同一焊接參數(shù)下距焊縫中心不同距離焊接試板測(cè)溫特征點(diǎn)的溫度分布曲線。表2列出各特征點(diǎn)的峰值溫度。

由圖3及表2可以發(fā)現(xiàn)，與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)分布規(guī)律一樣，雙軸肩摩擦焊試板寬度方向溫度分布隨著測(cè)溫點(diǎn)遠(yuǎn)離焊縫中心，其峰值溫度逐漸降低;長(zhǎng)度方向，在焊接速度接近穩(wěn)定焊速之前，焊接試板整體溫度達(dá)到最高，隨著攪拌頭以穩(wěn)定焊接速度的行進(jìn)，焊接試板的溫度基本保持穩(wěn)定。焊接過程中摩擦產(chǎn)熱量的疊加，使焊接試板的溫度整體升高，隨著攪拌頭接近焊接試板的末端，攪拌頭前部試板的溫度梯度越來越小，越來越不利于試板的傳導(dǎo)散熱，因此，試板CH04測(cè)溫點(diǎn)的溫度較穩(wěn)定焊接階段略有回升。

表2 距焊縫中心不同距離測(cè)溫點(diǎn)峰值溫度Table 2 Peak temperature of feature points with different distance away from weld seam center

圖3各溫度曲線還顯示，距離焊縫越近的位置溫度上升和下降的越劇烈，而距焊縫越遠(yuǎn)的位置，溫度上升下降越平緩，峰值溫度越低。

2.3 上軸肩與下軸肩、前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)溫度分布規(guī)律

圖4為在同一焊接參數(shù)(攪拌頭轉(zhuǎn)速600r/min，焊速400mm/min)下，距焊縫中心12mm，距試板表面2mm(近上軸肩)與4mm(近下軸肩)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度分布曲線。表3列出圖4中各曲線對(duì)應(yīng)的峰值溫度。由圖4及表3可以看出，不管是靠近上軸肩面還是下軸肩面，焊接試板后退側(cè)的溫度均顯著高

圖3 距焊縫中心不同距離特征點(diǎn)溫度變化曲線Fig.3 Temperature-time curves of feature points with different distance away from weld seam center(a)CH01;(b)CH02;(c)CH03;(d)CH04

2.4 焊接速度對(duì)焊接試板溫度場(chǎng)的影響

圖5為不同焊接速度下焊接試板靠近下軸肩表面、距焊縫中心12mm測(cè)溫點(diǎn)的溫度分布曲線。由圖5可以看出，在固定攪拌頭轉(zhuǎn)速的情況下，隨著焊接速度的提高，各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度依次降低，因?yàn)樘岣吆附铀俣葘?dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)的焊接熱輸入降低，試件受加熱時(shí)間變短，從而導(dǎo)致焊接體系整體溫度均有所降低。當(dāng)固定攪拌頭轉(zhuǎn)速為600r/min，焊接速度由300mm/min提高到400mm/min時(shí)，溫度減低了20～40℃。隨著測(cè)溫孔深度增大，測(cè)溫點(diǎn)距離焊縫中心越來越遠(yuǎn)，焊接速度對(duì)測(cè)溫特征點(diǎn)的影響作用逐漸減弱。

表3 靠近上、下軸肩面試板的峰值溫度Table 3 Peak temperature near upper and lower shoulder

3 結(jié)論

(1)雙軸肩攪拌摩擦焊過程中雙軸肩同時(shí)產(chǎn)熱，其產(chǎn)熱量明顯增加，因此，焊接速度大大提高，焊接過程較傳統(tǒng)攪拌摩擦焊顯著縮短，焊接試板上各區(qū)域的溫度場(chǎng)變化特征與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊也明顯不同。

(2)雙軸肩攪拌摩擦焊過程分為均勻加速焊接階段和穩(wěn)定焊接階段，不同焊接階段，各區(qū)域測(cè)溫點(diǎn)的溫度變化曲線明顯不同，均勻加速焊接階段，靠近試板起始端測(cè)溫點(diǎn)的溫度緩慢升高，而在穩(wěn)定焊接階段，當(dāng)攪拌頭到達(dá)測(cè)溫點(diǎn)附近時(shí)，較高的焊接速度使得后續(xù)各測(cè)溫點(diǎn)的溫度瞬間急劇升高至峰值溫度，且在高溫下的持續(xù)時(shí)間大大縮短。(3)靠近下軸肩試板的溫度高于靠近上軸肩試板，后退側(cè)的溫度明顯高于前進(jìn)側(cè)，焊接試板的其他溫度分布特征與傳統(tǒng)攪拌摩擦焊相同，即固定攪拌頭轉(zhuǎn)速的情況下，隨著焊接速度的提高，各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度依次降低，測(cè)溫點(diǎn)距離焊縫中心越遠(yuǎn)，焊接速度對(duì)其溫度分布的影響作用越弱;同樣焊接參數(shù)下，距離焊縫越近的位置溫度上升和下降的越劇烈，峰值溫度越高。

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