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搅拌头结构对搅拌摩擦焊接头组织性能及塑性金属流动的影响研究

鞠川  
【摘要】:搅拌摩擦焊(FSW)是由英国焊接研究所(TWI)在1991年基于传统摩擦焊发明研制的一种新型高效的固相连接技术。搅拌头作为搅拌摩擦焊技术的核心组件,其结构设计对获得高质量的焊接接头起着决定性的作用。本文首先选用4mm厚度的2024硬质铝合金作为实验材料,采用圆锥螺纹搅拌头进行焊接。研究表明,在旋转速度1000r/min、焊接速度500mm/min,搅拌头倾斜角为2.5°,下压量为0.20mm,预热时间为5s时,获得的焊缝内部无缺陷,表面成型美观,在此参数下接头的抗拉强度达到了341MPa,达到母材的81.2%,接头的延伸率为10.4%。在此实验基础上,重新设计了三组不同结构的搅拌头,分别为圆锥螺纹搅拌头(A型)、圆锥螺纹带侧面沟槽搅拌头(B型)、圆锥螺纹带三平台搅拌头(C型),在上述的焊接工艺条件下焊接4mm厚2024铝合金,比较分析了三组搅拌头焊接接头的焊接热循环曲线、焊核区的微观组织、力学性能及断口形貌。研究结果表明:三组搅拌头焊接热循环曲线总体相似,前进侧热输入量略高于后退侧。A型搅拌头焊接热输入量最大,前进侧和后退侧焊接峰值温度分别为423℃,408.6℃;C型搅拌头焊接热输入量最小,前进侧和后退侧焊接峰值温度分别为368.7℃,345.1℃,焊接热输入量的大小与搅拌针外表面积成正比。所有搅拌头均能形成无缺陷的接头,其中C型搅拌头焊接接头的焊核区的晶粒尺寸最小,约为7~13μm。焊核区晶粒尺寸与焊接峰值温度正相关,焊接峰值温度越高,晶粒尺寸越大。硬度最低值均出现在热机影响区与热影响区的交界处,C型搅拌头焊接的接头在此处的硬度值比其他搅拌头的高,为71.76HV;C型搅拌头焊接的接头抗拉强度最大,为364.27MPa,达到母材的86.73%。断口形貌分析显示三组搅拌头焊接的接头均为塑性断裂形式,因此C型搅拌头焊接的接头性能最好。对三组搅拌头形成焊缝的横截面、纵截面、水平截面进行塑性金属流动行为分析发现,焊缝中前进侧金属的数量明显多于后退侧。逆时针旋转的右旋螺纹产生向下的驱动力使得在同一水平面旋转的前进侧金属向其下层流动并继续做旋转运动,下层金属的数量不断累积增加,形成“洋葱环”结构。搅拌针表面螺纹是塑性金属向下流动的主要驱动力,B型搅拌头驱动金属向下迁移的能力最强。受焊核区前进侧金属的挤压作用,后退侧金属向上运动,绕至焊核区上方瞬时空腔处并与前进侧金属汇成紊乱区,C型搅拌头金属流动性最好,紊乱区形成如鱼鳞状的片层结构。焊缝纵截面金属流动分为轴肩影响区、过渡区、竖直流动区、挤压流动区四部分。轴肩影响区塑性金属以一定的倾斜角沿焊接方向向前运动;由于搅拌针螺纹表面的切应力,竖直流动区金属向后弯曲向下迁移;挤压区大部分由两侧向焊核区上部流动,最终在紊乱区相遇,少部分背向焊接方向水平流动。同时在单轴肩FSW的基础上研究了2024铝合金双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)接头组织性能、温度场及塑性金属的流动行为,研究发现:BT-FSW焊接温度场与FSW相似,但BT-FSW后退侧峰值温度略高于前进侧峰值温度,温度差约为20℃。BT-FSW焊接区上轴肩作用区的晶粒尺寸略微小于其下轴肩作用区的晶粒尺寸。BT-FSW过程中上下轴肩同时驱动前进侧塑性金属向焊缝中心转移,并在此与搅拌针驱动的圆周运动的焊核区金属交汇混合形成条状带组织,这两种塑性金属的运动构成了BT-FSW接头的机制。


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