焊接參數(shù)對FSW溫度場和接頭力學性能的影響The Influence of We

1、焊接參數(shù)對FSW溫度場和接頭力學性能的影響The Influence of Welding Parameters on Temperature and Mechanics Properties of Aluminum Alloy FSW    摘要：對5mm厚2A12鋁合金板進行了攪拌摩擦焊接工藝試驗，測量了焊接過程中的溫度分布，并對焊接接頭進行了拉伸試驗，分析了焊接工藝參數(shù)對溫度場和接頭抗拉強度的影響。試驗表明，焊接參數(shù)直接影響焊接過程溫度場的分布；大部分焊接件的強度都能達到母材強度的90%以上，即使接頭出現(xiàn)隧道型缺陷強度也能夠達到母材強度的75%以上

2、，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接方法。關鍵詞：攪拌摩擦焊 工藝參數(shù) 溫度場 抗拉強度           Abstract：A 2A12 alloy with 5mm thickness was friction stir welded, temperature during the welding process was recorded and the tensile experiment was implemented to test the tensile strength of the wel

3、d. Experimental results show that welding parameters affect the temperature directly, the tensile strength of most weld can reach 90 percentages of the mother board, and the tensile strength can reach more than 75 percentages of the mother board with a tunnel defect.Keywords: friction stir welding；w

4、elding parameters；temperature；tensile strengt攪拌摩擦焊(FSW)是英國焊接研究所(TWI)1991年發(fā)明的一項新型固相焊接技術 ，和傳統(tǒng)熔焊相比，F(xiàn)SW能夠提供高質量的焊接接頭，并且焊接過程中溫度低，沒有出現(xiàn)金屬的熔化，因此焊后試件變形小，殘余應力水平遠低于熔焊，接頭力學性能好，個別指標甚至優(yōu)于母材，目前已成功應用于各種型號的鋁合金焊接。攪拌摩擦焊接過程，將高速旋轉的攪拌針插入兩塊固定好的待焊件的接縫處，直至攪拌頭軸肩與待焊件表面緊密接觸，停留若干秒以預熱試件，然后將旋轉的攪拌頭沿焊縫方向運動，由于軸肩與待焊件表面摩擦產熱，焊縫處金屬發(fā)生塑性變形，

5、在攪拌針的攪拌作用下，焊縫處塑性金屬發(fā)生動態(tài)再結晶，從而形成攪拌摩擦焊的焊縫。Mahoney等人 測量了攪拌摩擦焊接過程中的溫度分布，結果表明溫度場是距焊縫距離和深度的函數(shù)；Kwon等人 研究了焊接參數(shù)對溫度場的影響，在固定焊速下最高溫度隨攪拌頭轉速提高而線性升高；Attallah和Salem 研究了焊接參數(shù)對材料拉伸性能的影響，試驗表明焊后試件的強度能夠達到母材的95%以上，延伸率也能夠達到母材的60%以上，有些強度甚至超過母材。本文結合試驗，研究了焊接參數(shù)（主要是攪拌頭轉速和焊速）對焊接過程溫度場的影響，焊后進行了拉伸試驗，以確定不同焊接參數(shù)下的試件力學性能。1 試驗材料與方法1.1 試驗

6、材料試驗選用2A12鋁合金板材作為待焊材料，其化學成分如表1，板材尺寸為250mm 25mm 5mm，軸肩直徑15mm，采用錐形帶螺紋攪拌針，平均直徑5mm，長4.8m攪拌頭傾角為3 。1.2 溫度場試驗試驗主要考察攪拌頭旋轉速度和焊速對焊接過程溫度場的影響，試驗參數(shù)如表2，選取若干攪拌頭旋轉速度和焊速，每次試驗選擇一個攪拌頭轉速和一個焊速施焊，一共20次試驗。采用熱電偶配合溫度記錄儀采集焊接過程中不同位置的溫度數(shù)據( 由于試驗條件限制，此處無法測量厚度方向的溫度變化)，溫度記錄儀有八個通道，如圖2所示。熱電偶直徑為 2mm，在距離焊縫4mm、6mm、9mm和12mm的4個位置鉆直徑為 2.5

7、mm的小孔，測溫時將熱電偶插入相應位置的孔，焊縫前進側和后退側各取4個位置。為避免熱電偶和孔之間的間隙影響測溫結果，試驗前在孔內注入導熱硅脂以增加熱傳導性。1.3 拉伸試驗溫度場試驗完成后，根據試驗溫度和成形效果選取若干組參數(shù)重新對較大鋁合金板進行攪拌摩擦焊接，焊接參數(shù)如表3。焊后制成標準拉伸試件，然后對母材和焊接件進行拉伸試驗，以確定焊接參數(shù)對材料拉伸性能的影響。2 試驗結果分析2.1 溫度場試驗分析焊接參數(shù)直接影響焊接過程溫度場的分布。焊接過程中觀察到焊縫前進側和后退側距焊縫相同距離處溫度值沒有明顯差異，所以可以認為溫度場沿焊縫對稱分布。圖4為溫度記錄儀記錄下的1、2、3、4通道的溫度循環(huán)

