LY12鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與應(yīng)力分析

劉志軍，張麗婷，張亮仁

(銀川能源學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，銀川750100)

LY12鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與應(yīng)力分析

劉志軍，張麗婷，張亮仁

(銀川能源學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，銀川750100)

為了研究不同焊接條件對LY12鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭組織和性能的影響，對3mm厚LY12鋁合金板進(jìn)行了攪拌摩擦焊對接，觀察分析在不同焊接條件下焊接接頭微觀組織的變化。并利用ANSYS軟件模擬結(jié)果分析了焊接接頭溫度場及應(yīng)力場分布情況。結(jié)果表明，LY12鋁合金板材經(jīng)攪拌摩擦焊接后，在焊縫區(qū)得到組織均勻、晶粒細(xì)小、平均晶粒尺寸細(xì)小的再結(jié)晶晶粒；焊接板材邊緣區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，其他區(qū)域均為壓應(yīng)力，而且壓應(yīng)力自攪拌針向外逐漸減小，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在攪拌針及軸肩所在區(qū)域。

焊接；鋁合金；攪拌摩擦焊；接頭組織；應(yīng)力

LY12鋁合金焊接性能很差，用普通焊接方法焊接時(shí)有嚴(yán)重的裂紋傾向[1]。攪拌摩擦焊(FSW)利用攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)、摩擦，將待焊材料加熱至塑性狀態(tài)，并結(jié)合攪拌頭對焊縫金屬進(jìn)行擠壓連接，是鋁合金薄板焊接的先進(jìn)方法[2]。但是由于LY12高溫塑性很差[3]，如果所選焊接規(guī)范參數(shù)不合適，不但焊縫成形差，而且接頭應(yīng)力分布不均勻，組織晶粒粗大，甚至出現(xiàn)空洞、隧道等缺陷[4]，會(huì)大幅度降低焊接接頭的力學(xué)性能。

攪拌摩擦焊接過程中，攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊速之比(n/v)是攪拌摩擦焊線能量大小的關(guān)鍵因素[5]，對接頭組織和性能的影響較為明顯。本研究對3mm厚LY12鋁合金板在不同攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊速下的顯微組織進(jìn)行了分析[6-7]，并在溫度場模擬的基礎(chǔ)上得出應(yīng)力場分布圖，為LY12鋁合金薄板的焊接提供參考。

1 焊接參數(shù)與試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)使用的攪拌摩擦焊機(jī)及攪拌頭參數(shù)見表1，主要用于Al、Mg、Cu、Zn及其合金薄板材料的焊接[5]。

本試驗(yàn)用焊接材料為300mm×100mm×3mm規(guī)格的LY12鋁合金板，焊接時(shí)攪拌頭轉(zhuǎn)速分別選擇900r/min、1 050r/min和1 200r/min；焊接速度分別選擇120mm/min、143mm/min、168mm/min和194mm/min。焊接試驗(yàn)方案見表2。

表1 攪拌摩擦焊機(jī)及攪拌頭參數(shù)

表2 焊接試驗(yàn)方案

2 不同參數(shù)時(shí)的焊縫組織分析

2.1 同一轉(zhuǎn)速、不同焊速下的焊縫組織

攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 050r/min時(shí)，不同焊接速度下攪拌摩擦焊的焊縫微觀組織如圖1所示。從圖1可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，焊速較低時(shí)焊核區(qū)的微觀組織有些疏松，晶粒比較粗大，隨著焊接速度的增加晶粒逐漸細(xì)化。這是由于轉(zhuǎn)速相同的情況下，焊接速度越快，攪拌頭在焊縫表面停留的時(shí)間越短，攪拌頭軸肩與焊材之間的摩擦?xí)r間就越短，熱量輸入相對就小，焊縫溫度低，晶粒細(xì)小。但是焊接速度也不能過高，否則可能導(dǎo)致摩擦頭對焊縫材料攪拌不均勻，產(chǎn)生缺陷，致使焊縫區(qū)性能下降。

