某雷達冷板雙軸肩攪拌摩擦焊接工藝試驗*

欒兆菊，孫建彬

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某雷達冷板雙軸肩攪拌摩擦焊接工藝試驗*

欒兆菊，孫建彬

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

文中介紹了某雷達MB8鎂合金冷板的雙軸肩攪拌摩擦焊接試驗。雙軸肩攪拌摩擦焊接技術對夾具設計以及應用環(huán)境的要求較常規(guī)攪拌摩擦焊接低。本試驗中攪拌頭轉(zhuǎn)速設計為1 000～1 600 r/min，焊接速度設計為100～160 mm/min。通過測量冷板焊接接頭處的拉伸強度和硬度，分析了焊接工藝參數(shù)對接頭力學性能影響的機制。試驗結(jié)果表明，MB8鎂合金冷板雙軸肩攪拌摩擦焊接接頭處沒有出現(xiàn)未焊透、氣孔和夾雜等鎂合金熔焊常見的缺陷，接頭處的拉伸強度為199～211 MPa，平均拉伸強度達到母材強度的91%，接頭處布氏硬度為30～39 HBS，相比母材略有下降。試驗結(jié)果說明雙軸肩攪拌摩擦焊接技術非常適合用于冷板以及其他結(jié)構(gòu)件的焊接。

鎂合金；雙軸肩攪拌摩擦焊接；力學性能

引 言

目前，雷達產(chǎn)品向著大功率和高功率密度方向發(fā)展，尤其是其電子器件組裝密度的不斷提高，其熱流密度也在迅速增加，有效解決高熱流密度元器件的散熱問題，可以極大地提高電子設備的壽命和穩(wěn)定性[1]。某雷達的散熱裝置采用液冷冷板，該結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點：一是穩(wěn)定梯度小，熱分布均勻，熱負載能力是風冷系統(tǒng)的5倍；二是該結(jié)構(gòu)的間接冷卻方式可以有效降低各種污染，提高工作的可靠性；此外，該結(jié)構(gòu)簡單、緊湊便于維修。擬采用雙軸肩攪拌摩擦焊接技術實現(xiàn)該冷卻裝置蓋板和底板的連接。

常規(guī)攪拌摩擦焊接技術(FSW)經(jīng)常遇到裝夾困難、焊接過程鍛壓力大、夾具要求苛刻等難題[2]。雙軸肩攪拌摩擦焊接(SR-FSW)作為一種新型的攪拌摩擦焊接方法有效解決了上述問題。在雙軸肩攪拌摩擦焊接過程中，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，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[3]。因此，在焊接薄壁中空結(jié)構(gòu)及其他復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，該方法顯示出明顯的優(yōu)勢。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

某雷達冷板采用MB8鎂合金材料制備。MB8鎂合金屬于鎂-錳系不可熱處理強化的變形鎂合金，在合金中加入了少量的稀土元素，使得晶粒細化從而改善了力學性能。該合金沒有應力腐蝕傾向，切削加工及焊接性能良好，可以在200 ℃以下長期工作。MB8鎂合金具體成分和物理性能見表1和表2[4]。本試驗中使用的攪拌頭形狀如圖1所示。

表1 MB8鎂合金成分 %

表2 MB8鎂合金物理性能

熔化溫度/℃抗拉強度/MPa硬度/HBS645～650199～26651

圖1 雙軸肩攪拌摩擦焊接攪拌頭結(jié)構(gòu)

1.2 試驗方法

采用雙軸肩攪拌摩擦焊接方法實現(xiàn)某型冷板液冷通道的對接焊接成型，圖2為某型號冷板焊縫位置的橫截面示意圖，液冷通道由2塊凹槽對接拼焊而成，F(xiàn)SW焊接的具體參數(shù)如表3所示。

圖2 某型冷板焊縫位置局部示意圖

液冷通道編號攪拌頭轉(zhuǎn)速/(r·min-1)焊接速度/(mm·min-1)蓋板厚度/mm110001602212001402314001202416001002

1.3 焊縫性能檢測

用相控陣水浸超聲C掃描系統(tǒng)檢測SR-FSW接頭是否存在未焊透、夾雜等焊接缺陷。采用線切割方法沿垂直于焊縫方向切取金相試樣，采用苦味酸5 g+醋酸5 mL+蒸餾水10 mL+酒精100 mL混合制成金相腐蝕液，將拋光后的試樣浸于溶液中5～10 s，然后用去離子水和酒精清洗試樣并吹干，在Olympus光學顯微鏡下進行焊縫及焊縫附近區(qū)域金相組織分析及顯微硬度測試。在MTS-810電子拉伸試驗機上進行拉伸試驗。采用MH-3型數(shù)顯顯微硬度計對接頭的顯微硬度進行測定。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 焊縫形貌

圖3為液冷通道SR-FSW焊接后的表面形貌，其表面焊接成型質(zhì)量良好，整條焊縫紋路均勻，飛邊較少，并且在無墊片的情況下，薄壁的液冷通道變形也較小。

圖3 SR-FSW焊縫表面形貌

圖4為MB8 鎂合金母材和焊縫橫截面微觀形貌。不同焊接參數(shù)下，焊縫微觀組織變化不大。圖4(a)中母材組織均勻，一系列團聚的深色組織均勻分布于鎂基體中，這主要和MB8鎂合金板材的軋制過程有關。圖4(b)為編號為2的試樣的微觀形貌，圖4(b)中明顯分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、熱機影響區(qū)和焊核區(qū)。焊核區(qū)自上而下晶粒均呈現(xiàn)出均勻、細小的特點，這主要是由于焊接過程中，MB8鎂合金薄壁的上下表面同時受到軸肩的旋轉(zhuǎn)摩擦而產(chǎn)生熱量，并且該熱量從焊縫的上下表面向焊縫中心傳遞，改變了焊核區(qū)結(jié)晶溫度場。另一方面，焊核區(qū)受到攪拌針強烈的機械攪拌作用，經(jīng)受了較高的焊接熱循環(huán)，使得焊核區(qū)發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，并且發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶的晶粒來不及長大就被攪拌針打碎，從而形成細小的等軸晶[5]。研究結(jié)果表明，細小的等軸晶粒對于改善焊縫處的力學性能非常有利。

