攪拌摩擦焊缺陷分析與預(yù)防措施

攪拌摩擦焊缺陷分析與預(yù)防措施

1關(guān)于焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化攪拌摩擦焊接是英國焊接研究所（tei）于1991年開發(fā)的一種新型固相焊接技術(shù)。它可以焊接傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，尤其是難以焊接的金屬。它在鋁合金焊接方面取得了顯著成就，幾乎可以焊接所有系列的鋁。隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的快速推廣,目前理論研究進(jìn)展已遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于實際應(yīng)用進(jìn)程,大部分研究都是關(guān)于焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化和接頭組織性能,而對于焊接過程中產(chǎn)生的缺陷還缺乏系統(tǒng)全面的認(rèn)識,這為該技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展埋下了隱患。雖然攪拌摩擦焊能夠避免熔焊中產(chǎn)生的裂紋、氣孔等缺陷,但是如果焊接參數(shù)選擇不當(dāng),也會引入新的缺陷,例如隧道型、Z線、吻接等。本文在大量試驗的基礎(chǔ)上,總結(jié)了目前為止攪拌摩擦焊焊接過程中出現(xiàn)過的缺陷種類,分析了缺陷產(chǎn)生的原因及其危害,并提出了如何避免出現(xiàn)缺陷的方法,對攪拌摩擦焊的實際應(yīng)用具有一定指導(dǎo)作用。2缺陷產(chǎn)生原因及避免出現(xiàn)缺陷攪拌摩擦焊接過程中產(chǎn)生的缺陷主要有以下幾種:隧道型、孔洞和溝槽、飛邊、Z線與界線、吻接、摩擦面、背部等缺陷,下面將就各種缺陷的產(chǎn)生原因及如何避免缺陷的出現(xiàn)作詳細(xì)分析。2.1試驗結(jié)果及分析隧道型缺陷是比較典型而且危害最大的一種缺陷,這種缺陷通常位于接頭前進(jìn)側(cè)的中下部,如圖1(a),焊接完成后從匙孔處可看到這種缺陷,它貫穿整個焊接過程,圖1(b)為X射線透射照。關(guān)于這種缺陷的產(chǎn)生原因,主要有以下幾種說法。1)試驗發(fā)現(xiàn),產(chǎn)生隧道型缺陷的一個原因是工藝參數(shù)選擇不當(dāng)。當(dāng)焊接旋轉(zhuǎn)速度過小或者焊接速度過大時會在焊縫中產(chǎn)生這類缺陷,因焊接旋轉(zhuǎn)速度減小和焊接速度增大都會直接導(dǎo)致焊接時焊縫中熱輸入不足,從而使得塑性狀態(tài)的金屬體積減少,攪拌摩擦頭不斷將塑性金屬從前進(jìn)側(cè)轉(zhuǎn)移到后退側(cè),由于塑性金屬的流動性變差,以致前進(jìn)側(cè)金屬未能被來自后退側(cè)的塑性金屬及時填充,而導(dǎo)致此區(qū)內(nèi)金屬量減少,最終在此處留下巨大隧道。2)焊接過程中焊縫前進(jìn)側(cè)與返回側(cè)金屬的流動方式不同。焊縫前進(jìn)側(cè)與返回側(cè)塑性金屬受到攪拌針的剪切力及攪拌針前方塑性金屬向后的擠壓力的共同作用而流動。前進(jìn)側(cè)塑性金屬受到攪拌針的剪切力與焊接方向的塑性金屬的擠壓力方向相反,如果焊接速度過低,攪拌針前方塑性金屬向后的擠壓作用減弱,因而在焊接過程中前進(jìn)側(cè)大量塑性金屬被攪拌針剪切到返回側(cè)且前方的塑性金屬無法及時填充攪拌針后方空間而形成孔洞。而返回側(cè)金屬所受攪拌針剪切力與焊接方向的塑性金屬的擠壓力方向相同,焊后大量金屬沉積在返回側(cè),因而隧道型缺陷大多出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)。