攪拌頭形狀對攪拌摩擦焊接性能的影響

攪拌頭形狀對攪拌摩擦焊接性能的影響

攪拌摩擦焊接是英國焊接研究所（tpm）在1991年開發(fā)的一種新型焊接工藝。由于它的出現(xiàn)，它引起了學術界的廣泛關注和研究。攪拌摩擦焊接的本質(zhì)是在焊接頭和焊接頭之間產(chǎn)生熱力的，并形成焊接。在攪拌摩擦焊中，攪拌頭直接承受熱載、力載和摩擦磨損。因此，在焊接條件下，請?zhí)峁┛购附硬牧系暮附咏Y構、焊接強度、硬度和耐腐蝕性?？寡b配材料的耐候性、靜態(tài)和動態(tài)力學性能以及其他物理特性的抗磨損材料。攪拌頭是連接摩擦焊接的關鍵，其形狀和大小對焊接過程中有重要影響，從而決定了攪拌摩擦焊過程中的發(fā)熱、材料流動和焊接質(zhì)量。目前國內(nèi)外在這方面的研究開展順利,何建軍等對新型攪拌頭的研制成功有力地促進了攪拌摩擦焊的發(fā)展.王大勇等分別用柱狀和錐狀光面攪拌頭對攪拌摩擦焊接Al-Li合金接頭的組織及力學性能做了研究.Buffa等基于FEM模型對攪拌頭進行設計,并指出攪拌頭幾何形狀對得到滿意的焊縫和熱影響區(qū)微觀組織,從而改善接頭的強度和抗疲勞性能起到至關重要的作用.Mustafa等研究了不同幾何形狀的攪拌頭對2014和1018鋁合金攪拌摩擦焊接頭力學性能的影響.本文選用高溫合金材料制作不同形狀尺寸攪拌頭對5mm厚的H62銅合金進行FSW試驗,并對焊接過程中攪拌頭溫度及受力情況分別進行檢測,分析不同形狀尺寸攪拌頭對焊接過程中攪拌頭受力和攪拌頭溫度及焊縫成形質(zhì)量的影響,為攪拌頭的優(yōu)化設計和壽命的提高提供實驗依據(jù).1試驗材料及設備被焊材料選用H62銅合金,尺寸為200mm×70mm×5mm,對接焊接,材料力學性能為抗拉強度σb=540~590MPa,延伸率δ=3%,硬度為164HV.其化學成分見表1.試驗設備為FSW-3LM-015型攪拌摩擦焊機,攪拌頭形狀選擇平面、凹面軸肩配合圓柱、圓臺攪拌針,攪拌頭形狀設計如圖1所示,攪拌頭尺寸組合見表2,攪拌針長度統(tǒng)一為4.6mm.焊接參數(shù)為轉(zhuǎn)速630r/min,焊速70mm/min,下壓速度4mm/min,預熱保持5s,壓入量0.3mm.溫度檢測采用雷泰3iLRL3紅外測溫儀.2結果與分析2.1攪拌針的下壓力大,有更多空間納圖2是不同形狀尺寸攪拌頭在相同焊接參數(shù)下的受力檢測結果,可以看出摩擦頭幾何形狀會對下壓力產(chǎn)生較大影響:凹陷型軸肩攪拌頭比平面型軸肩攪拌頭受到的下壓力小,是由于同樣壓入深度下凹陷型軸肩內(nèi)部有更多空間容納塑性金屬,另外其相對于平臺型軸肩攪拌頭的摩擦面積也更大,能保證產(chǎn)熱充足,金屬軟化程度大;圓錐形攪拌針下壓力比圓柱形攪拌針大,由于圓錐形攪拌針所具有的傾斜角度,使得攪拌針下壓過程中的側(cè)面也產(chǎn)生下壓力;平錐形摩擦頭的下壓力最大但是其焊接成型時易出現(xiàn)缺陷,主要是因為這種形狀摩擦頭雖然有利于產(chǎn)熱,但其對金屬塑性流動不利,金屬易流出焊縫區(qū),而圖1d凹錐摩擦頭雖然下壓力不是最大,但是其焊縫成型最好.2.2攪拌針形狀對溫度的影響攪拌摩擦焊過程摩擦溫度的測量方法有接觸式和非接觸式.