攪拌摩擦搭接焊界面成形機(jī)制及影響因素

1、攪拌摩擦焊FRIcTIoNsTIR wELDlNG攪拌摩擦搭接焊界面成形機(jī)制及影響因素術(shù)Joint Interface Forming and Influential Factor of Friction Stir OverlapWelding苧毫慧妻掣蘭鼎雪郭曉娟李光李叢卿欒國(guó)紅中國(guó)攪拌摩擦焊中心“”17。1。 ,郭曉娟碩士,主要從事航空高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊工藝技術(shù)研究。自1991年英國(guó)焊接研究所發(fā)明攪拌摩擦焊技術(shù)至今已17年,在這17年中,這項(xiàng)技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,同時(shí)該技術(shù)本身也得到了深入的研究。各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)塑性流動(dòng)、應(yīng)力變形以及攪。十-5”武器裝備預(yù)研項(xiàng)目(513180

2、50116和國(guó)家科技“十一五”支攆計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目(2006BAF04809。62航空翩造技術(shù)2009年第12期自1991年英國(guó)焊接研究所發(fā)明攪拌摩擦焊技術(shù)至今已17年,在這17年中,這項(xiàng)技術(shù)在工程領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用,同時(shí)該技術(shù)本身也得到了深入的研究。各研究機(jī)構(gòu)針對(duì)塑性流動(dòng)、應(yīng)力變形以及攪拌摩擦焊熱過(guò)程都進(jìn)行了大量的探索研究工作,得到了普遍的規(guī)律。拌摩擦焊熱過(guò)程都進(jìn)行了大量的探索研究工作,得到了普遍的規(guī)律。但到目前為止,針對(duì)這項(xiàng)技術(shù)在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題所進(jìn)行的研究還很有限且不全面。目前,國(guó)外許多大型飛機(jī)制造商已經(jīng)將攪拌摩擦焊技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的連接上刪。美國(guó)波音公司口1在飛機(jī)起落裝置、方向

3、導(dǎo)流裝置以及機(jī)身蒙皮等多種結(jié)構(gòu)上,采用攪拌摩擦焊技術(shù)。歐洲空客公司例將該技術(shù)應(yīng)用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)(包括機(jī)翼結(jié)構(gòu)多種零部件的連接上,同時(shí)也對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證研究,從靜強(qiáng)度、疲勞性能、壽命等方面研究了攪拌摩擦焊技術(shù)的可行性和可靠性。Eclipse公司拉1在日蝕500飛機(jī)上首次大量使用攪拌摩擦焊技術(shù)作為連接主要結(jié)構(gòu)的方法。在航空飛機(jī)上,結(jié)構(gòu)件的連接方式主要為對(duì)接、搭接以及T形接頭等形式,本課題主要研究攪拌摩擦焊搭接接頭形式。這種形式與鉚接相似,在航空飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用圖I拉伸試樣也較多。但是由于搭接界面材料塑性流動(dòng)不充分而導(dǎo)致搭接接頭界面成形出現(xiàn)缺陷,其中主要有前進(jìn)側(cè)的界面畸變(或減薄和后退側(cè)的。

4、冷搭接缺陷”等2種界面缺陷【6J。本課題主要研究影響界面缺陷形成的因素以及界面缺陷對(duì)接頭結(jié)構(gòu)的靜強(qiáng)度影響。試驗(yàn)材料和方法試驗(yàn)采用1.6mm2024-T3鋁合金材料,表面包鋁層厚度為0.06ram。焊接材料均在中國(guó)攪拌摩擦焊中心制造的二維攪拌摩擦焊機(jī)上施焊。焊接材料選用平行于軋制方向的板材,焊前對(duì)試板焊接面和搭接面進(jìn)行砂輪打磨,焊后不做熱處理。將試板加工成如圖1所示的拉伸試件,在ZWICKl00KN電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上對(duì)試件進(jìn)行室溫拉伸。攪拌摩擦搭接焊界面成形攪拌摩擦搭接焊界面成形是研究搭接接頭性能的主要方面。圖2顯示了攪拌摩擦搭接焊縫橫截面的宏觀形貌,其中白色物質(zhì)為材料表面的純鋁層,試驗(yàn)中將純

