畢業(yè)論文設(shè)計攪拌摩擦焊接頭電導(dǎo)率研究

1、目 錄1前言11.1 選題的依據(jù)和意義11.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢1攪拌摩擦焊的簡介1攪拌摩擦焊接頭區(qū)域分布2攪拌摩擦焊接頭的缺陷特征及類型2渦流電導(dǎo)率檢測法3攪拌摩擦焊無損檢測的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢4課題研究內(nèi)容62 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法62.1試驗(yàn)條件62.2試驗(yàn)方法7檢測試樣的制備7電導(dǎo)率的測量8焊縫金相制備與顯微觀察83實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析93.1 CZ態(tài)LY12對接焊縫的電導(dǎo)率分布9焊縫組織變化對電導(dǎo)率分布的影響9未焊透焊縫電導(dǎo)率分布與無缺陷處的分布差異12厚度對電導(dǎo)率的影響12未焊透深度對電導(dǎo)率的影響123.2 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對接焊縫的電導(dǎo)率分布133.3 CZ態(tài)LY12斜面對接

2、焊縫的電導(dǎo)率分布144結(jié)論17參考文獻(xiàn)18致 謝201前言1.1 選題的依據(jù)和意義鋁及鋁合金具有比重小、導(dǎo)電性好、耐蝕性強(qiáng)、散熱性能好、比強(qiáng)度高和易于進(jìn)行多種加工等特點(diǎn)，使其在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在熔焊生產(chǎn)中，鋁合金高溫熔化狀態(tài)時易吸附氫而導(dǎo)致凝固后產(chǎn)生氣孔，并且易產(chǎn)生熱裂紋，而且鋁合金材料表面致密的氧化層以及弧焊過程中的較大變形等限制了材料進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。與常規(guī)熔焊相比，攪拌摩擦焊屬固相焊接，焊縫區(qū)具有與母材一致的冶金組織，焊接過程中焊縫區(qū)的晶粒會得到細(xì)化，在某種程度上很好的解決了鋁合金的焊接問題。攪拌摩擦焊縫區(qū)產(chǎn)生的缺陷具有明顯的緊貼、細(xì)微和難檢測的特點(diǎn)，目前對如何評定鋁合金攪拌摩擦焊縫

3、成形質(zhì)量尚缺乏一致的檢測標(biāo)準(zhǔn)。推廣鋁合金攪拌摩擦焊在重要工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，必須針對其焊縫存在的缺陷特征采取有效的無損檢測方法，因而無損檢測已成為近年來國外推廣攪拌摩擦焊在重要工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的重點(diǎn)研究課題1-4。目前在國內(nèi)外，由于攪拌摩擦焊的應(yīng)用還不廣泛，攪拌摩擦焊的無損檢測在技術(shù)上也處于缺陷表征與檢測方法探索、技術(shù)積累階段3，5-6。對于攪拌摩擦焊接頭中的缺陷，目前通常采用X射線、和超聲無損檢測以及金相觀察等方法進(jìn)行檢測。但這些檢測方法所用設(shè)備一般都比較昂貴，而且攜帶不變，操作也比較復(fù)雜，對實(shí)際生產(chǎn)檢測都帶來了極大的不便。渦流電導(dǎo)率檢測作為近年來發(fā)展的無損檢測法，在檢測設(shè)備及操作上存在極大的便利

4、，如果將其運(yùn)用于鋁合金攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量的評估上，將是對攪拌摩擦焊焊縫檢測的一個新的嘗試。攪拌摩擦焊過程中，焊縫未焊透引起的材料連接不連續(xù)及焊接熱過程和機(jī)械攪拌作用所引起的顯微組織變化對電導(dǎo)率都有著很大的影響，因而可以通過測量焊縫區(qū)電導(dǎo)率的分布情況來評估該影響的大小。由于目前缺乏相應(yīng)的電導(dǎo)率檢測標(biāo)準(zhǔn)7，將電導(dǎo)率測量用于鋁合金質(zhì)量控制過程還需要大量的研究探索。如果能夠從實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合上去探討電導(dǎo)率對攪拌摩擦焊接頭性能的影響，從而揭示該影響在實(shí)際檢測中的應(yīng)用，對電導(dǎo)率檢測法在攪拌摩擦焊近表面缺陷的檢測中的應(yīng)用有著極其重要的作用。1.2 國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢攪拌摩擦焊的簡介攪拌摩擦焊（Frict

5、ion Stir Welding簡稱FSW）是英國焊接研究所（The Welding Institute簡稱TWI）于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)。它采用特型攪拌頭在待焊工件中旋轉(zhuǎn)、摩擦產(chǎn)生熱，并擠壓以形成焊縫，屬于一種新的固態(tài)連接方法，如圖1-1。攪拌摩擦焊優(yōu)于傳統(tǒng)的氬弧焊，它不僅能完成材料的對接、搭接、丁字接等多種接頭方式，而且還能用于高強(qiáng)鋁合金、鎂合金的焊接，提高了焊接接頭的力學(xué)性能，并且排除了熔焊缺陷產(chǎn)生的可能性 8-15。 圖1-1 FSW焊接原理示意圖攪拌摩擦焊接頭區(qū)域分布 攪拌摩擦焊過程中采用合適的焊接工藝參數(shù)，可以獲得質(zhì)量優(yōu)良的攪拌摩擦焊縫。焊接后接頭形成4種不同的區(qū)域16

