5A05鋁合金薄板攪拌摩擦焊裝配因素對焊縫質(zhì)量的影響*

王 濤，馮杏梅

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

5A05鋁合金薄板攪拌摩擦焊裝配因素對焊縫質(zhì)量的影響*

王 濤，馮杏梅

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

文中通過5A05鋁合金薄板攪拌摩擦焊對接試驗，進行了力學性能分析和X射線探傷，研究接頭錯邊量和間隙量對攪拌摩擦焊對接接頭缺陷和力學性能的影響。試驗結(jié)果表明當錯邊量大于0.5 mm或間隙量大于0.8 mm時焊縫力學性能下降并伴隨下壓量增大和缺陷的產(chǎn)生，接頭缺陷與拉伸試驗斷裂部位大多在焊縫前進側(cè)。錯邊量和間隙量對鋁合金薄板攪拌摩擦焊對接接頭力學性能及內(nèi)部質(zhì)量有重要影響，為保證焊接生產(chǎn)質(zhì)量，攪拌摩擦焊焊接過程中應該嚴格控制接頭錯邊量和間隙量。

攪拌摩擦焊；5A05鋁合金；裝配因素；錯邊量；配合間隙

引 言

5A05鋁合金因具有高的比強度、疲勞及斷裂韌性，被廣泛應用于航空航天和電子等領域。采用傳統(tǒng)的熔焊方法(如：TIG/MIG)進行焊接，接頭易出現(xiàn)熱裂和強度下降的問題[1]。攪拌摩擦焊(FSW)作為一種固相連接方法，具有焊接溫度低、接頭殘余應力小、焊接工件變形小和焊縫強度高等優(yōu)點，為鋁合金等輕金屬材料的連接提供了新的方法和途徑[2-4]。從2002年北京航空制造工程研究所引入攪拌焊并成立中國攪拌摩擦焊中心至今，攪拌摩擦焊在我國輕金屬焊接領域得到了快速的發(fā)展和推廣。對接接頭是鋁合金攪拌摩擦焊工藝性和應用性最好的接頭類型，其裝配因素(接頭間隙和錯邊量大小)對焊接接頭缺陷和性能有著非常重要的影響，但是目前國內(nèi)外類似的研究很少，因此迫切需要進行相關試驗研究攪拌焊對接過程中裝配因素對焊縫質(zhì)量的影響[5-6]。本文通過5A05鋁合金薄板攪拌摩擦焊對接試驗，并進行了力學性能分析和X射線探傷，研究了接頭錯邊量和間隙量對接頭缺陷和力學性能的影響。

1 試驗材料及裝配工藝因素

1.1 試驗材料

試驗選用厚度為4mm的退火態(tài)5A05鋁合金薄板對接，5A05型鋁合金為Al-Mg系合金，其化學成分及實測抗拉強度見表1。

表1 5A05型鋁合金化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)和抗拉強度

1.2 樣件結(jié)構形式

對接式樣為長L=300 mm、寬B=100 mm、厚度H= 4 mm的板材。錯邊量實驗式樣焊接結(jié)構如圖1所示，h1為前進側(cè)，h2為后退側(cè)，通過改變h1和h2來控制焊接裝配錯邊量的大小，設置錯邊量為0 mm，±0.5 mm，±0.9 mm，其中h1大時錯邊量為負，反之為正。

圖1 錯邊量焊接樣件結(jié)構式樣

間隙量實驗式樣結(jié)構如圖2所示，改變裝配間隙量的大小，分別設置間隙量為0 mm，0.2 mm，0.4 mm，0.6 mm，0.8 mm。

圖2 間隙量焊接樣件結(jié)構式樣

1.3 實驗設備及參數(shù)