5、鋁層作為示蹤元素,觀察搭接界面的成形情況。由圖2可知搭接接頭橫截面總體呈大致對(duì)稱的碗狀,左右兩邊自軸肩影響區(qū)均向內(nèi)緩慢收縮,前進(jìn)側(cè)材料向上翹起,而后退側(cè)材料向下彎曲。出現(xiàn)類似特征的主要原因?yàn)?在焊速方向上,攪拌頭前方金屬由前進(jìn)側(cè)向后退側(cè)流動(dòng),攪拌頭后方金屬由后退側(cè)向前進(jìn)側(cè)流動(dòng);在厚度方向上,前進(jìn)側(cè)方向下板金屬向上流動(dòng)進(jìn)入上板,與母材形成明顯的分圖2搭接接頭的宏觀形貌界線,后退側(cè)方向上板金屬向下流動(dòng)進(jìn)入下板,與母材的分界線模糊。在攪拌頭端部呈現(xiàn)由中心焊核向左右兩邊均勢(shì)擴(kuò)展的形態(tài),且呈現(xiàn)明顯的回流。圖3顯示了材料流動(dòng)的主要方向。界面畸變和。冷搭接缺陷”都是一種搭接界面前進(jìn)側(cè)材料混合流動(dòng)不充分的體現(xiàn)

6、。在焊接過(guò)程中,前進(jìn)側(cè)的界面金屬存在2個(gè)方向的流動(dòng):順著攪拌針旋轉(zhuǎn)方向的攪拌區(qū)域/前進(jìn)側(cè)后退側(cè)、鄉(xiāng)甥入熱機(jī)影響區(qū)圖3搭接焊接材料流動(dòng)方向示意圖(a前進(jìn)側(cè)(b后退側(cè)圖4搭接界面過(guò)渡區(qū)域的微觀形貌金屬流動(dòng)和沿著攪拌針垂直方向先下后上的流動(dòng)。這2種流動(dòng)方向在界面處出現(xiàn)“碰撞混合”,材料容易在界面處沿著過(guò)渡區(qū)向上流動(dòng),如圖4(a所示,而后退側(cè)的界面金屬也存在2個(gè)方向的流動(dòng),這2個(gè)方向的材料在流動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)“交叉混合”,材料順著攪拌針向著焊縫內(nèi)部流動(dòng),這樣搭接界面上的材料就會(huì)出現(xiàn)向焊縫內(nèi)平移的現(xiàn)象,從而形成“冷搭接缺陷”,如圖4(b所示。攪拌針長(zhǎng)度對(duì)界面成形的影響搭接接頭的承載部位主要在搭接界面上,因此

7、搭接界面成形的好壞直接影響著接頭性能。界面畸變的存在減小了焊接板的有效承載厚度,而“冷搭接缺陷”則嚴(yán)重影響著搭接接頭的有效搭接寬度,使得搭接界面的承載面積減小,這樣的缺陷都會(huì)嚴(yán)重影響接頭性能。搭接接頭的界面成形除了與焊接參數(shù)有一定的聯(lián)系以外,攪拌頭的形貌和攪拌針的尺寸對(duì)界面成形的影響也十分重要。試驗(yàn)中主要考慮在相同的攪拌頭形貌,不同攪拌長(zhǎng)度的情況下來(lái)觀察搭接界面的成形情況以及對(duì)接頭剪切力的影響。本試驗(yàn)采用2.6mm2024-T3+1.6mm2024-T3鋁合金材料,搭接形式為R-loaded試樣,焊前對(duì)搭接試板進(jìn)行打磨,測(cè)量出其準(zhǔn)確厚度為2.54ram。試驗(yàn)所得搭接力學(xué)性能結(jié)果如表1所示。不同