6、：焊核區(qū)(weld nugget)，熱機(jī)影響區(qū) (thermomechanically affected zone簡 稱 TMAZ)，熱影響區(qū)(heat-affected zone簡稱HAZ)和軸肩影響區(qū)(shou1der-affected zone簡稱 SAZ)，如圖1-2所示。根據(jù)攪拌摩擦焊中焊縫兩側(cè)材料受力的不同，還可以將焊縫兩側(cè)分為前進(jìn)邊和返回邊。前進(jìn)邊(advancing side簡彌為AS)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與攪拌頭前進(jìn)方向一致的側(cè)面，回撤邊(retreating side簡稱為 RS)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與攪拌頭行進(jìn)方向相反的側(cè)面。 圖1-2 攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域分布攪拌摩擦焊接頭的缺

7、陷特征及類型.1攪拌摩擦焊接頭的缺陷特征攪拌摩擦焊接時，由于工藝參數(shù)不合適或意外因素的影響，在焊接過程中可能會產(chǎn)生焊接缺陷，已有的研究結(jié)果和應(yīng)用實(shí)踐表明，在攪拌摩擦焊接過程中可能產(chǎn)生的缺陷具有以下特征：（1）缺陷多位于焊縫區(qū)與母材連接界面區(qū);（2）缺陷取向復(fù)雜，缺陷取向隨著焊縫區(qū)與母材連接界面在攪拌過程中形成的流線生成和發(fā)展；（3）缺陷緊貼、細(xì)微，具有明顯的面積取向 17。針對以上攪拌摩擦焊縫中可能產(chǎn)生的缺陷和其特征，需要研究合理的無損檢測方法，解決焊縫區(qū)中的缺陷檢測問題。.2攪拌摩擦焊接頭的缺陷類型 近年來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、高等院校對FSW工藝和接頭組織性能進(jìn)行了大量研究，從其研究結(jié)果來看，

8、攪拌摩擦焊接頭中出現(xiàn)的缺陷主要以下幾種18：（1）孔洞。由于焊接過程中熱輸入不夠，達(dá)到塑性化狀態(tài)的材料不足，材料流動不充分而導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部材料未完全閉合的現(xiàn)象；（2）飛邊。通常由于壓力過大而導(dǎo)致較多的塑性材料從軸肩兩側(cè)擠出形成的缺陷；（3）未焊合。焊縫底部未形成連接或不完全連接的“裂紋狀”缺陷，在搭接或T形接頭中，易出現(xiàn)一種被稱之為殘余界面線的缺陷，它也屬于未焊合缺陷；（4）溝槽。攪拌頭在對接表面機(jī)械攪動后未形成連接的一種嚴(yán)重缺陷；（5）其他缺陷。對接表面氧化膜在焊接過程中可能未被完全攪拌打碎，從而在焊縫中殘留并呈半連續(xù)狀分布，被稱為“S線”或 “Z線”。渦流電導(dǎo)率檢測法.1渦流電導(dǎo)率檢測法的

9、基本原理當(dāng)載有交變電流的檢測線圈靠近有缺陷的金屬構(gòu)件時，由于線圈磁場的作用，構(gòu)件中會感生出渦流，其大小、相位及流動形式受到構(gòu)件性能(如存在電導(dǎo)率變化、裂紋)的影響；而交變的渦流又會產(chǎn)生反作用磁場，使得檢測線圈的阻抗和電流發(fā)生變化19。因此，測定線圈阻抗和電流的變化，就可得出構(gòu)件缺陷的存在情況。電導(dǎo)率由金屬中的自由電子在正離子晶格點(diǎn)陣中的運(yùn)動狀況決定，其大小取決于金屬晶格點(diǎn)陣中散射電子的能力及散射源的密度20，21。電導(dǎo)率對材料連接的不連續(xù)很敏感，焊接熱過程造成的顯微組織變化對材料的電導(dǎo)率影響也很大。不同組織狀態(tài)對電子散射作用不同，特別是組織中的固溶體有序化后，晶體中的離子勢場呈對稱分布，電子散

10、射率會大為降低，電導(dǎo)率明顯上升7。材料連接的不連續(xù)和組織狀態(tài)與材料經(jīng)歷的焊接熱過程是密切相關(guān)的，因此可以通過對材料電導(dǎo)率的測量來分析材料焊接過程中存在的缺陷。.2渦流電導(dǎo)率檢測法的優(yōu)點(diǎn)電導(dǎo)率是材料的重要物理性能之一，在其生產(chǎn)和研究中，經(jīng)常需要測試電導(dǎo)率。結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，可評估產(chǎn)品其它性能和熱處理狀態(tài)；結(jié)合硬度試驗(yàn)，可對批量產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。渦流測試方法是無損檢測鋁合金電導(dǎo)率的基本方法。渦流電導(dǎo)儀是無損檢測鋁合金板材電導(dǎo)率的常用儀器，操作簡單，測試可靠，不需要特殊加工試樣，僅在試件的自然表面上找出一個能容下電導(dǎo)儀探頭的平面，探頭中心到邊緣的距離不小于探頭半徑的3倍就能直接測試出試樣的電導(dǎo)率22。因