圖1 轉(zhuǎn)速為1 050r/min時(shí)不同焊速下的焊縫組織 400×

2.2 同一焊速、不同轉(zhuǎn)速下的焊縫組織

焊速為120mm/min時(shí)，不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下攪拌摩擦焊的焊縫微觀組織如圖2所示。從圖2可以看出，在相同焊接速度下，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較小時(shí)，組織的晶粒相對越細(xì)小而且很有規(guī)則(見圖2(a))；隨著轉(zhuǎn)速的增加，組織的晶粒逐漸被拉長變粗(見圖 2(b)和圖 2(c))。因?yàn)樵跀嚢柽^程中雖然攪拌頭在焊縫處停留時(shí)間相同，但是旋轉(zhuǎn)速度越大，單位時(shí)間的熱量輸入也就越大，所以旋轉(zhuǎn)速度越大的焊縫組織溫度相對就高，晶粒就會(huì)變的粗大。但是旋轉(zhuǎn)速度也不能過低，否則使攪拌針對焊材的摩擦力小于焊材自身的剪切應(yīng)力時(shí)，將不能實(shí)現(xiàn)焊接[8]。

圖2 焊速為120mm/min時(shí)不同轉(zhuǎn)速下的焊縫微觀組織 400×

2.3 焊接接頭各區(qū)的微觀組織

攪拌頭轉(zhuǎn)速1 050r/min、焊速143mm/min條件下，焊接接頭各區(qū)的微觀組織照片如圖3所示。從圖3可以看出，母材晶粒粗大、不均勻(圖3(a))，且由于是軋制板，故其晶粒延軋制方向的走向很明顯[9]。母材平均晶粒尺寸約為25μm×15μm(長度×寬度)。這樣的組織經(jīng)過強(qiáng)烈的攪拌摩擦后，在焊縫區(qū)(圖3(b))得到組織均勻、晶粒細(xì)小、平均晶粒尺寸只有約5μm的再結(jié)晶晶粒。

圖3 焊接接頭近縫區(qū)的組織照片

焊核區(qū)(TMAZ)很窄，它受到來自焊核區(qū)的攪拌力的作用，所以該區(qū)內(nèi)塑性金屬易變形，在冷卻過程中，晶粒易于沿變形方向生長[10]。由于TMAZ較窄，幾乎與焊核區(qū)連在一起，很難測量到其寬度。

HAZ較TMAZ區(qū)寬很多，寬度2～3mm，不同參數(shù)下焊接時(shí)其熱影響區(qū)寬度均有所不同。在焊接時(shí)此區(qū)最主要的特點(diǎn)是受到來自焊核區(qū)的摩擦加熱功率影響。正因?yàn)榇嬖趤碜院负藚^(qū)的熱量影響，且?guī)缀醪皇芰蚝苌偈芰Γ源颂幗饘倩兡芎艿?。焊后，該區(qū)晶粒在焊縫冷卻過程中，其慢慢長大，最終得到圖3(c)中所見的較粗大組織，平均尺寸10μm左右。這樣，當(dāng)在相同外力作用下，尺寸大的晶粒內(nèi)部和晶粒附近的應(yīng)變相差度大，變形不均勻，相對來說應(yīng)力集中引起的開裂機(jī)會(huì)較焊核內(nèi)部大很多，所以在斷裂之前不能承受較大變形量，而首先斷裂[11]。這就是為什么在斷裂時(shí)焊核區(qū)可以承受比HAZ及母材更大的力，而此二區(qū)卻常常成為接頭斷口區(qū)[12]。

3 有限元模擬結(jié)果分析

利用ANSYS軟件對攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 050r/min、焊速為143mm/min條件下的焊接接頭溫度場和應(yīng)力場進(jìn)行模擬[13-14]，結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 050r/min、焊速為143mm/min條件下焊接接頭溫度場分布