8、攪拌針長(zhǎng)度焊接得到的搭接接頭橫截面的宏觀形貌如圖5所示。對(duì)比各圖可以看出宏觀形貌中沒(méi)有明顯的界面畸變,但后退側(cè)均出現(xiàn)了類似于裂紋缺陷的“冷搭接缺陷”,該缺陷沿著搭接界面向焊核延伸,并且隨著攪拌針長(zhǎng)度的增加,這種冷搭接缺陷越來(lái)越明顯且嚴(yán)重。對(duì)比各搭接接頭的剪切力可知,冷搭 2009年第12期航空翻造技術(shù)63攪拌摩擦焊FRIcTl。N sTIR wELDING表搭接力學(xué)性能k攪拌針長(zhǎng)度/mm理論艟八深度/mm剪切力/kN斷裂位置。l2.920.50810.505下板前進(jìn)側(cè)。妻2.800.40810.720下板前進(jìn)側(cè)?2.70O.29011.165搭接面撕裂i2.600.2067.223搭接面撕裂接

9、缺陷的出現(xiàn)對(duì)剪切力有一定的影響。搭接接頭另一種固有缺陷為界面畸變,圖6為2種不同長(zhǎng)度攪拌針焊接得到的焊縫前進(jìn)側(cè)的界面畸變情況。從圖中可以看出攪拌針的長(zhǎng)度對(duì)界面畸變有一定的影響, 2.54mm2024-T3與1.58mm2024-T3焊接時(shí),攪拌針長(zhǎng)度為2.7ram時(shí)焊得的接頭畸變?yōu)?.13mm,而攪拌針長(zhǎng)度伸長(zhǎng)0.1mm,接頭畸變?yōu)?.18mm,有了明顯的增加。對(duì)比試樣的剪切力可以得知界面畸變也是影響接頭性能的因素。而且從微觀形貌中可以看出,界面畸變是搭接界面處出現(xiàn)的向上彎曲的缺陷,它可以使上焊接板減薄,從而使接頭的有效焊接厚度減小,降低接頭性能。對(duì)比試樣的剪切力以及試樣剪切斷裂形式,可以認(rèn)為

10、搭接接頭中固有存在著界面畸變和。冷搭接缺陷”,如果。冷搭接缺陷”作為主要失效類型,試樣就會(huì)沿搭接面撕裂(除去未焊合所造成的原因;如果界面畸變作為主要失效類型,試樣則會(huì)沿(a1-2.70mm【b1=2.80mm圖6兩種攪拌頭長(zhǎng)度焊接接頭前進(jìn)側(cè)的界面畸變64航空翩造技術(shù)2009年第12期焊縫前進(jìn)側(cè)斷裂。焊接形式對(duì)界面成形的影響通常條件下,焊接形式為單道焊接,則焊縫前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)分布明顯,因而不同區(qū)域的界面成形情況只能通過(guò)攪拌頭形貌或焊接條件的改變而改變。但是改變焊接形式也可以改變搭接接頭的界面成形情況。圖7顯示了不同焊接條件下的焊縫表面成形情況。由圖可知在單道焊情況下,焊縫表面成形較為粗糙,且有凸

11、起的固態(tài)顆粒分布,而焊縫表面由于熱輸入的關(guān)系形成了焊接花紋,如圖7(a所示。而在原焊縫上進(jìn)行重疊二次焊接時(shí),由于下壓量增大(見(jiàn)表2,而且材料表面包鋁層已經(jīng)被第一道焊縫破壞,因此二次焊接焊縫成形非常光滑。圖7(c表示的也是在原焊縫上進(jìn)行二次焊接,但焊接中心間距為2ram,與圖7(b相似,二次焊焊縫表面成形光滑。圖8為不同焊接條件下的搭接接頭拉伸試樣斷裂形式。圖中三角標(biāo)示位置為斷裂位置。A所示斷裂位置為搭接接頭最常見(jiàn)斷裂位置之一,而B(niǎo)試樣是雙條焊縫,且兩焊縫(c雙遭焊,焊縫后退側(cè)相對(duì),1日J(rèn)距2ram 圖7不同焊接條件下的焊縫表面成形表2不同焊接狀態(tài)下搭接接頭的力學(xué)性能麓焊接條件拉伸一剪切力/kN