11、此可知，渦流電導(dǎo)率檢測法通過電磁感應(yīng)的原理，將電導(dǎo)率數(shù)值化地表現(xiàn)出來，從而間接地判定材料是否存在焊接缺陷，具有操作方便、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，對材料不會造成任何損傷，所以在對攪拌摩擦焊焊接接頭的檢測中具有特殊的優(yōu)越性。.3渦流電導(dǎo)率測量的影響因素電導(dǎo)率渦流測量得主要影響因素有板材的厚度與寬度、材料或零件表面的覆蓋層以及表面形狀等。測量鋁合金電導(dǎo)率時，每個對應(yīng)的滲透頻率都對應(yīng)著一個有效滲透深度。對于鋁合金板材，當(dāng)厚度小于渦流的有效滲透深度時，受板材厚度的限制，渦流在板材中的分布不再遵循無窮大導(dǎo)電介質(zhì)中的分布規(guī)律，因此對檢測線圈的反作用磁場發(fā)生變化，導(dǎo)致渦流電導(dǎo)儀指示的電導(dǎo)率并不相同。同樣，當(dāng)檢測線圈

12、置于寬度小于線圈渦流場作用范圍的窄條材料或零件表面時，受邊緣效應(yīng)的影響，渦流場的分布也會發(fā)生畸變，出現(xiàn)儀器顯示值與真實(shí)電導(dǎo)率不符的情況23。攪拌摩擦焊無損檢測的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 目前針對攪拌摩擦焊接頭中的缺陷具有緊貼微細(xì)的特點(diǎn)，通常采用X射線、和超聲無損檢測以及金相觀察等方法進(jìn)行檢測。劉松平等人17研究X射線和超聲檢測對FSW缺陷的檢測能力和可檢測性，并采取光學(xué)觀察對無損檢測結(jié)果和缺陷判別方法進(jìn)行了驗(yàn)證和對比分析。結(jié)果表明，高分辨率超聲發(fā)射法對攪拌摩擦焊接頭微細(xì)缺陷有較好的檢測能力，并研究了采用變?nèi)肷浣浅暦瓷浞ń鉀Q攪拌摩擦焊焊縫區(qū)不同取向缺陷的無損檢測。通過計算分析超聲波在焊縫區(qū)的聲波入射

13、角、缺陷取向和缺陷緊貼性對聲波發(fā)射影響，確定入射聲波的角度變化范圍，通過改變?nèi)肷浣谦@取入射聲波在缺陷處的最佳聲學(xué)發(fā)射方向，提高了入射聲波對不同取向缺陷的檢出能力。A.JLeonard等人24也采用了X射線、超聲無損檢測以及金相觀察的方法對FSW焊縫缺陷進(jìn)行檢測。王訓(xùn)宏等人25采用超聲C掃描成像方法得到了1060鋁合金的攪拌摩擦焊接頭界面掃描圖像，在焊接參數(shù)不合適時，發(fā)現(xiàn)在厚度方向越攪拌針底部區(qū)域，接頭的焊合率越低。近期在國外，一些學(xué)者已經(jīng)開始嘗試?yán)秒妼?dǎo)率的測量來對攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量進(jìn)行評估。JENTEK Sensors公司26的開發(fā)出了一種特殊形式的渦流陣列探頭MWM陣列探頭，利用該探頭可以

14、對焊縫近表面各點(diǎn)電導(dǎo)率進(jìn)行測量以形成焊縫表面電導(dǎo)率分布圖，并利用材料電導(dǎo)率與焊縫微觀組織的關(guān)系進(jìn)行焊縫缺陷探測及質(zhì)量評估。該探頭擁有一個螺旋的激勵線圈繞組，穿插于激勵繞組之間有多個用于檢測磁通量變化率的檢測元件。因?yàn)槲春竿溉毕輩^(qū)域近表面層的電導(dǎo)率變化同其冶金學(xué)特征有著緊密的聯(lián)系，Neil Goldfine等人利用MWM陣列探頭對鋁合金FSW焊縫背部的近表面電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，對焊縫根部近表面電導(dǎo)率分布圖進(jìn)行了分析，初步歸納了同種材料及異種材料FSW焊縫在質(zhì)量情況良好、有未焊透缺陷時的焊縫電導(dǎo)率分布特征，如圖1-3所示。 (a) (b) 圖1-3 焊縫橫截面方向的無缺陷的FSW焊縫近表面電導(dǎo)率

