工藝參數(shù)對微攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭性能的影響

工藝參數(shù)對微攪拌摩擦焊焊縫成形及接

頭性能的影響摘要：為探究不同工藝參數(shù)對微攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭性能的影響。本文設(shè)計(jì)了六組不同的工藝參數(shù)對1.5mm厚度的2024鋁合金薄板進(jìn)行攪拌摩擦焊對接試驗(yàn)。測定焊接接頭的抗拉強(qiáng)度、顯微硬度以及延伸率，分析不同工藝參數(shù)對接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，在攪拌頭轉(zhuǎn)速為3000-3500rpm以及焊接速度為40-120mm/min的工藝參數(shù)窗口內(nèi)均可獲得焊縫成形良好的FSW對接接頭，且抗拉強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大。關(guān)鍵詞：鋁合金；微攪拌摩擦焊；工藝參數(shù)；焊縫成形；力學(xué)性能Effectofweldingparametersonweldformationandmechanicalpropertiesofmicro-frictionstirweldingaluminumalloysheetsAbstract:Inordertoinvestigatetheeffectofdifferentprocessparametersontheformationofmicro-stirfrictionweldsandthejointpropertiesproduced.Inthispaper,sixgroupsofdifferentprocessparametersweredesignedforstirfrictionweldingbuttjointtestson1.5mmthicknessof2024aluminumalloysheet.Thetensilestrength,microhardnessandelongationoftheweldedjointsweremeasuredandtheeffectsofdifferentprocessparametersonthemechanicalpropertiesofthejointswereanalyzed.TheresultsshowedthattheFSWbuttjointswithgoodweldseamformationwereobtainedwithintheprocessparametersofstirrerspeedof3000-3500rpmandweldingspeedof40-120mm/min,andthetensilestrengthincreasedwiththeincreaseofstirrerspeed.Keywords:aluminumalloy；micro-frictionstirwelding；weldingparameters；weldformationmechanicalproperties引言鋁合金薄板在電力電子、航空航天等行業(yè)應(yīng)用廣泛。由于焊接空間受限，若采用電阻焊、熔化焊等焊接方法，難以滿足高質(zhì)量的焊接要求，采用高能束焊接方法則成本過高。因此，在兼顧焊接成本和焊接質(zhì)量的前提下，采用小軸肩攪拌頭的攪拌摩擦焊技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)部件的高質(zhì)量焊接。目前，學(xué)者們針對一般板厚鋁合金的攪拌摩擦焊進(jìn)行了一定研究。鄭小茂［1］分別設(shè)計(jì)了幾組不同的焊接參數(shù)，對3mm厚的7A04鋁合金板材進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)，并分析了接頭組織、沉淀相、力學(xué)性能和斷口形貌特征。古寶康［2］以3mm厚度的5083-O態(tài)鋁合金板材的攪拌摩擦焊過程為研究對象，在攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定的情況下改變焊接速度，研究了不同參數(shù)下接頭的外觀形貌、微觀組織和力學(xué)性能。陳雨［3］在不同焊接熱輸入條件下對厚度為3mm的2024-T3鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊，并對焊核區(qū)的組織和硬度進(jìn)行分析檢測，研究表明焊核區(qū)的硬度受到焊接熱循環(huán)的影響。但相比較于一般板厚鋁合金，薄板鋁合金的攪拌摩擦焊工藝更為復(fù)雜，且工藝參數(shù)對焊接效果影響突出。佟建華［4］對1mm厚度的6061-T6鋁合金薄板進(jìn)行了攪拌摩擦焊對接，并對焊縫進(jìn)行了力學(xué)性能測試和微觀組織分析。張靖［5］以0.5mm的6061鋁合金薄板與SiC增強(qiáng)相體積分?jǐn)?shù)為15%的鋁基復(fù)合材料(SiCp/Al6061)的微攪拌摩擦焊搭接過程為研究對象，并研究了相關(guān)的工藝特性、接頭形貌特征和其力學(xué)性能。Simoncini［6］運(yùn)用不同形狀的攪拌頭對1mm厚度的5754鋁合金薄板進(jìn)行攪拌摩擦焊試驗(yàn)，并研究了工藝參數(shù)、攪拌頭結(jié)構(gòu)和幾何外形對焊接過程的影響。本文針對鋁合金薄板小空間窄焊縫的焊接要求，采用小尺寸的攪拌頭，研究工藝參數(shù)對鋁合金薄板攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭力學(xué)性能的影響。1試驗(yàn)條件和方法