攪拌摩擦焊實驗在二維定梁龍門式攪拌摩擦焊設備(型號FSW-LM2-3012)上進行，實驗使用的是帶右旋螺紋的攪拌頭，軸肩直徑為12mm，攪拌針的長度為4 mm，焊接過程中攪拌頭順時針旋轉(zhuǎn)，實驗參數(shù)如表2所示，實驗采用單一變量原則。拉伸實驗在龍門拉伸試驗機(型號GT-7001-MS)上進行，X射線探傷采用便攜式工業(yè)X射線探傷儀(型號ERESCO65MF4)。

表2 實驗參數(shù)

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 裝配錯邊量對接頭性能影響

(1)目視檢驗

檢驗結(jié)果如表3所示，錯邊量為±0.9mm時接頭的前進側(cè)表面有大量咬邊，錯邊量為-0.9 mm時接頭后退側(cè)表面有大量微裂紋。

表3 錯邊量試驗目視檢驗結(jié)果

(2)X射線無損檢驗

檢測結(jié)果如表4所示，錯邊量為0.9 mm時接頭內(nèi)部有隧道型孔洞且貫穿整個焊縫，錯邊量為-0.9 mm時接頭后退側(cè)表面有大量微裂紋并有隧道型孔洞且貫穿整個焊縫。錯邊量為0.9 mm時焊縫外觀和X射線檢測結(jié)果如圖3所示，錯邊量為-0.9 mm時焊縫表面微裂紋和焊縫宏觀金相如圖4所示。

表4 錯邊量試驗X射線無損檢測結(jié)果

圖4 錯邊量為-0.9 mm時表面微裂紋及焊縫宏觀形貌

(3)拉伸性能

按照GB 2649—89 《焊接接頭機械性能試驗取樣方法》和GB 2651—89 《焊接接頭拉伸試驗方法》進行取樣和拉伸試驗，拉伸式樣如圖5所示，拉伸結(jié)果如表5所示。

表5 錯邊量試驗缺陷驗證及焊縫拉伸試驗結(jié)果

圖5 實驗拉伸式樣

由試驗結(jié)果可知，5A05鋁合金薄板攪拌摩擦焊對接時，焊接裝配過程中錯邊量的增大會導致下壓量的增加、焊縫強度的降低、表面缺陷和內(nèi)部隧道型缺陷的產(chǎn)生，焊縫無缺陷時焊縫強度超過母材強度的88%，而有缺陷時最低僅為母材強度的40%。

錯邊量增大時，由于補充材料不足、攪拌頭軸肩摩擦產(chǎn)熱不足以及單邊軸肩壓力不足，使達到塑化狀態(tài)的材料不足，材料流動不充分而導致焊縫內(nèi)部形成材料未完全閉合的現(xiàn)象，會在焊縫產(chǎn)生隧道型缺陷并貫穿整條焊縫。前進側(cè)低時，由于前進側(cè)熱輸入不足且無足夠材料填充，容易導致焊縫表面出現(xiàn)咬邊；后退側(cè)低時，材料由前進側(cè)流入后退側(cè)，由于后退側(cè)熱輸入不足，無法壓實，導致微裂紋出現(xiàn)。焊縫前進側(cè)為焊縫薄弱區(qū)，且焊接缺陷大部分出現(xiàn)在前進側(cè)，所以拉伸斷裂位置均為焊縫前進側(cè)。

2.2 裝配間隙量對接頭性能影響

(1)目視檢驗

檢驗結(jié)果如表6所示，間隙量在0.8 mm內(nèi)焊縫表面無缺陷。

表6 間隙量試驗目視檢驗結(jié)果

(2)X射線無損檢測

檢驗結(jié)果如表7所示，間隙量在0.8 mm內(nèi)焊縫無明顯內(nèi)部缺陷。

表7 間隙量試驗X射線探傷結(jié)果

(3)拉伸性能

拉伸結(jié)果如表8所示，間隙量的增大對焊縫強度無明顯影響，拉伸斷裂位置均為焊縫前進側(cè)。

表8 間隙量試驗焊縫拉伸試驗結(jié)果

由試驗結(jié)果可知，5A05同種材料攪拌摩擦焊對接時，焊接裝配過程中在一定范圍內(nèi)間隙量的增大對焊縫缺陷和力學性能的影響不明顯，但是會明顯增加下壓量，影響結(jié)構尺寸。