圖4 焊縫微觀組織形貌

此外，熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的晶粒較為粗大，主要是由于離攪拌針較遠，受到機械攪拌作用較弱，并且在攪拌熱量的作用下，發(fā)生了動態(tài)回復。

2.2 接頭拉伸性能

試驗選用的MB8鎂合金母材的拉伸強度為255 MPa，屈服強度為118 MPa，斷裂后伸長率為12%。表4中列出了不同焊接參數(shù)下試樣的拉伸性能。

表4 MB8鎂合金SR-FSW接頭拉伸性能

從表4中可以看出，接頭綜合性能最好的是2號試樣，其拉伸強度為211 MPa，達到母材的93.8%，并且其斷裂后的伸長率略高于母材金屬。此外，4種不同焊接參數(shù)下，接頭的平均拉伸強度為205 MPa，達到母材的91%。接頭處平均屈服強度為105 MPa，達到母材的88.9%。此外，4種試樣的斷裂后平均伸長率為11.8%，基本接近母材金屬。由此可見，MB8 鎂合金雙軸肩攪拌摩擦焊接技術不僅能夠?qū)崿F(xiàn)金屬的有效連接，而且接頭處的力學性能相比母材金屬變化不大。

圖5為拉伸斷裂試樣宏觀形貌。由圖可見，試樣的斷裂位置均在攪拌頭的后退側(cè)，位于熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的交接處，這主要是由于金屬材料塑性流動不完全，在攪拌頭的后退側(cè)容易產(chǎn)生微小的孔洞等缺陷，從而導致焊縫的后退側(cè)一般屬于薄弱處。

圖5 拉伸斷裂試樣宏觀形貌

2.3 接頭顯微硬度分布

MB8鎂合金經(jīng)過雙軸肩攪拌摩擦焊接后，焊縫接頭處發(fā)生了一定程度的軟化。測試結(jié)果表明，在4種不同焊接工藝參數(shù)條件下，接頭處的顯微硬度分布規(guī)律類似，均呈現(xiàn)出“W”型，如圖6所示。

圖6 焊縫接頭處顯微硬度分布

圖6顯示了2號試樣顯微硬度分布特征。圖中焊縫中心處的顯微硬度約為39 HBS，隨著測試點離焊縫中心的距離變大，顯微硬度逐漸下降。在前進側(cè)熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)，顯微硬度約為34 HBS，而在后退側(cè)熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)，顯微硬度僅為30 HBS，這主要是由于隨著攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，攪拌針前進側(cè)的軟化層從前進的一側(cè)流動到后退側(cè)，造成后退側(cè)熱量累積[6]，因而使后退側(cè)經(jīng)受的焊接高溫作用時間大于前進側(cè)，導致后退側(cè)軟化程度和軟化區(qū)間均高于前進側(cè)。此結(jié)果也表明，MB8鎂合金雙軸肩攪拌摩擦焊接時，后退側(cè)的力學性能較差[7]。隨后，隨著測試點進入母材區(qū)域，顯微硬度上升到約50 HBS。

3 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了MB8鎂合金冷板雙軸肩攪拌摩擦焊接，并且焊縫成型美觀，洋蔥環(huán)紋路均勻明顯。

SR-FSW接頭微觀組織可以分為焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)以及母材區(qū)域，焊核區(qū)組織主要為細小的等軸晶粒，熱機影響區(qū)的晶粒被拉長，沿某一方向傾斜，熱影響區(qū)的晶粒較為粗大。

SR-FSW接頭的拉伸性能以及伸長率相比母材金屬變化不大，平均拉伸強度為母材金屬的91%，平均屈服強度為母材金屬的88.9%，平均伸長率為11.8%。此外，拉伸接頭斷裂處均位于焊縫的后退側(cè)。

4)SR-FSW接頭的顯微硬度分布呈現(xiàn)“W”型，母材的硬度最高，焊核區(qū)域次之，熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)的硬度最小，并且焊接接頭后退側(cè)的顯微硬度低于前進側(cè)。

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欒兆菊(1981-)，女，博士，主要從事微波組件先進連接技術研究。

Experiment of Bobbin-tool Friction Stir Welding for a Radar Cold Plate

LUAN Zhao-ju，SUN Jian-bin

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

Bobbin-tool friction stir welding (BTFSW) experiment of the MB8 magnesium alloy cold plate of a radar is presented in this paper. Requirements for welding jig and environment in BTFSW technology are lower than traditional friction stir welding (FSW). The rotating speed of stir head is designed to be 1 000～1 600 r/min and the welding speed is designed to be 100～160 mm/min. Based on the measurement results of tension strength and hardness in welding joint, the effect of welding parameters on joint mechanical properties is analyzed. Experiment results show that poor penetration, blowholes and inclusions which are common defects in magnesium alloy fusion welding are not found in MB8 welding joint after BTFSW, the tension strength in welding joint is 199～211 MPa, the average tension strength reaches 91% of base metal and the hardness is 30～39 HBS which has small decrease comparing with base metal. It also indicates that BTFSW technology is impactful in the welding of cold plate and other structure parts.

magnesium alloy; bobbin-tool friction stir welding; mechanical properties

2015-02-14

TG457

A

1008-5300(2015)03-0050-03