搅拌摩擦焊工艺参数对焊缝质量的影响

来源:用户上传      作者: 黄飞

　　摘要：自主设计了多种结构的搅拌针，并针对铝合金材料进行焊接工艺实验，分析了焊头形状、旋转速度、焊接速度等对焊缝质量的影响，为进一步研究开发和铝合金零部件生产应用摩擦搅拌焊接技术提供理论和实践依据。
　　关键词：搅拌摩擦焊；工艺参数
　　随着人们对节能、环保、安全提出更高的要求，铝合金等轻质高强材料的应用获得广泛关注。所以铝材成为航空航天和现代交通运输轻量化、高速化的关键材料。轻量化可使飞机和宇航器飞得更高、更快、更远，可使导弹打得更快、更远、更准，可使电动汽车零污染高速行驶，可减少牵引力和节省大量能源，使运输工具既安全又准点[ 1]。
　　1.试验材料及方法
　　选用轨道客车中空车体及结构件用厚为3mm的铝合金挤压板材，将板材裁剪多组尺寸为600×110mm的母板。用XD5032A立式升降台铣床作为FSW的设备。
　　2.试验结果与讨论
　　对于一定形状的搅拌焊头，影响焊缝成型和接头机械性能的主要因素是旋转速度（n）、焊接速度（v）和焊接压力（p）。
　　2.1.旋转速度对焊缝质量的影响
　　搅拌焊头的旋转速度一定时，若焊接速度较慢，焊缝表面平滑光亮，但在焊缝背面可见到由于局部母材熔化而出现的缩孔。随着焊接速度的增加，这种缩孔会消失，继续增加焊接速度，焊缝表面的光洁度变差，沿焊缝的横截面将试样切开会发现隧道型缺陷，若焊接速度过快，隧道型缺陷逐渐增大，甚至会在焊缝表面出现沟槽。
　　采用本实验的搅拌焊头焊接时，将旋转速度定为1500rpm/min，此时，焊接速度若高于35mm/min，会看到焊缝的一侧产生未焊合或在搅拌焊头的后面出现长长的沟槽；当焊接速度低于23.5mm/min时，则焊缝表面发生凹陷或在焊缝某一侧产生切边现象，同时，在焊缝的背面会出现由于过热而形成的缩孔。当焊接速度在23-40mm/min范围内，焊缝的外观成型较好；拉伸试验结果表明，当焊接速度在35-60mm/min范围内时，焊缝的抗拉强度较高。如果将旋转速度降低为1180rpm/min，焊接速度为23-45mm/min时，焊缝的外观成型及接头的抗拉强度均较高。这是由于焊接速度影响单位长度焊缝上的热输入量，旋转速度一定而焊接速度过慢时，单位长度焊缝上获得的热量过多，使焊接区温度接近母材的熔化温度而出现局部过热甚至熔化现象；反之，当焊接速度过快时，焊接区获得的热量较少，材料达不到塑性流变状态并且不能充分流动，以致形成隧道型缺陷或在表面出现沟槽。对于一个给定的旋转速度，总有一个适当的焊接速度范围与其相对应，降低旋转速度，焊接速度则相应的降低。只有搅拌焊头的旋转速度与焊接速度合理匹配时，才能得到外观成型好、内部无缺陷的优质焊缝。可以看出，宏观焊接接头对比，以1500rpm的旋转速度与 30mm/min的焊接速度的匹配较好。
　　2.2.焊接速度对焊缝质量的影响
　　FSW工艺实验过程中，当采用某一型号的搅拌焊头焊接时，在焊接压力及焊接速度不变的情况下，旋转速度较低，摩擦产热功率小，焊接区金属不能达到热塑性状态，不足以形成热塑性流动层，使得FSW过程类以于金属的铣削加工，从而在焊缝表面出现沟槽，不能形成闭合的焊缝；随着旋转速度的提高，焊接区内摩擦产热量增加，在接近试样表面的搅拌焊针周围，首先形成热塑性流动层，但在焊缝的内部，由于热塑性层的温度相对较低，还无法完成流动、填充、挤压、扩散过程，焊缝表面的沟槽虽然消失，但如果沿焊缝的横截面将其切开，则焊缝内部可能有孔洞甚至出现隧道型缺陷，不能形成良好的固相连接；如果旋转速度继续增加，热塑性层逐渐扩大和流动，使得焊缝中的孔洞逐渐减小；当旋转速度升高到一定值时，孔洞消失，形成致密的焊缝。此外，旋转速度越高，对焊接设备和搅拌焊头的性能要求将更高。转速一定时，焊速的变化对于接头表面成型及接头强度也有很大影响。焊速过小，在接头某一区域停留并摩擦加热的时间相对增加，导致接头受热区域相应变大，且由于接头局部摩擦时间太长形成相对粗大组织的可能性就越大。这些都会影响焊接接头成型、抗变形能力及接头强度。
　　2.3.轴肩下压量对焊缝质量的影响
　　FSW接工艺过程中，只有通过施加足够的焊接压力才能在搅拌焊头和焊件之间获得摩擦力进而获得足够的摩擦热能，同时，焊接压力起到限制塑性流体外溢，保证焊缝成型的作用。[2]因此，焊接压力的大小对焊接质量有重要的影响。试验过程中，在保持旋转速度和焊接速度不变的情况下，通过改变搅拌焊头对试样表面的压力，观察焊接压力对FSW焊缝成型的影响，若压力较小，焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷，在焊缝表面出现沟槽，甚至肩部对焊接区起不到封闭作用而使焊缝金属流外溢；增加搅拌焊头对试样表面压力，可提高热输入量，提高焊缝组织的致密度，使焊缝成型得到改善；但压力过大，势必造成摩擦力增大，搅拌焊头向前移动的阻力增大，且易使焊缝凹陷，焊缝表面出现飞边、毛刺。
　　3.结论
　　由XD5032A立式升降台铣床作为FSW的设备和自行设计搅拌头。FSW接过程中，搅拌焊针对焊缝金属产生水平剪切力作用和焊针表面与周围材料发生摩擦，是焊接区热量的主要来源，搅拌焊针直径的大小直接影响到焊接工艺的制定与实施，并明显影响着焊接质量。实验得出了焊接速度为 30mm/min和旋转速度为1500rpm 的工艺匹配可以获得较好的焊接质量。
　　参考文献：
　　[1] 刘静安，谢水生.铝合金材料的应用与技术开发[M].北京.冶金工业出版社，
　　2000.
　　[2] Lanciotti A.Vitali F，Characterisation of friction stir welded joints in aluminium
　　alloy 6082-T6 plates.Welding International.2003.17（8）：624～630.
　　作者简介：黄飞（1980—）男，硕士研究生，东北电力大学工程训练教学中心，助理实验师。
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