試驗(yàn)采用的材料為1.5mm厚的2024鋁合金薄板，該鋁合金是鋁-銅-鎂系中的典型硬鋁合金，試驗(yàn)材料的加工尺寸為110mmX54mmX1.5mm。鋁合金的力學(xué)性能分別如表1所示：表12024鋁合金力學(xué)性能斷抗拉屈服延面收縮強(qiáng)度強(qiáng)度伸率率硬ob(os(5度HVWMPa)MPa)(%)(%)N42N29NN2500201201.2焊接設(shè)備試驗(yàn)采用由XKA714立式數(shù)控銑床改裝而成的攪拌摩擦焊接設(shè)備，另外配套自制夾具進(jìn)行試驗(yàn)，如圖1所示。其z軸豎直固定故攪拌頭的傾斜角度不可調(diào)整。本試驗(yàn)采用的攪拌頭由夾持柄、軸肩和攪拌針三部分組成，選用內(nèi)聚花紋錐形攪拌針。圖1攪拌摩擦焊設(shè)備1.3試驗(yàn)方法1.3.1焊前準(zhǔn)備為保證焊接質(zhì)量，焊接前應(yīng)對工件進(jìn)行清理，可分為機(jī)械清理和化學(xué)清理兩類。機(jī)械清理工件邊緣不平整且有很多毛刺，對接時(shí)需要對其接頭邊沿進(jìn)行機(jī)械清理，并用砂紙打磨待焊邊緣，使焊接接觸面光滑平整。(2)化學(xué)清理在對接之前需要對工件表面各種有機(jī)雜質(zhì)進(jìn)行化學(xué)清理。采用酒精溶液對試樣表面進(jìn)行充分清洗，并用吹風(fēng)機(jī)吹干。1.3.2式樣焊接在焊接試驗(yàn)時(shí)，由于攪拌摩擦焊接試驗(yàn)使用設(shè)備的主軸豎直固定，不能直接調(diào)整焊接的傾斜角度，需在距墊板一端加一墊塊實(shí)現(xiàn)傾斜角度為1°。攪拌摩擦焊接步驟如下：將清理好的2024鋁合金薄板裝夾在焊接夾具上，裝夾攪拌頭；調(diào)試攪拌摩擦焊焊接設(shè)備，利用上述方案設(shè)置焊接傾角為1°，攪拌頭轉(zhuǎn)速設(shè)定范圍為2500-3500rpm，梯度為500rpm；焊接速度設(shè)定范圍為40-120mm/min，梯度為40mm/min；啟動焊接設(shè)備，轉(zhuǎn)動手輪調(diào)整好下壓量保持在0.15mm后開始焊接；固定攪拌頭和攪拌頭傾角，改變攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度，按表2所列參數(shù)對試樣進(jìn)行焊接。表2試驗(yàn)參數(shù)旋焊接序?速度速度n號n(rv(mm//vpm)min)300714005300328007.53002312005250348001.25350458003.75350261200金相的制備及觀察FSW對接接頭金相試樣的制備及組織觀察步驟如下:

試樣切取。運(yùn)用電火花線切割機(jī)切割出所需要的金相試樣，且截取的試樣寬度應(yīng)大于軸肩的直徑；試樣的研磨及拋光。利用水磨砂紙對接頭金相試樣進(jìn)行粗磨和細(xì)磨兩道工序，直至去除磨面上遺留下來的磨痕和變形層，獲得光滑的平面并進(jìn)行拋光；試樣腐蝕。將Keller腐蝕劑滴至表面并覆蓋待觀察區(qū)域，待表面變黑后用棉花將腐蝕液拭去，在用酒精清洗之后吹干；金相觀察。將腐蝕后的接頭試樣在金相顯微鏡上進(jìn)行顯微組織觀察，并記錄顯微組織照片。1.3.4試驗(yàn)測試在顯微硬度測試方面。將不同焊接參數(shù)下的6個(gè)的金相試樣進(jìn)行拋光，利用數(shù)顯顯微硬度計(jì)測量其硬度。在接頭拉伸試驗(yàn)方面。將六組不同焊接工藝參數(shù)下得到的對接接頭試樣按照GBT16865-2013切割成若干拉伸試樣，采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)對接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。測量拉伸前后試樣的標(biāo)距長度，并根據(jù)公式計(jì)算接頭的延伸率。式中，吊為延伸率;■■為試驗(yàn)前標(biāo)距長度；?為試驗(yàn)后標(biāo)距長度。拉伸試樣尺寸如圖2所示。式中，吊為延伸率;圖2拉伸試樣尺寸2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1工藝參數(shù)對焊縫表面成形的影響圖3分別調(diào)整攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為2500rpm,3000rpm和3500rpm時(shí)獲得的焊縫表面成形情況，由圖3.1可知，相比較于參數(shù)為2500rpm和80mm/min試驗(yàn)組，其余各組參數(shù)均可得到成形良好，表面致密的焊縫。(a)n=2500rpm,v=80mm/min(b)n=3000rpm,v=80mm/min(c)n=3500rpmv=80mm/min圖3不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下的焊縫表面成形相比較于圖3(a)，圖3(b)和圖3(c)的焊接效果更優(yōu)，這是由于在較高轉(zhuǎn)速下，軸肩與金屬材料表面的摩擦作用增大，產(chǎn)生的摩擦熱和金屬的塑性變形熱隨之增大，在同等焊接速度下材料更易轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)，使得形成的塑性流動層不斷增大，材料流動行為改善，從而使原本低旋轉(zhuǎn)速度下焊縫中形成的孔洞逐漸消失而得到表面平整無缺陷的焊縫成形，以實(shí)現(xiàn)較佳的焊接效果。2.2接頭不同區(qū)域的顯微組織圖4為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度以及焊接速度分別為3500rpm和120mm/min時(shí)所獲得的攪拌摩擦焊對接接頭的橫截面形貌，由圖4可知，攪拌摩擦焊接頭各個(gè)區(qū)域差

