聚丙烯塑料板攪拌摩擦焊接頭缺陷分析

黨杰，張琳

(西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安710089)

1991年，英國焊接研究所(TWI)研發(fā)出了一種綠色的新型固相連接技術(shù)［1－3］——攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)。這種方法不需要填充材料和保護(hù)氣體，能耗低，對環(huán)境無污染［4－5］。自其問世以來，倍受青睞。許多科研院所、大學(xué)和公司都投入了大量的人力物力，展開了相關(guān)的研究工作。如今，此項(xiàng)技術(shù)已能成功連接鋁、鎂、銅及其合金等金屬材料，也已在航天、航空、核能、船舶和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域廣泛應(yīng)用起來［6－9］。

因此，嘗試用攪拌摩擦焊對聚丙烯塑料板材進(jìn)行焊接。通過實(shí)驗(yàn)得知:臺肩壓力適中，旋轉(zhuǎn)速度n=3000r/min，焊接速度υ=25mm/min時的焊縫成形很好［10］。但是，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度及其對塑料板上表面的壓力等工藝參數(shù)不相匹配時，會出現(xiàn)表面粗糙、飛邊和空洞等缺陷。

1 焊接工藝與步驟［10－11］

(1)準(zhǔn)備材料。用手工鋸將PP塑料板鋸成尺寸為140mm×35mm的窄條，并在銑床上修整好對接面，之后進(jìn)行簡單的焊前清理。

(2)固定攪拌頭。將攪拌頭裝夾在銑床上，確保旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)。在平口鉗上墊一塊鐵塊，取兩塊準(zhǔn)備好的10mm厚的PP窄條，將其對接平齊放在鐵塊上，用平口鉗夾緊。調(diào)節(jié)工作臺，使攪拌頭的特形指棒中心與板縫對齊，下調(diào)攪拌頭，使其臺肩剛好貼在PP板的上表面(如圖1)。

圖1 攪拌頭臺肩貼板上表面Fig.1 shoulder flitch upper surface of stir welding head

(3)確定參數(shù)。將攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度n(同主軸)調(diào)到2500r/min，焊接進(jìn)給速度υ調(diào)到20mm/min，開啟銑床，使其縱向進(jìn)給，焊接過程如圖2。

圖2 焊接過程Fig.2 welding process

(4)做好記錄。待攪拌頭到PP板末端時，關(guān)掉銑床，稍作停頓，待熔融的塑料冷卻硬化后，取下焊好的PP板，標(biāo)明記號，并記錄好此次焊接所選用的工藝參數(shù)。

(5)調(diào)整參數(shù)。保持?jǐn)嚢桀^的旋轉(zhuǎn)速度(同主軸)n=2500r/min不變，先后將焊接進(jìn)給速度υ調(diào)到25mm/min和30mm/min，繼續(xù)按照以上(2)、(3)、(4)所述步驟反復(fù)操作。

(6)反復(fù)操作。設(shè)定攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度(同主軸)n=3000r/min和n=3500r/min，再分別將焊接進(jìn)給速度υ調(diào)到20mm/min、25mm/min和30mm/min，并且按照以上(2)、(3)、(4)所述步驟反復(fù)操作。

注意:銑床工作中，不能變換攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和焊接的進(jìn)給速度;若有不正常聲音應(yīng)立即切斷電源，銑床停止工作。

2 飛邊缺陷［12］

在攪拌摩擦焊的焊接過程中，攪拌頭在上方，墊塊和未塑化的母材塑料板在下面，它們形成了一定的擠壓空間，塑性材料在這個擠壓空間中流動，并且在攪拌頭后面形成焊縫。當(dāng)焊接壓力過大且攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過高時，焊縫的厚度將比母材的厚度略小一些。焊接過程中，擠壓空間的體積減小，小于理想狀態(tài)焊接時的容積，這樣會致使部分塑性材料被擠出，這些被擠出的塑性材料也會隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)而被帶出，冷卻后則形成飛邊。一般情況下，多余的塑性材料會被擠到返回側(cè)，后又由攪拌頭軸肩從返回側(cè)被帶出。因此，飛邊缺陷一般出現(xiàn)在焊縫的返回側(cè)，如圖3所示。