隨著間隙量的增加，攪拌針與攪拌頭軸肩摩擦產(chǎn)熱減少，焊縫熱輸入降低，塑化材料也隨著變少，在相同下壓量的情況下，焊縫易產(chǎn)生隧道型缺陷。為保證焊縫質(zhì)量，當間隙量增加時，可以通過增加下壓量來增加攪拌頭軸肩產(chǎn)熱量，保證足夠焊縫熱輸入和填充材料，但是下壓量增加會影響接頭尺寸。

3 結(jié)束語

4 mm 5A05鋁合金攪拌摩擦焊裝配時應該嚴格控制錯邊量，當錯邊量大于0.50 mm時，會導致焊縫力學性能下降、下壓量增大、焊縫缺陷產(chǎn)生。

4 mm 5A05鋁合金攪拌摩擦焊裝配時間隙量在0.8 mm范圍內(nèi)對焊縫缺陷和性能沒有明顯影響，但是隨著間隙量增大會導致下壓量明顯增加，影響結(jié)構尺寸，且實際焊接過程中間隙量增大會導致底部未焊透。

4 mm 5A05鋁合金攪拌摩擦焊拉伸接頭斷裂大多集中在前進側(cè)，證明前進側(cè)是攪拌摩擦焊焊縫的薄弱部位。

[1] 欒國紅, 郭德倫, 張?zhí)飩}, 等. 攪拌摩擦焊在飛機制造工業(yè)中的應用[J]. 航空制造技術, 2002(11): 20-24.

[2] Hitachi, Ltd. Ezumi, Masakuni Hitachi Ltd. Friction Stir Welding Method: European Union, EP1206995[P/OL]. 2002-05-22[2016-07-15]. http://172.16.41.51.

[3] 布倫特·克里斯特納. 攪拌摩擦焊的方法: 中國,CN1675019[P/OL]. 2003-08-05[2016-06-02]. http: //cpquery.sipo.gov.cn.

[4] MIYAMOTO KENJI, NAKAGAWA NARIYUKI. Friction Stir Welding Method: Japan, JP2007289988[P/OL]. 2006-04-24[2016-07-10]. http://172.16.41.51.

[5] 黃華, 董仕節(jié), 吳勇, 等. LF21板攪拌摩擦焊接頭組織與焊接工藝關系的研究[J]. 熱加工工藝, 2006, 35(3): 1-3.

[6] 馮杏梅, 蔣曉虎, 劉洪斌. 2A14鋁合金攪拌摩擦焊焊縫表面鼓包原因分析[J]. 電子機械工程, 2009, 35(3): 35-38.

王 濤(1990- )，男，碩士，助理工程師，主要從事攪拌摩擦焊和電子束焊工藝研究。

Influence of Assembly Parameters of 5A05 Aluminum Alloy Thin Plate Friction Stir Welding on Welding Quality

WANG Tao，F(xiàn)ENG Xing-mei

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In this study, thin 5A05 aluminum alloy plates are welded by friction stir welding, mechanical property analysis and X-ray detection are performed,and the effect of the misalignment and clearance on the imperfections and mechanical properties of the joints are studied. It is found that when the amount of misalignment exceeds 0.5 mm and clearance exceeds 0.8 mm, the mechanical properties of the joint will degrade and the imperfections will begin to appear, which are mostly located at the advanced side. In order to improve the quality of the joint, the misalignment and clearance must be controlled strictly.

friction stir welding; 5A05 aluminum; assembly parameter; misalignment; clearance

2016-06-16

TG453

A

1008-5300(2016)05-0050-03