異明顯，從金相組織形貌上可將其分為4種不同區(qū)域，分別為焊核區(qū)(NuggetZone,NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(Thermo-MechanicallyAffectedZone,TMAZ)、熱影響區(qū)(HeatAffectedZone,HAZ)以及母材(BaseMetal,BM)。圖4FSW對接接頭橫截面形貌2.3工藝參數(shù)對接頭拉伸性能的影響依據(jù)GBT16865-2013標(biāo)準(zhǔn)對1.5mm厚度2024鋁合金薄板的攪拌摩擦焊對接接頭進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)。結(jié)果如表3所示：表3拉伸試驗(yàn)結(jié)果試屈抗延伸驗(yàn)攪拌焊接速服強(qiáng)度拉強(qiáng)度率斷頭轉(zhuǎn)速度序ob8裂位置(rpm)(mm/min)OS號/MPa/MPa/%1300040229.12361.2311.5焊縫2300080233.68367.2812.1焊縫3300012024837012.8焊.59.78縫4250080163.24295.363.2焊縫5350080244.70375.6412.3焊縫63500120252.71381.4513.0焊縫由表3可知，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高，接頭的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度隨之增大，并且延伸率也略有提升。同時(shí)，隨著焊接速度的提高，接頭的屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度以及延伸率也略有上升。在攪拌頭轉(zhuǎn)速以及焊接速度分別為2500rpm和80mm/min下獲得的對接接頭力學(xué)性能較其他五組參數(shù)下的顯著降低，而在攪拌頭轉(zhuǎn)速以及焊接速度分別為3500rpm和1200mm/min下獲得的對接接頭力學(xué)性能最佳，其抗拉強(qiáng)度為381MPa，達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的87%。2.4工藝參數(shù)對接頭顯微硬度的影響圖5為不同工藝參數(shù)下的FSW焊縫截面顯微硬度分布。由圖5可知，距焊縫中心距離的顯微硬度分布曲線大致呈現(xiàn)“W”型，其焊核區(qū)及母材硬度較高，而熱影響區(qū)硬度較低，且硬度值最低點(diǎn)落在熱影響區(qū)，在焊核區(qū)與熱影響區(qū)的交界處橫截面顯微硬度下降較快。

圖5不同工藝參數(shù)下焊縫橫截面顯微硬度分布圖6為不同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度下的焊縫橫截面顯微硬度分布。由圖6可知，接頭橫截面顯微硬度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的提高而略有上升。圖6不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊縫橫截面顯微硬度分布圖7為不同焊接速度下的焊縫橫截面顯微硬度分布。由圖7可知，相比較于焊接速度，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對接頭顯微硬度的影響更為明顯。圖7不同焊接速度下焊縫橫截面顯微硬度分布3結(jié)論在攪拌頭轉(zhuǎn)速為3000-3500rpm以及焊接速度為40-120mm/min的工藝參數(shù)窗口內(nèi)均可獲得焊縫成形良好的FSW對接接頭。FSW對接接頭的抗拉強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增大，當(dāng)工藝參數(shù)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度3500rpm，焊接速度120mm/min時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度最大，達(dá)母材的87%。接頭橫截面顯微硬度分布曲線大致呈現(xiàn)出“W”形狀，硬度值最低點(diǎn)落在熱影響區(qū)，并且接頭顯微硬度隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的提高而略有上升，但隨焊接速度的變化不明顯。參考文獻(xiàn)1.鄭小茂，張大童，張文，等.焊接參數(shù)對7A04鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2016,37(1):76-80.2.古寶康，張大童，張文.焊接速度對5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能的影響[J].電焊機(jī)，2014,44(3):9-13.3.陳雨，丁樺，李繼忠,趙敬偉，付明杰,李曉華.焊接熱輸入和焊后熱處理對攪拌摩擦焊2024-T3鋁合金焊核區(qū)硬度的影響(英文)[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2015,25(08):2524-2532.4.佟建華，李煉，鄧冬，等.6061-T6鋁合金薄板的攪拌摩擦焊接[J].