15、分布圖（a） 和含1.27mm厚未焊透缺陷的近表面電導(dǎo)率分布圖（b）在Neil Goldfine27的試驗(yàn)中，對于同種材料無缺陷FSW焊縫來說焊縫根部近表面的電導(dǎo)率分布，在動態(tài)再結(jié)晶區(qū)對應(yīng)的位置，即焊縫中間部位有著一個較寬的、電導(dǎo)率相對較低的且與DXZ在焊根寬度相當(dāng)?shù)膮^(qū)域，同時在偏離該區(qū)域中心還存在一個電導(dǎo)率的最小值，而在DXZ對應(yīng)的低電導(dǎo)區(qū)域的兩端會出現(xiàn)對稱的電導(dǎo)率的峰值，這兩個峰值意味著DXZ組織向熱機(jī)影響區(qū)的過渡；對于同種材料FSW有未焊透缺陷的焊縫的電導(dǎo)率分布，其DXZ對應(yīng)的那個低電導(dǎo)率區(qū)域的寬度就會明顯的變小，如果此時還有平面型缺陷的出現(xiàn)的話，在焊縫中心位置就會出現(xiàn)一個十分明顯的電導(dǎo)

16、率的陡降。無缺陷的異種鋁合金FSW焊根近表面電導(dǎo)率分布不像同種材料焊縫那樣具有對稱分布的特征，焊縫兩邊的母材的電導(dǎo)率總會有高低差別，在焊縫寬度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率從高電導(dǎo)率材料一邊開始較快的下降直至進(jìn)入電導(dǎo)率相對較低的DXZ區(qū)域范圍，在DXZ區(qū)域范圍的被其兩邊的兩個微小的電導(dǎo)率峰值所限制，這兩個微小的電導(dǎo)率尖峰意味著焊縫從TMZ過渡到了熱影響區(qū)；對于帶有平面型缺陷的焊縫，其電導(dǎo)率的下降過程變得十分陡急，并且伴隨著DXZ對應(yīng)的低電導(dǎo)率區(qū)域?qū)挾鹊臏p小。此外，將未焊透區(qū)域看作覆蓋在DXZ區(qū)域上的一層覆膜，在焊縫深度方向上，DXZ區(qū)域與未焊透區(qū)域的交界處會有電導(dǎo)率的改變。不同激勵頻率可以獲得不同深度電導(dǎo)率，

17、所以利用多頻覆膜層表征算法可以對近表面區(qū)域未焊透區(qū)域的深度進(jìn)行測量。此后，Neil Goldfine等人28與NASA及洛克希德馬丁公司合作，利用為他們設(shè)計的專用MWM陣列探頭及焊縫缺陷電導(dǎo)率分布特征對航天飛機(jī)外儲箱的FSW焊縫進(jìn)行了缺陷的檢測，收到良好的效果，尤其是對未焊透缺陷，MWM陣列探頭技術(shù)成為有效的探測工具。綜上所述，對于攪拌摩擦焊縫的無損檢測目前缺乏統(tǒng)一的檢測標(biāo)準(zhǔn)，其檢測方法的選用尚處于探索階段。由于電導(dǎo)在測量設(shè)備和操作上的極大便利，如果能夠探索出焊縫缺陷對焊縫近表面電導(dǎo)率分布的影響，對于使用電導(dǎo)率檢測在攪拌摩擦焊縫質(zhì)量的評估具有重要的意義。課題研究內(nèi)容本課題主要研究攪拌摩擦焊背面

18、未焊透引起的焊縫電導(dǎo)率分布的變化。試驗(yàn)使用用渦流電導(dǎo)儀測量攪拌摩擦焊焊接接頭的電導(dǎo)率，結(jié)合金相分析，找出焊縫組織與電導(dǎo)率的關(guān)系，測量FSW焊接缺陷的形貌特征對渦流法檢測電導(dǎo)率的影響，并得出攪拌摩擦焊近表面未焊透特征與渦流電導(dǎo)率分布的規(guī)律。2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)條件 試驗(yàn)選用LY12鋁合金為試驗(yàn)材料，化學(xué)成分符合GB3190-82得標(biāo)準(zhǔn)要求，其成分組成如表2-1所示。制備同種材料未焊透試樣的鋁合金板材尺寸為300 mm×70mm×6mm，材料熱處理狀態(tài)為CZ態(tài)；制備異種狀態(tài)未焊透試樣的板材尺寸為300 mm×70mm×6mm，材料狀態(tài)熱處理狀態(tài)分

19、別為M態(tài)和CZ態(tài)；制備不同方位的未焊透試樣的板材尺寸為300 mm×70mm×4mm，材料熱處理狀態(tài)為CZ態(tài)。不同熱處理狀態(tài)LY12鋁合金的電導(dǎo)率如表3-2所示。 表2-1 試驗(yàn)使用LY12鋁合金化學(xué)成分化學(xué)元素 Cu Mg Mn Si Fe 含量（w/%） 3.84.9 1.21.8 0.30.9 0.5 0.5 表2-2 不同狀態(tài)的LY12鋁合金的電導(dǎo)率及硬度狀態(tài) 電導(dǎo)率%IACS 電導(dǎo)率MS/m 洛氏硬度HRB M 46.551.5 27.029.9 - CZ 28.533.5 16.519.4 6382 CS 36.040.0 20.923.2 7686 試驗(yàn)采用的

