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铝合金厚板搅拌摩擦焊缝金属流动行为研究

毛育青  
【摘要】:由于具有低密度、高比强度、高疲劳寿命和良好的耐蚀性等优良特性,铝合金厚板在航空航天、船舶、车辆行业等领域中得到广泛应用。通常,采用焊接方法成形是制造铝合金结构件很重要的一环节。搅拌摩擦焊(FSW)是一种固相连接技术,可避免熔焊时产生的气孔、裂纹等冶金缺陷,提高焊缝力学性能,已成功应用于轻合金薄板焊接构件。然而,铝合金厚板FSW却面临诸多困难,如焊接工艺参数范围窄,焊缝内部容易产生疏松孔洞缺陷,焊缝力学性能差等,这与搅拌针端部挤压区内塑化金属的流动行为变化密切相关。因此,本研究主要以20mm厚铝合金板材FSW焊缝金属流动行为为研究对象,采用试验方法研究了焊缝局部金属尤其是挤压区内塑化金属的具体流动方式,阐明了焊缝内部疏松区缺陷的形成机理。通过改变搅拌头几何参数、材料力学性能、温度场等因素,分析其对焊缝金属流动行为及焊缝成形的影响,以便通过调控焊缝金属的流动状态,获取优质的焊接接头。研究成果为铝合金厚板FSW焊缝成形机理及质量控制提供数据支撑和理论依据。所获得的主要结论如下:(1)接头中心区由上部的轴肩影响区和下部的焊核区组成,焊接时焊缝上部塑化金属不断向搅拌针端部迁移而形成挤压区,挤压区内塑化金属发生横向流动并逐渐向上扩张,最终与轴肩影响区内金属相结合,从而形成焊缝;当轴肩影响区和焊核区结合不紧密时,会形成疏松区或孔洞型缺陷。挤压区内塑化金属的流动方式分为轴向挤压迁移、水平摩擦迁移和绕流迁移,其流动行为变化不仅与焊缝金属温度有关,还与周边金属约束状态有关。若挤压区内塑化金属温度较低,挤压区周边金属对其横向流动的阻力较大,则使得挤压区内塑化金属主要以绕流迁移方式沿着搅拌针表面向上流动直至溢出焊缝表面形成飞边,导致搅拌针后方空腔没有足够的金属填充,形成疏松区或孔洞型缺陷。(2)搅拌针偏心距、锥度和表面形状影响了搅拌针周边瞬时空腔大小及其周边金属的作用力,从而改变了挤压区内塑化金属的温度和流动行为。(a)当搅拌针偏心距从0mm增加至0.2mm时,搅拌针周围空腔体积增大,焊缝金属向挤压区内迁移的总量增多,距焊缝底部1mm处的挤压区内塑化金属温度提高约25℃,周边金属对其横向迁移阻力减小而使挤压区横向迁移距离显著增大,焊核区面积提高了52%,内部缺陷消失。(b)当搅拌针锥度从10°增加至20°时,焊缝金属向下迁移的驱动力增大,使焊缝金属向挤压区内迁移总量增大,挤压区内塑化金属温度提高约20℃,从而减小了周边金属对其横向迁移的阻力,焊核区面积提高,疏松区面积显著减小。但当锥度太大时,搅拌针自身体积会显著减小从而减小搅拌针表面与金属的摩擦面积,且会减小搅拌针后方空腔体积,反而不利于焊缝金属流动。(c)搅拌针表面三角平面增大了搅拌针周围空腔体积,提高了焊缝金属向挤压区迁移的能力,使挤压区内塑化金属迁移总量及其横向迁移距离显著增大,从而增大焊核区面积,减小甚至消除疏松区缺陷。(3)改变轴肩形状和搅拌针端部形状可改变焊缝金属流动的驱动力,影响焊缝金属的流动行为。(a)与常规凹面形轴肩相比,内三凸槽形轴肩增强了焊缝上部塑化金属向搅拌针根部流动的驱动力,使得沿搅拌针周边向搅拌针端部挤压区内迁移的塑化金属量增加,提高了焊缝底部温度,挤压区更容易朝周边扩展,焊核区面积提高,疏松区消失。(b)与圆锥形端部形状相比,三凹槽形端部形状的搅拌针增大了其对挤压区内塑化金属的搅拌力,提高了塑化金属横向流动的驱动力;同时,增大了搅拌针端部与焊缝金属的摩擦面积,焊缝底部金属温度提高,焊核区宽度增加。(4)铝合金的热处理状态、成分不同,搅拌头与被焊材料接触界面的摩擦状态不同,产热量也发生变化,使得焊接接头温度场发生变化,进而影响焊缝金属的流动行为。(a)O态7075铝合金焊缝金属粘度较大,与搅拌头的摩擦产热量较低,使得挤压区内塑化金属的温度比T6态的低,其周边金属温度更低,且向挤压区内迁移的塑化金属总量明显减少,这导致挤压区内塑化金属的横向迁移距离及两侧变形金属向上迁移的高度减小,焊核区底部宽度减小。(b)与7075铝合金不同,5A06铝合金焊缝金属与搅拌针表面接触界面处于半粘着摩擦状态,挤压区内塑化金属温度略有降低,但周边金属的变形抗力更小,使得挤压区内塑化金属的横向迁移距离较大,焊核区尺寸相对于7075铝合金焊缝焊核有所减小。而2024铝合金焊缝金属与搅拌针表面接触界面更早地转变为滑动摩擦状态,显著降低了焊缝总产热量,挤压区内塑化金属温度更低,且向挤压区内迁移的塑化金属总量更少,导致挤压区内塑化金属横向迁移距离减小,焊核区尺寸最小。(5)适当增加辅助加热温度可提高挤压区内塑化金属的流动性。当辅助加热温度由室温提高到150℃,焊缝挤压区内塑化金属温度提高了50℃,周边金属温度也相应提高,塑化金属横向流动能力明显提高,从而使得焊核区面积及两侧变形金属向上迁移高度分别增加了49%和40%,疏松区消失。但当辅助加热温度继续升高至250℃时,挤压区内塑化金属温度比150℃条件下的降低了25℃,使其迁移阻力增大,横向迁移距离减小,导致焊核区面积及两侧变形金属迁移高度分别减小了38%和27%,焊缝内部再次出现疏松区缺陷。这可能与搅拌头和焊缝金属接触界面的摩擦状态发生了变化有关。


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