3)在較高的攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊速下,會造成材料的異常攪動,這種異常攪動也會產(chǎn)生隧道型缺陷,如圖2(a),這種隧道型缺陷的形狀不同于熱輸入不足造成的隧道型缺陷,前者明顯大于后者。熱輸入不足造成的缺陷隨著壓力增大逐漸消失,而異常攪動產(chǎn)生的缺陷對壓力并不敏感。產(chǎn)生異常攪動的原因可能是接頭上部和下部溫度不同。4)當(dāng)攪拌頭的傾角比較小時(θ≤1.5°),焊核區(qū)也可能產(chǎn)生隧道型缺陷。這是由于角度較小時,攪拌頭攪拌針下部的塑性金屬發(fā)生沉積,不能隨攪拌頭的旋轉(zhuǎn)向上翻轉(zhuǎn),造成攪拌頭行進(jìn)過程中的空腔得不到很好的填充,因而在軸肩下方出現(xiàn)了溝槽或隧道型缺陷。隨著傾角的增大,這種缺陷將會消失,而且攪拌頭傾角也會影響焊接過程的熱輸入,隨著傾角的增大,產(chǎn)熱率增大。5)試驗還發(fā)現(xiàn),當(dāng)試樣之間留有間隙時,常會在焊縫中發(fā)現(xiàn)隧道型缺陷。其產(chǎn)生原因是由于間隙的存在使得焊縫連接所需的塑性金屬減少,在沒有塑性金屬補(bǔ)充的情況下只能是在焊縫中形成隧道型缺陷。綜上所述,如果想要避免焊接過程中出現(xiàn)隧道型缺陷,除了要選擇適當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)外(攪拌頭轉(zhuǎn)速、焊速、壓力),還要保證適當(dāng)?shù)臄嚢桀^傾角,一般為1.5°≤θ≤4.5°,另外還要避免待焊件之間存在間隙。試驗還發(fā)現(xiàn),采用帶螺紋的錐形攪拌針比不帶螺紋的攪拌針更容易避免隧道型缺陷的產(chǎn)生,因為帶螺紋的錐形攪拌針增大了塑性金屬的流動性。2.2需加工螺紋表面的焊接參數(shù)要求,確定攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接壓力孔洞分為內(nèi)部孔洞和表面孔洞,如圖3,其形成原因有所不同。內(nèi)部孔洞的形成主要是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)部形成材料未完全閉合的現(xiàn)象。當(dāng)采用不帶螺紋的柱狀或錐狀攪拌針的攪拌頭進(jìn)行焊接時,接頭容易出現(xiàn)該類缺陷,通常位于接頭前進(jìn)側(cè)的中下部以及焊縫表面附近,在焊縫長度方向上延伸較長時就形成隧道型缺陷。要避免這種內(nèi)部孔洞的產(chǎn)生,應(yīng)選擇合適的焊接參數(shù),此外在攪拌針上加工螺紋可以增大攪拌針與塑性材料之間的摩擦,產(chǎn)生更多的熱量,而且由于螺旋線可以產(chǎn)生一個向下的壓力,使塑性材料流動更充分,攪拌更均勻,可以避免這種缺陷的產(chǎn)生。表面孔洞主要是由于攪拌頭轉(zhuǎn)速過慢、焊接速度過快或焊接壓力不足造成的。轉(zhuǎn)速過慢,焊速過快,壓力不足,導(dǎo)致單位時間的產(chǎn)熱不足,發(fā)生塑性變形的材料減少,流動性降低,焊縫前進(jìn)側(cè)的塑性材料被攪拌頭帶入后退側(cè)后得不到及時補(bǔ)充,從而易在前進(jìn)側(cè)表面形成孔洞。當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)降低,焊速或焊接壓力進(jìn)一步減小,導(dǎo)致熱輸入嚴(yán)重不足,材料流動能力繼續(xù)下降,表面孔洞沿焊縫長度方向上延伸較長時就形成溝槽缺陷,如圖4。當(dāng)攪拌頭傾角較小時,也容易在焊核表面出現(xiàn)溝槽型缺陷,隨著角度繼續(xù)增大,焊核表面缺陷消失。