20、攪拌摩擦焊機(jī)由 X53K 型立式銑床改裝。此焊機(jī)的焊接速度可在 23.51180mm/min 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度可在 37.51500r/min 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，攪拌頭的傾斜角度可任意調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過程中，用夾具將試板固定在焊機(jī)的工作臺上，攪拌頭只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，工件隨著工作臺的橫向或縱向運(yùn)動進(jìn)行焊接。由于在攪拌摩擦焊過程中，攪拌頭對工件有強(qiáng)烈的攪拌擠壓作用，因此對工件的裝夾要求較高，墊板表面必須平整，且具有較高的剛度；壓板上相鄰的螺栓緊固點(diǎn)距離不能太大，以免在安裝夾緊時不能壓緊試樣。在焊接過程中，攪拌針的形狀、攪拌頭傾斜角、軸肩下壓量直接影響到接頭的成型質(zhì)量。電導(dǎo)率測量所用設(shè)備為Hocking

21、NDT公司生產(chǎn)的Autosigma 3000DL電導(dǎo)率測量儀，滲透頻率60KHz，檢測探頭根據(jù)檢測面為平面選用耦合性很高的平探頭，直徑12.7mm。根據(jù)計算可以得出其渦流滲透深度為=0.5mm,有效影響深度取h=2.6為1.3mm。2.2試驗(yàn)方法檢測試樣的制備 攪拌摩擦焊接試樣時選用正螺紋型的3mm長攪拌針的攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接試驗(yàn)，攪拌頭的傾斜角度為2°，攪拌頭轉(zhuǎn)速為750n/min,焊接速度為60mm/min,焊接時軸肩后端面下壓量控制在0.1mm。選用同種狀態(tài)LY12鋁合金板攪拌摩擦焊進(jìn)行對接，制備背面具有未焊透試樣，將焊縫背面沿長度方向分成若干等寬度用銑床銑成階梯面，用以制

22、備不同未焊透深度焊縫試樣，如圖2-1所示。選用同種狀態(tài)LY12鋁合金板作為材料，將對接面銑成斜面，制備兩條條背面具有未焊透的斜焊縫試樣，斜面對接角度a分別為：30o,60o，如圖2-2所示。將焊好的試樣打磨保持表面光滑。選用異種狀態(tài)LY12鋁合金板作為材料，進(jìn)行異種材料的攪拌摩擦焊對接，制備一條背面具有未焊透的檢測試樣。圖2-1 不同未焊透深度試樣 圖2-2 不同未焊透缺陷方位試樣 電導(dǎo)率的測量對每塊試樣沿著其焊縫的橫向及縱向每隔一定距離做標(biāo)記，用渦流電導(dǎo)儀測量各標(biāo)記點(diǎn)的電導(dǎo)率，并記錄最后的電導(dǎo)率測量值，如圖2-3所示。根據(jù)所測得的電導(dǎo)率測量值，繪制出每種試樣的電導(dǎo)率分布圖。 圖2-3 標(biāo)記測

23、量焊縫電導(dǎo)率示意圖焊縫金相制備與顯微觀察 在試驗(yàn)所用焊縫區(qū)取樣，對所取試樣進(jìn)行鑲嵌、拋光處理，用Keller試劑（化學(xué)成分見表2-3）腐蝕約60S，在光學(xué)顯微鏡下觀察組織，并拍攝宏觀以及微觀組織圖，用以分析組織不同對電導(dǎo)率的影響。表2-3 Keller試劑化學(xué)成分試劑名稱H2OHNO3HClHF含量/ml95.02.51.51.03實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 CZ態(tài)LY12對接焊縫的電導(dǎo)率分布圖3-1是CZ態(tài)LY12鋁合金攪拌摩擦焊對接接頭無缺陷處，焊縫橫向的電導(dǎo)率分布。由圖可看出，在焊縫中心附近存在一個較寬的、電導(dǎo)率相對較低的區(qū)域，距離焊縫兩邊延伸，低電壓區(qū)的兩端就會出現(xiàn)電導(dǎo)率的峰值，且相對與焊縫

24、中心近似對稱分布，繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫中心，兩側(cè)電導(dǎo)率從峰值下降至母材電導(dǎo)率。 圖3-1 CZ態(tài)LY12鋁合金無缺陷處焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布焊縫組織變化對電導(dǎo)率分布的影響采用錐形帶螺紋攪拌摩擦焊接LY12鋁合金的接頭微觀組織如圖3-2所示。從圖中可以看出，接頭各區(qū)域組織與母材存在較大的差異。焊核區(qū)位于接頭的中心，該區(qū)由于受到攪拌針的強(qiáng)烈攪拌作用，經(jīng)歷了較高溫度的熱循環(huán)，組織發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，由母材原始的板條狀組織(圖3-2（d）)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的再結(jié)晶組織（圖3-2（a）。影響焊核區(qū)電導(dǎo)率的主要有兩個因素，一方面焊核區(qū)的動態(tài)再結(jié)晶過程消除了形變造成的點(diǎn)陣畸變和晶體缺陷，從而降低了自由電子的散射率，使電導(dǎo)率