圖3 飛邊缺陷Fig.3 flash defects

在拉伸試驗(yàn)過程中，若被拉伸的焊接接頭有飛邊缺陷，那么其實(shí)際的承載面積會減小，而且還有可能存在應(yīng)力集中，進(jìn)而會影響到焊接接頭的力學(xué)性能。當(dāng)然，若攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和焊接壓力都適中時，擠壓空間的體積剛好等于焊接時塑化材料的容積，塑化材料則全部被帶到攪拌頭后面而形成焊縫，從而不會產(chǎn)生飛邊缺陷。

3 焊縫表面粗糙［13］

焊縫表面粗糙是指材料被焊接后所形成的焊縫表面不均勻、不平整、不美觀。焊接過程中，當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度都過低時，摩擦產(chǎn)生的熱量太少，焊縫材料不能被完全塑化，當(dāng)然也就不會充分均勻地流動，從而導(dǎo)致形成的焊縫表面粗糙(如圖4所示，當(dāng)υ=25mm/min，n=2500r/min時，用攪拌摩擦焊焊接聚丙烯板材所形成的焊縫表面粗糙);另外，當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度過大時，焊縫內(nèi)部會產(chǎn)生過多熱量，使焊核區(qū)材料出現(xiàn)局部過燒現(xiàn)象，這樣也會導(dǎo)致焊縫表面粗糙。一般情況下，這種缺陷對接頭的性能影響不大。如果焊縫表面成形要求較高的話，可以采取人工方法修整好焊縫表面。

圖4 焊縫表面粗糙Fig.4 rough weld surface

4 孔洞缺陷［14］

在實(shí)際焊接過程中，經(jīng)常會有焊縫中出現(xiàn)孔洞和隧道缺陷，如圖5所示。

圖5 孔洞缺陷Fig.5 holes defects

孔洞缺陷一般位于焊縫的前進(jìn)側(cè)。焊接時，若攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度過低，或者焊接速度太高，或者焊接壓力太小，則焊縫中熱量的輸入就不足。這樣，被焊材料不能達(dá)到完全塑化狀態(tài)，其流動性能就較差，致使不能及時的填充空隙而形成完全封閉的焊縫，從而在焊縫內(nèi)產(chǎn)生孔洞。當(dāng)選擇的工藝參數(shù)極不合適時，材料的流動能力將會更差，出現(xiàn)的孔洞也會增多，更甚者將會在在焊縫內(nèi)形成隧道缺陷。這將會嚴(yán)重影響到焊縫力學(xué)性能，應(yīng)盡量避免。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度和焊接壓力等工藝參數(shù)選擇合適時，焊縫的熱輸入量足夠，被焊材料能達(dá)到完全塑化狀態(tài)，流動性能好，則能避免孔洞和隧道缺陷，形成封閉的焊縫。

5 焊縫組織觀察

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度n=3000r/min，焊接速度υ=25mm/min時，10mm厚的聚丙烯塑料板攪拌摩擦焊所形成的焊縫的截面宏觀組織如圖6所示，從此圖中，我們可以看出，在聚丙烯塑料板焊縫橫截面上，材料的分布比較均勻，焊縫區(qū)沒有夾雜或氣孔等缺陷，圖中的一條彎曲線條是焊縫和母材的分界線。顯而易見，焊縫兩側(cè)的分界線不同，其前進(jìn)側(cè)的分界線相對比較明顯，而返回側(cè)的則較模糊，這與材料的流動有關(guān)。前進(jìn)側(cè)母材和焊縫的分界線較清晰，是因?yàn)樗芰虾附优c金屬材料焊接不同，塑料粘性較大，摩擦產(chǎn)生熱的速度比較慢，材料還未得到充分塑化就隨著攪拌頭流動，攪拌頭則相當(dāng)于對材料有一定的切削作用，所以在前進(jìn)側(cè)母材和焊縫有明顯的分界線。

圖6 焊縫截面宏觀組織Fig.6 macro-structure of weld joint section

6 結(jié)論

(1)當(dāng)選擇的焊接工藝參數(shù)不合適時，接頭中就容易出現(xiàn)飛邊、表面粗糙和孔洞等缺陷。

(2)在實(shí)際應(yīng)用中，表面粗糙和飛邊缺陷對焊縫的組織與性能影響較小，適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行人工修整就可以去除。

(3)孔洞缺陷對焊縫的組織與性能影響較大，其主要因?yàn)楹附訜崃枯斎氩蛔阍斐?，而輸入的熱量多少主要取決于焊接工藝參數(shù)。

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