因此,要避免焊接過程中產(chǎn)生表面孔洞和溝槽型缺陷,應(yīng)選擇合適的焊速、攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接壓力,另外攪拌頭傾角要保持在1.5°～4.5°之間。在文獻(xiàn)的研究中指出,如果在攪拌摩擦焊接中攪拌頭固定不變,那么獲得無孔洞缺陷接頭時焊接參數(shù)必須滿足的條件為:PR/V≥α式中:P表示焊接壓力;V表示焊接速度;R表示攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度;α是與攪拌頭形狀和被焊材料物理性能參數(shù)相關(guān)的數(shù)值。對于特定的焊接過程,由于攪拌頭和被焊材料是不變的,因此存在一個α的最小值,當(dāng)上式成立時,接頭無孔洞缺陷,否則會產(chǎn)生孔洞缺陷。2.3軸肩裝出液壓入過深,盡量選擇焊接壓力飛邊缺陷出現(xiàn)在焊縫表面,通常是由于焊接壓力過大而導(dǎo)致較多的塑性材料從軸肩兩側(cè)被擠出,冷卻后形成的一種缺陷,如圖5所示。攪拌摩擦焊接過程是一個焊縫材料體積不變的過程,在實際焊接過程中,攪拌頭軸肩、攪拌針、未熔化的母材金屬形成一個“擠壓?！?發(fā)生塑性變形的材料在“擠壓?！敝辛鲃?如果焊接壓力過大,也就是攪拌頭扎入過深,會使“擠壓模”體積小于正常焊接時的體積,導(dǎo)致部分塑性材料從軸肩兩側(cè)被擠出,冷卻后形成飛邊缺陷。試驗還發(fā)現(xiàn),如果軸肩直徑過小也容易導(dǎo)致飛邊的產(chǎn)生。因為軸肩直徑如果太小,對塑性材料的包絡(luò)能力減小,材料就比較容易從軸肩兩側(cè)被擠出。因此,要避免飛邊的產(chǎn)生,應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)暮附訅毫?也就是適當(dāng)?shù)膲喝肓?可以用軸肩后沿低于板材表面的深度來表示。對于薄板材料,此深度一般為0.1～0.3mm之間,對于中厚板材料此深度一般不超過0.5mm。另外要選擇合適的軸肩直徑,當(dāng)軸肩直徑與攪拌針直徑之比為3:1時,在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)下施焊容易獲得質(zhì)量較高的焊縫,而攪拌針直徑一般取為工件厚度的0.9～1.1倍。2.4攪拌焊接硬脆的缺陷Z線也叫S線,國內(nèi)也有學(xué)者稱之為“之形”線,如圖6所示。Z線的出現(xiàn)并不會明顯影響未經(jīng)熱處理的攪拌摩擦焊接構(gòu)件的力學(xué)性能,但是卻會明顯降低經(jīng)過熱處理的攪拌摩擦焊接構(gòu)件的力學(xué)性能,尤其對構(gòu)件疲勞性能有很大的影響。原因是因為構(gòu)件經(jīng)熱處理后會在Z線附近出現(xiàn)微裂紋。Z線的產(chǎn)生主要是由于構(gòu)件表面殘余氧化層的存在。隨著攪拌針的插入和攪拌過程,構(gòu)件表面殘余氧化層被攪碎,混和進(jìn)入塑性材料,氧化物顆粒沿著晶界分布就形成Z線。這種缺陷一般很難發(fā)現(xiàn),X射線都無法探測到,只能用金相分析或根部彎曲測試才可能有效檢測到,因此危害很大。要避免焊接過程中出現(xiàn)Z線,在焊接開始前要對構(gòu)件表面徹底清洗和打磨,以去除表面油污和氧化層。如果焊接過程中轉(zhuǎn)速過低則熱輸入不足,焊縫內(nèi)塑性金屬化不足,就會形成如圖7所示的焊縫前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱力影響區(qū)的界線。界線左側(cè)為焊核區(qū),晶粒為近球形的精細(xì)等軸晶,右側(cè)為熱力影響區(qū)。