12、壓入汰度/mm.,.斷裂位置茹單道焊,后退側(cè)承載試樣11.400.285下板前進(jìn)側(cè).雙道焊,焊縫中心重合9.850.295第二道焊縫的前進(jìn)側(cè)雙焊縫,焊縫后退側(cè)相對(duì)。間隔2ram10.830.290第二道焊縫的前進(jìn)側(cè)(a單道焊自H進(jìn)側(cè)(b雙道焊(焊縫重合界面畸變過(guò)渡區(qū)界面畸變圖9不同焊接形式下的焊縫界面畸變變化情況(a單道焊后退側(cè)(b雙道焊(焊縫鶯合冷搭接缺陷過(guò)渡區(qū)冷搭接缺陷圖10不同焊接形式下的焊縫冷搭接缺陷變化情況重疊,使得上板在第二條焊縫中處于前進(jìn)側(cè),由于第一條焊縫后退側(cè)的“冷搭接缺陷”在二次焊接時(shí)被攪碎,因此拉伸斷裂在前進(jìn)側(cè)。但是B試樣的拉伸剪切力比A試樣要低1.5kN,這主要由于二次焊

13、接使得焊縫熱輸入過(guò)大,從而導(dǎo)致焊縫晶粒粗大,熱影響區(qū)不穩(wěn)定所致。C試樣與B試樣相似,但由于兩條焊縫有2mm的間距,從而增大了搭接面積,因此拉伸剪切力要比B試樣高lkN左右。圖9顯示了單道和雙道焊縫界面畸變變化的微觀形貌,通過(guò)對(duì)比可知,雙道焊接將原來(lái)的前進(jìn)側(cè)變?yōu)楹笸藗?cè),在二次焊接過(guò)程中,攪拌針在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將上部分材料向下擠壓,使原來(lái)的界面畸變沿著攪拌針向下移動(dòng),從而形成圖9(b所示形貌。圖10顯示了2種焊接形式下冷搭接缺陷變化的微觀形貌,與界面畸變相似,雙道焊接將原來(lái)的后退側(cè)變?yōu)榍斑M(jìn)側(cè),在二次焊接過(guò)程中,由于存在的冷搭接缺陷不同于原始的搭接界面,此時(shí)前進(jìn)側(cè)的界面金屬存在2個(gè)方向的流動(dòng),順著攪拌針

14、旋轉(zhuǎn)方向的金屬流動(dòng)和沿著攪拌針垂直方向、先向下后向上的流動(dòng)。這2種流動(dòng)方向?qū)⒗浯罱尤毕荻螖噭?dòng),使其在攪拌混合中彌散分布,在過(guò)渡區(qū)內(nèi)形成很短的“畸變”,如圖lO(b所示。結(jié)論本文通過(guò)對(duì)2024-T3高強(qiáng)鋁合金材料進(jìn)行攪拌摩擦搭接焊,分析接頭的界面成形情況。搭接界面前進(jìn)側(cè)存在界面畸變,后退側(cè)存在“冷搭接缺陷”。而影響其搭接接頭界面成形的因素有很多,通過(guò)試驗(yàn)可得到以下初步的結(jié)論:(1改變攪拌針的長(zhǎng)度可有效地改善界面成形,攪拌針長(zhǎng)度多于板材0.20.3mm時(shí),接頭剪切力較高,且界面成形較好,(2改變焊接狀態(tài)可以有效地改善界面成形情況;雙焊縫焊接可以明顯改善搭接接頭界面畸變以及“冷搭接缺陷”。參考文獻(xiàn)

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