25、上升；另一方面，熱循環(huán)和強(qiáng)烈的攪拌作用轉(zhuǎn)化形成的等軸細(xì)小晶粒，使得晶界數(shù)量顯著增多，對自由電子產(chǎn)生了一定阻礙作用，降低了電導(dǎo)率。因此，由于兩種因素的共同影響，焊核區(qū)電導(dǎo)率呈現(xiàn)出高于母材區(qū)又略低于兩側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)。 熱機(jī)影響區(qū)的組織在焊接過程中同時經(jīng)受攪拌針的機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，但是由于位置上，熱機(jī)影響區(qū)距離攪拌針較遠(yuǎn)，受到攪拌針作用遠(yuǎn)小于焊核區(qū)組織。因此，這部分材料發(fā)生了較大程度的彎曲變形，并且局部區(qū)域在熱循環(huán)的作用下發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，在板條狀組織內(nèi)形成了回復(fù)組織，見圖3-2（b）。熱機(jī)影響區(qū)位于焊核區(qū)兩側(cè)，從組織圖可以看出，該區(qū)域較強(qiáng)的焊接熱作用使得鋁合金大部分可溶性成分從固溶體中析

26、出，固溶體完成有序化，對自由電子的散射率顯著降低，電導(dǎo)率上升。局部區(qū)域的回復(fù)也降低了點(diǎn)缺陷濃度，也導(dǎo)致了電導(dǎo)率的上升。彎曲變形帶來的一些位錯對電子的阻礙作用很小，所以對電導(dǎo)率影響并不大。綜合上述因素，熱機(jī)影響區(qū)在整個焊縫接頭區(qū)表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率。熱影響區(qū)組織在焊接過程中僅僅受到熱循環(huán)作用，該區(qū)組織沒有發(fā)生形變，其經(jīng)受的焊接熱作用也比焊核區(qū)弱，僅僅發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，相對于母材，該區(qū)組織稍微有粗化現(xiàn)象，見圖3-2（c）。較大區(qū)域的回復(fù)反應(yīng)，顯著的降低了熱影響區(qū)的點(diǎn)缺陷濃度，并且略為粗大的晶粒也在一定程度上降低了散射率，從而提高了電導(dǎo)率。沿著遠(yuǎn)離焊縫中心區(qū)，熱影響也越來越弱，電導(dǎo)率也會逐漸降低。 (a)

27、 焊核 (b)熱機(jī)影響區(qū) (c)熱影響區(qū) (d )母材 圖3-2 攪拌摩擦焊接頭各組織區(qū)域微觀形貌 通過無缺陷處焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布以及結(jié)合組織對電導(dǎo)率分布的影響，可知焊縫中心的動態(tài)再結(jié)晶區(qū)對應(yīng)著焊縫中心的低電導(dǎo)率區(qū)域，動態(tài)結(jié)晶區(qū)兩側(cè)的微小峰值意味著動態(tài)結(jié)晶區(qū)向著熱機(jī)影響區(qū)的過渡，兩側(cè)較為遠(yuǎn)離焊縫的電導(dǎo)率一直降低的區(qū)域?qū)?yīng)著熱影響區(qū)。圖3-3及圖3-4 分別是CZ態(tài)LY12攪拌摩擦焊1.54mm未焊透和2.19mm未焊透焊縫試樣的焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布。在焊縫中心區(qū)同樣存在一個低電導(dǎo)率區(qū)域，低電導(dǎo)率區(qū)兩側(cè)也會出現(xiàn)電導(dǎo)率的最高值。但與CZ態(tài)無缺陷處的焊縫電導(dǎo)率分布相比，有未焊透的焊縫的中心

28、會出現(xiàn)焊縫區(qū)電導(dǎo)率的最低值，從焊縫電導(dǎo)率峰值到焊縫中心電導(dǎo)率會出現(xiàn)急劇陡降，并且焊縫中心的低電導(dǎo)率區(qū)寬度會有著明顯的變小。從兩種不同深度的未焊透試樣的電導(dǎo)率分布對比，可以發(fā)現(xiàn)未焊透深度越深，焊縫中心的電導(dǎo)率會越低。圖3-3 CZ態(tài)LY12鋁合金1.54mm未焊透焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布圖3-4 CZ態(tài)LY12鋁合金2.19mm未焊透焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布未焊透焊縫電導(dǎo)率分布與無缺陷處的分布差異 在具有未焊透焊縫的電導(dǎo)率測量時，渦流的有效滲透區(qū)域并非焊核區(qū)，而主要是位于焊核區(qū)下方的未焊透區(qū)，其微觀組織行貌如圖3-5所示。該未焊透區(qū)域材料在焊接過程中受攪拌針的攪拌以及焊接熱循環(huán)的雙重作用，區(qū)域組

29、織變化近似于熱機(jī)影響區(qū)，因而表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率，但是由于焊縫中心材料連接不連續(xù)，嚴(yán)重的阻礙了自由電子的通過，使得焊縫中心區(qū)出現(xiàn)一個電導(dǎo)率的最低值，并且也帶來了焊縫中心區(qū)附近電導(dǎo)率的陡降。所以未焊透焊縫的焊縫中心的低電導(dǎo)區(qū)總比無缺陷焊縫的寬度要窄，電導(dǎo)率由峰值到低電導(dǎo)區(qū)的下降幅度更大。 圖3-5 未焊透區(qū)域附近的微觀組織形貌 厚度對電導(dǎo)率的影響 LY12鋁合金板材不同厚度的電導(dǎo)率值測量結(jié)果如表3-1所示。由表3-1可知，在該試驗(yàn)厚度范圍內(nèi)，厚度對于電導(dǎo)率幾乎不產(chǎn)生影響，消除了厚度引起電導(dǎo)率變化給試驗(yàn)帶來的影響因素。表3-1 LY12鋁合金不同厚度板材電導(dǎo)率值板材厚度（mm） 3.0 3.5 4.