從圖4可以看出，焊縫的最高溫度出現(xiàn)在攪拌針?biāo)趨^(qū)域，沿?cái)嚢栳標(biāo)趨^(qū)域向外溫度逐漸降低。從整體來看，沿著焊接方向(x正方向?yàn)楹附臃较?距離攪拌針相同位置處，攪拌針前方金屬溫度低于后方。

圖5 攪拌頭轉(zhuǎn)速為1 050r/min、焊速為143mm/min條件下焊接接頭應(yīng)力場分布

從圖5可以看出，被焊板材上沿x、y、z三個(gè)方向上的應(yīng)力分布情況。從圖5(a)可以看出，除板材邊緣區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力外，其他區(qū)域均為壓應(yīng)力，而且壓應(yīng)力自攪拌針向外逐漸減小，攪拌針周圍區(qū)域因?yàn)閿嚢栳樀牟迦胍约澳Σ令^肩部的壓力作用，使得該區(qū)域金屬所受的擠壓力比較大，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在攪拌針以及軸肩所在區(qū)域。外圍的金屬同樣受到擠壓力的作用，但相對來說比較小。攪拌摩擦焊熱源隨焊接過程移動(dòng)，熱源一旦離開，這部分焊縫金屬便開始冷卻、凝固，冷卻過程中發(fā)生收縮，從而導(dǎo)致板材邊緣出現(xiàn)拉應(yīng)力[15]。從圖5(b)可以看出，y方向上的應(yīng)力分布規(guī)律與x方向基本相同，但y方向的應(yīng)力分布區(qū)域相對x方向要大很多。從圖5(c)可以看出，板材上沿z方向應(yīng)力的分布情況與x和y方向大不相同，整個(gè)板材上z方向均為數(shù)值較小的壓應(yīng)力，板材邊緣存在一點(diǎn)拉應(yīng)力，與另外兩個(gè)方向相比數(shù)值也很小。

4 結(jié) 論

(1)焊接速度增加，熱量輸入減小，焊縫不能達(dá)到很好的軟化狀態(tài)，而是在較大的摩擦力的作用下發(fā)生流動(dòng)，所以晶粒會(huì)被拉長；焊接速度減小，熱量輸入增大，焊縫金屬處于過熱狀態(tài)，晶粒會(huì)長大。

(2)軋制母材組織經(jīng)過強(qiáng)烈的攪拌摩擦后，在焊縫區(qū)得到組織均勻、晶粒細(xì)小、平均晶粒尺寸細(xì)小的再結(jié)晶晶粒。

(3)焊接板材邊緣區(qū)域?yàn)槔瓚?yīng)力，其他區(qū)域均為壓應(yīng)力，而且壓應(yīng)力自攪拌針向外逐漸減小，最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在攪拌針及軸肩所在區(qū)域。

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Microstructure and Stress Analysis of Friction Stir Welding Joint of LY12 Aluminum Alloy

LIU Zhijun，ZHANG Liting，ZHANG Liangren
(Department of automotive and Mechanical Engineering,Yinchuan Energy Institute,Yinchuan 750100,China)

In order to study the effect of different welding conditions on LY12 aluminum alloy friction stir welding joint organization and performance,3mm thickness LY2 aluminum alloy plate was welded by using friction stir welding,observed and analyzed microstructure variation of welded joint under different parameter.Using the ANSYS software to simulate and analyze the distribution of welded joint temperature field and stress field.The results showed that,after friction stir welding,the recrystallization grain with uniform organization and tiny grain was obtained;the edge area of LY12 aluminum alloy plate is tensile stress,other areas are compressive stress,and the compressive stress gradually reduce from stir needle to outside area,the maximum compressive stress appears in stir needle and shaft shoulder area.

welding;aluminum alloy;friction stir welding(FSW);welded joint microstructure;stress

TE88

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.08.012

劉志軍(1982—)，工程師，主要從事機(jī)械制造的實(shí)踐教學(xué)工作。

2016-05-18

羅 剛