由于焊接過程中焊縫前進(jìn)側(cè)塑性金屬受到攪拌針的剪切力方向與焊接方向的塑性金屬的擠壓力方向相反,同時由于焊接熱輸入不足,降低了前進(jìn)側(cè)焊核區(qū)與熱力影響區(qū)金屬的塑化程度,因而影響了金屬層之間的結(jié)合而形成明顯的界線。界線的出現(xiàn)也會在很大程度上降低構(gòu)件的力學(xué)性能。要避免這種缺陷,就要選擇適當(dāng)?shù)暮附訁?shù),尤其是焊接轉(zhuǎn)速。在攪拌摩擦焊接過程中,由于摩擦熱輸入不足或焊接速度過快,造成前一層轉(zhuǎn)移金屬與后一層轉(zhuǎn)移金屬之間或者焊縫的轉(zhuǎn)移金屬與前行邊之間雖然在宏觀上形成緊密接觸,但在微觀上并未形成可靠連接,這就叫吻接,如圖8。吻接是攪拌摩擦焊特有的焊接缺陷,會嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的可靠性,是攪拌摩擦焊最致命的缺陷。攪拌頭外形設(shè)計不合理、焊接速度過快或者焊縫熱輸入過低都會造成這類缺陷的產(chǎn)生。由于常規(guī)的檢測方法很難發(fā)現(xiàn)此類缺陷,必須采用相控陣超聲波檢測技術(shù)才能有效地檢測到,所以危害非常大。通過優(yōu)化攪拌摩擦焊工藝可以完全避免此類缺陷。2.6表面成形工藝缺陷摩擦面缺陷是指焊縫表面因攪拌頭軸肩的摩擦作用而造成的表面不均勻、不連續(xù)現(xiàn)象,如圖9所示。這類缺陷危害性較輕,對于表面成形要求較高的焊縫可以進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜斯け砻嫘拚?。對于大多?shù)鋁合金,攪拌摩擦焊焊縫的表面成形良好。對于疲勞性能要求較高的焊縫,必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻嫘弈ヌ幚怼?.7攪拌針長度的影響未焊透是攪拌摩擦焊縫背面最常見的焊接缺陷,是指在焊縫底部未形成連接或不完全連接而出現(xiàn)的“裂紋狀”缺陷,如圖10。由于采用長度略小于接頭厚度的攪拌頭壓入焊縫結(jié)合面,利用肩臺與焊縫表面的摩擦熱進(jìn)行加熱、攪拌而形成連接,所以總存在一定厚度的未焊透。焊接壓力過小時容易形成根部未焊合。在攪拌摩擦焊接過程中如果攪拌針長度合適,兩塊對接板材之間對接面上的氧化物會在攪拌針旋轉(zhuǎn)和平動過程中被打碎,并在攪拌頭后部形成致密的接頭,氧化物彌散分布在接頭中,但如果攪拌針長度比正常尺寸短,攪拌針在焊接過程中不能完全攪拌焊縫厚度方向上的材料,尤其是接頭下部的材料,加上板材對接面氧化物的存在,在焊接后接頭根部會出現(xiàn)“裂紋狀”的未焊透缺陷。焊接過程中如果壓入量過小,就減少了軸肩與上表面的摩擦熱,而且由于攪拌作用使內(nèi)部金屬被攪至表面,焊縫底部得不到足夠的材料來填充,因而形成了如圖11所示的焊縫背部溝槽,從而影響焊縫的成形。因此要避免上述焊縫背部缺陷,必須選擇合適的攪拌針的長度,一般略小于焊件厚度;另外焊接壓力和壓入量要控制適當(dāng)。2.8其他缺陷2.8.1對接頭的根尉缺陷進(jìn)行焊接根趾部缺陷是指搭接或“T”形接頭攪拌摩擦焊時,由于無法實現(xiàn)搭接面的等寬度焊接,接頭的根部和趾部均因未焊透而存在缺口,即形成所謂的根趾缺陷。2.8.2設(shè)計方面的缺陷切削填充是由于攪拌頭設(shè)計不合理,如形面過度不圓滑、螺紋外形設(shè)計太尖銳或太密等造成。切削填充的焊縫是典型的疏松組織,嚴(yán)重?fù)p害接頭性能,必須予以避免。2.8.3焊縫上產(chǎn)生的熱量過多焊接過程中當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一定而焊速過慢或焊速一定旋轉(zhuǎn)速度過快時,單位長度焊縫上獲得的熱量過多,使焊縫溫度接近鋁合金的熔化溫度而出現(xiàn)組織