30、0 4.5 5.0 5.5 電導(dǎo)率（MS/m） 17.1 17.1 17.1 17.0 16.9 16.9 表中數(shù)據(jù)為對應(yīng)厚度下電導(dǎo)率的平均值未焊透深度對電導(dǎo)率的影響圖3-6和圖3-7分別是CZ態(tài)LY12鋁合金攪拌摩擦焊縫1.54mm未焊透和2.19mm未焊透的接頭宏觀形貌。對于CZ態(tài)LY12鋁合金不同深度的未焊透焊縫，其接頭電導(dǎo)率分布也比較相似，只是在焊縫中心區(qū)最低電導(dǎo)率值有所不同。表3-2是不同深度未焊透接頭的焊縫中心的電導(dǎo)率對比，同樣可以看出，未焊透越深，焊縫中心電導(dǎo)率越低。這主要是由于更深的未焊透對自由電子運(yùn)動的阻礙區(qū)域更大，因而對自由電子的阻礙作用也更強(qiáng)，而使得其呈現(xiàn)出更低的電導(dǎo)率值

31、。 表3-2 不同未焊透深度焊縫中心的電導(dǎo)率對比未焊透深度（mm) 各測量點(diǎn)的電導(dǎo)率（MS/m） 電導(dǎo)率平均值（MS/m） 1.54 17.2 16.2 16.0 16.5 16.3 16.7 2.19 14.5 14.2 13.8 13.5 14.1 14.0 圖3-6 1.54mm深度未焊透焊接接頭宏觀形貌 圖3-7 2.19mm深度未焊透焊接接頭的宏觀形貌3.2 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對接焊縫的電導(dǎo)率分布圖3-8是CZ態(tài)與M態(tài)LY12對接焊縫未焊透處的焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布。這種異種狀態(tài)LY12焊縫的電導(dǎo)率分布并不像同種狀態(tài)材料焊縫那樣呈對稱分布的特征，兩邊的母材及其它組織區(qū)域都存在電導(dǎo)

32、率的高低差異。在M態(tài)的焊縫一側(cè)，焊縫從低電導(dǎo)率區(qū)上升到最高電導(dǎo)率值后，就幾乎不發(fā)生電導(dǎo)率的變化。而在CZ一側(cè)焊縫呈現(xiàn)出與同種材料對接焊縫電導(dǎo)率分布有著相同的變化。 圖3-8 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對接2.2mm未焊透焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布LY12鋁合金在完全退火狀態(tài)下（M態(tài)），合金中存在粗大而分散的強(qiáng)化相及無畸變的再結(jié)晶組織時，電導(dǎo)率處在最高值。而在淬火及自然時效處理（CZ態(tài)）時，基體中過飽和的固溶體發(fā)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，電導(dǎo)率達(dá)到最低值。 圖3-9為CZ態(tài)與M態(tài)LY12鋁合金對接焊縫焊核區(qū)下部的未焊透區(qū)域組織的微觀形貌。從圖中可以看出，左側(cè)的M態(tài)固容體已經(jīng)完成了有序化，右側(cè)的CZ態(tài)一些強(qiáng)化相溶入

33、了固溶體，引起基體的一些點(diǎn)陣畸變。對于M態(tài)材料其本身就存在較少的點(diǎn)缺陷，在熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)及未焊透區(qū)的一些回復(fù)作用，也能降低點(diǎn)缺陷濃度。因此，在M態(tài)一側(cè)電導(dǎo)率值在一定區(qū)域內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，從高電導(dǎo)區(qū)到焊縫中心未焊透處會發(fā)生電導(dǎo)率的陡降。由于CZ一側(cè)組織變化與同種CZ材料對接焊縫相似，其電導(dǎo)率分布規(guī)律也與同種CZ材料對接焊縫相似。 圖3-9 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對接焊縫未焊透區(qū)域組織微觀形貌3.3 CZ態(tài)LY12斜面對接焊縫的電導(dǎo)率分布 圖3-10和3-11分別是CZ態(tài)LY12不同對接面角度=30o及=60o時焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布。與直角對接未焊透焊縫電導(dǎo)率分布相比，不同對接角度的焊縫電

34、導(dǎo)率在焊縫中心兩側(cè)的分布也呈現(xiàn)出不對稱分布。低電導(dǎo)率大部分位于具有未焊透的一側(cè)，并且在未焊透處存在一個電導(dǎo)率的最低值。在焊縫的另一側(cè)，電導(dǎo)率的分布與有未焊透的直角對接焊縫電導(dǎo)率分布相似。圖3-12及圖3-13分別是對應(yīng)的對接角度的未焊透焊縫宏觀形貌圖，由圖可以看出未焊透所在的位置及角度。圖3-10 CZ態(tài)LY12對接角=30o焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布 圖3-11 CZ態(tài)LY12對接角=60o焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布 圖3-12 對接角=30o時未焊透焊縫的宏觀形貌 圖3-13 對接角=60o時未焊透焊縫的宏觀形貌 從圖3-14和圖3-15兩種對接角度下的未焊透的焊縫未焊透區(qū)的微觀組織可以看出，