8、曲線。由圖可知，隨著焊接過程的進行，距離焊縫4mm、6mm、9mm、12mm四個位置溫度迅速達到相應最大值330 、325 、311 、301 ，離焊縫越近溫度上升的越劇烈，最高溫度越高；隨后各點溫度緩慢下降到室溫左右。在相同攪拌頭轉速，不同焊速下距離焊縫4mm處最高溫度變化曲線，當焊速從60mm/min升高到950mm/min時，最高溫度從402 下降到242 ，可見在相同攪拌頭轉速下溫度與焊速成反比。在相同焊速，不同攪拌頭轉速下距離焊縫4mm處最高溫度變化曲線，當攪拌頭轉速從475r/min升高到1500r/min時，最高溫度從299 上升到364 ，可見在相同焊速下溫度與攪拌頭轉速成正比

9、。2.2 拉伸試驗分析對母材和焊接件分別進行拉伸試驗，試驗結果如表4所示。大部分焊接件的強度都能達到母材強度的90%以上，只有第6、7號試驗由于接頭出現(xiàn)隧道型缺陷導致抗拉強度有所降低，但是也能夠達到母材強度的75%以上，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接方法。當攪拌頭轉速一定，降低焊速接頭抗拉強度下降，這是由于焊速下降，單位時間產熱量增加，有可能導致接頭處晶粒長大變粗，從而降低抗拉強度；當焊速一定，提高攪拌頭轉速，接頭抗拉強度升高，這是因為提高攪拌頭轉速能夠產生足夠的熱量，而且增強了對塑性金屬的攪拌作用，能夠促進晶粒的動態(tài)再結晶過程，從而能夠得到較細密的晶粒，有利于提高接頭抗拉強度。當接頭內部有隧道型缺陷

10、的斷口和無缺陷接頭的斷口，接頭內部如果存在隧道型缺陷，會在隧道口處引起應立集中，斷裂位置一般從隧道口向兩邊擴展；而無缺陷斷口是典型的剪切斷裂。而且試驗發(fā)現(xiàn)，如果接頭處沒有缺陷，斷裂位置全部位于后退側的熱影響區(qū)，從而可以判斷后退側的熱影響區(qū)是接頭強度最薄弱的地方。 3 結論（1）試驗發(fā)現(xiàn)，溫度場沿焊縫對稱分布。焊接過程中離焊縫越近，溫度上升的越劇烈，最高溫度越高；隨后各點溫度緩慢下降到室溫左右。（2）在相同攪拌頭轉速下溫度與焊速成反比；在相同焊速下溫度與攪拌頭轉速成正比。（3）大部分焊接件的強度都能達到母材強度的90%以上，接頭如果出現(xiàn)隧道型缺陷導致抗拉強度有所降低，但是也能夠達到母材強度的75

11、%以上，效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的焊接方法。（4）當攪拌頭轉速一定，降低焊速接頭抗拉強度下降；當焊速一定，提高攪拌頭轉速，接頭抗拉強度升高。（5）接頭內部如果存在隧道型缺陷，會在隧道口處引起應立集中，斷裂位置一般從隧道口向兩邊擴展；而無缺陷斷口是典型的剪切斷裂。如果接頭處沒有缺陷，斷裂位置全部位于后退側的熱影響區(qū)，從而可以認為后退側的熱影響區(qū)是接頭強度最薄弱的地方。參考文獻1 R.S. Mishra，Z.Y. MaFriction stir welding and processingJ. Materials Science and Engineering R，2005，50(1-2)：1-782 M

12、.J. Peel, A. Steuwer, P.J. Withers, et al. Dissimilar Friction Stir Welds in AA5083-AA6082J. Metallurgical and Materials Transactions A ,2006, 37:2183-2193.3 H. J. Liu, H. Fujii, K. Nogi. Friction stir welding characteristics of 2017-T351 aluminum alloy sheetJ. Journal of materials science, 2005,40:

13、3297-32994 H.N.B. Schmidt, T.L. Dickerson, J.H. Hattel. Material flow in butt friction stir welds in AA2024-T3J. Acta Materialia,2006,54:1199-1209.5 P. Cavaliere, E. Cerri, A. Squillace. Mechanical response of 2024-7075 aluminum.alloys joined by Friction Stir WeldingJ. Journal of materials science,

14、2005,40 :3669-3676.6 M.W. Mahoney，C.G. Rhodes，J.G. Flintoff，et al. Properties of Friction-stir- welded 7075 T651 AluminumJ.Materials and Materials Transactions A，1998，29：1955-19647 Y.J. Kwon, N. Saito, I. Shigematsu，et al. Friction stir process as a new manufacturing technique of ultrafine grained aluminum alloyJ. Journal of Materials Science