接觸式是在被焊工件特定位置鉆孔,放入熱電偶元件,測得工件各部位焊接時的溫度,然后根據(jù)溫度場模擬出攪拌頭的溫度.非接觸式是采用遠紅外輻射測溫裝置,測量攪拌頭肩部溫度.本試驗選用第2種方法,每隔20s記錄一次數(shù)據(jù),共記錄200s測量溫度值.圖3為不同攪拌頭攪拌摩擦焊時的溫度實時檢測結果.在75s之前,溫度為攪拌針壓入工件并與工件金屬摩擦時而產(chǎn)生的溫度,75s時軸肩與工件接觸,溫度急劇上升,而后熱量逐漸向工件擴散,進入行進階段后達到平衡狀態(tài).攪拌針形狀對75s前溫度變化有一定影響,圓錐形攪拌針會使攪拌針柱面摩擦面積增加,產(chǎn)熱多溫度上升更快;75s后的溫度來源主要是軸肩與工件的摩擦,凹陷型軸肩產(chǎn)熱明顯要高于平臺型軸肩.攪拌摩擦焊接過程中最大溫度為624℃,為凹錐型攪拌頭在160s時的溫度.這主要是因為在同樣工藝條件和參數(shù)下,由于凹陷型軸肩摩擦產(chǎn)熱面積比平臺型軸肩大,所以總產(chǎn)熱量大,錐形攪拌針產(chǎn)熱增多也同樣是由于摩擦面積比柱形攪拌針大.2.3凹陷型軸肩主要特點產(chǎn)熱分析攪拌頭形狀尺寸的選擇不但關系到攪拌頭受力以及產(chǎn)熱的大小,還對焊縫成型質(zhì)量和金屬流動有重要影響,圖4為不同形狀尺寸下攪拌摩擦焊焊縫外觀.從圖中可以看到,當攪拌頭形狀尺寸設計合理時能得到外觀平整美觀的焊縫,如4#攪拌頭對應焊縫;由于接觸面積的增加,凹陷型軸肩產(chǎn)熱高于平臺型軸肩產(chǎn)熱,另外凹陷型軸肩的明顯好處是能將塑化的工件金屬收納到內(nèi)部空間內(nèi),產(chǎn)生較少飛邊,比如同樣焊接參數(shù)下3#攪拌頭對應焊縫較1#攪拌頭發(fā)生明顯過熱現(xiàn)象.在焊接工藝參數(shù)一定的情況下,攪拌頭形狀尺寸決定焊縫區(qū)寬度及形貌.圖5為不同攪拌頭對應的焊后接頭剖面形貌,左側(cè)為返回側(cè),右側(cè)為前進側(cè).其中返回側(cè)輪廓相對前進側(cè)輪廓要平緩得多,這是因為在攪拌摩擦焊過程中,返回側(cè)溫度高于前進側(cè)溫度,返回側(cè)焊接熱量沿板厚方向擴展更多,而前進側(cè)上下層受熱變化明顯.從圖中還可以看出,在軸肩形狀尺寸相同,攪拌針尺寸相近情況下,圓錐形攪拌針焊后接頭熱影響區(qū)輪廓較寬且過渡平滑,這是因為圓錐形攪拌針產(chǎn)熱高于圓柱形攪拌針產(chǎn)熱的緣故.并且凹陷型軸肩比平臺型軸肩更有利于金屬的塑性流變,使得焊縫區(qū)寬度較大.3凹陷型軸肩和平臺型軸肩1)攪拌頭形狀對焊接過程中攪拌頭受力產(chǎn)熱及焊縫區(qū)金屬成型都有很大的影響.2)同樣工藝條件和參數(shù)下,凹陷型軸肩因容納金屬空間增大,下壓力明顯要低于平面型軸肩,錐形攪拌針因受力面積增大其下壓力大于柱形攪拌針.3)同樣工藝條件和參數(shù)下,凹陷型軸肩由于