35、該焊縫與直角對接的未焊透焊縫有著相似的組織分布。由于在未焊透一側(cè)，材料連接不連續(xù)，對自由電子的運(yùn)動產(chǎn)生了嚴(yán)重阻礙作用，導(dǎo)致了電導(dǎo)率的降低。在焊縫的未焊透處，影響自由電子運(yùn)動的區(qū)域在體積上達(dá)到最大值，從而使得在該處會出現(xiàn)電導(dǎo)率的最低值。受著不對稱的未焊透影響，不同方位未焊透焊縫的電導(dǎo)率分布就呈現(xiàn)出不對稱的分布，其低電導(dǎo)率區(qū)就會偏向受未焊透影響較大的區(qū)域。因此，在不同方位的未焊透焊縫的電導(dǎo)率最低值不是出現(xiàn)在焊縫中心，而是在表面未焊透處。 通過對對接角為=30o及=60o兩種不同對接角焊縫電導(dǎo)率分布的對比，可以發(fā)現(xiàn)兩種焊縫電導(dǎo)率分布比較相似，但焊縫中心和未焊透處其電導(dǎo)率值都存在較大的差異。通過圖3-

36、14和圖3-15兩種不同方位未焊透焊縫的未焊透區(qū)域組織微觀形貌圖，可以看出兩種焊縫在該區(qū)域的組織有著一致性，而該未焊透區(qū)域正是影響渦流滲透的主要區(qū)域，因而可以得出導(dǎo)致這兩種焊縫電導(dǎo)率分布不同的主要因素是兩種焊縫未焊透方位的不同。在相同的未焊透深度下，不同對接角度使得阻礙自由電子運(yùn)動的區(qū)域也存在較大的差異。在表面未焊透處，對接面對接角度越小，同種未焊透深度下阻礙電子運(yùn)動的區(qū)域越大，因而其在該未焊透處的電導(dǎo)率也會越低。 圖3-14 對接角度=30o未焊透焊縫的未焊透區(qū)域組織微觀形貌 圖3-15 對接角度=60o未焊透焊縫的未焊透區(qū)域組織微觀形貌4結(jié)論通過測量LY12鋁合金不同試樣的焊縫電導(dǎo)率值，繪

37、制焊縫電導(dǎo)率分布圖，結(jié)合金相觀察和組織分析，得到以下幾個結(jié)論：（1）在CZ態(tài)LY12不同未焊透深度焊縫無缺陷處，焊核的動態(tài)結(jié)晶區(qū)對應(yīng)位置即焊縫中心附近有著一個相對較寬、電導(dǎo)率較低的與動態(tài)結(jié)晶區(qū)寬度相當(dāng)?shù)膮^(qū)域。在低電導(dǎo)區(qū)的兩端會出現(xiàn)對稱的電導(dǎo)率微小峰值，這兩個峰值意味著動態(tài)結(jié)晶區(qū)向熱機(jī)影響區(qū)的過渡。沿著焊縫中心區(qū)向焊縫兩側(cè)延伸，材料電導(dǎo)率在熱機(jī)影響區(qū)達(dá)到最高值，而在熱影響區(qū)范圍內(nèi)電導(dǎo)率逐漸下降，直到降低達(dá)到母材的電導(dǎo)率值。對于有未焊透缺陷的焊縫，焊縫中心附近的低電導(dǎo)區(qū)域的寬度會有著明顯的變小，從峰值到焊縫中心會出現(xiàn)電導(dǎo)率的陡降。并且未焊透的深度越深，焊縫中心電導(dǎo)率的最低值越低。（2）CZ態(tài)與M態(tài)

38、LY12對接的未焊透焊縫的電導(dǎo)率分布并不像CZ態(tài)對接焊縫那樣焊縫兩側(cè)電導(dǎo)率呈對稱分布的特征，這類焊縫位于焊縫中心兩側(cè)的母材和其它組織區(qū)域都存在電導(dǎo)率的高低差異。在焊縫的M態(tài)一側(cè)電導(dǎo)率會較快的下降直到進(jìn)入低電導(dǎo)區(qū)域，在焊縫的CZ態(tài)一側(cè)呈現(xiàn)出與CZ態(tài)材料對接焊縫相同的變化規(guī)律。（3）CZ態(tài)LY12斜面對接未焊透焊縫與一般的直角對接未焊透焊縫電導(dǎo)率分布相比，其電導(dǎo)率在焊縫中心兩側(cè)的分布也呈現(xiàn)出不對稱分布，其焊縫的最低值出現(xiàn)在表面未焊處。焊縫的低電導(dǎo)率區(qū)在具有未焊透的一側(cè)分布寬度較大，焊縫另一側(cè)的電導(dǎo)率與一般直角對接未焊透焊縫有著相似的分布。并且對接斜面的對接角越小，焊縫電導(dǎo)率最低值越低。參考文獻(xiàn)1

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