畢業(yè)論文設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊接頭電導(dǎo)率研究

1、目 錄1前言11.1 選題的依據(jù)和意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)1攪拌摩擦焊的簡(jiǎn)介1攪拌摩擦焊接頭區(qū)域分布2攪拌摩擦焊接頭的缺陷特征及類型2渦流電導(dǎo)率檢測(cè)法3攪拌摩擦焊無(wú)損檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)4課題研究?jī)?nèi)容62 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法62.1試驗(yàn)條件62.2試驗(yàn)方法7檢測(cè)試樣的制備7電導(dǎo)率的測(cè)量8焊縫金相制備與顯微觀察83實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析93.1 CZ態(tài)LY12對(duì)接焊縫的電導(dǎo)率分布9焊縫組織變化對(duì)電導(dǎo)率分布的影響9未焊透焊縫電導(dǎo)率分布與無(wú)缺陷處的分布差異12厚度對(duì)電導(dǎo)率的影響12未焊透深度對(duì)電導(dǎo)率的影響123.2 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對(duì)接焊縫的電導(dǎo)率分布133.3 CZ態(tài)LY12斜面對(duì)接

2、焊縫的電導(dǎo)率分布144結(jié)論17參考文獻(xiàn)18致 謝201前言1.1 選題的依據(jù)和意義鋁及鋁合金具有比重小、導(dǎo)電性好、耐蝕性強(qiáng)、散熱性能好、比強(qiáng)度高和易于進(jìn)行多種加工等特點(diǎn)，使其在各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。在熔焊生產(chǎn)中，鋁合金高溫熔化狀態(tài)時(shí)易吸附氫而導(dǎo)致凝固后產(chǎn)生氣孔，并且易產(chǎn)生熱裂紋，而且鋁合金材料表面致密的氧化層以及弧焊過(guò)程中的較大變形等限制了材料進(jìn)一步的推廣應(yīng)用。與常規(guī)熔焊相比，攪拌摩擦焊屬固相焊接，焊縫區(qū)具有與母材一致的冶金組織，焊接過(guò)程中焊縫區(qū)的晶粒會(huì)得到細(xì)化，在某種程度上很好的解決了鋁合金的焊接問(wèn)題。攪拌摩擦焊縫區(qū)產(chǎn)生的缺陷具有明顯的緊貼、細(xì)微和難檢測(cè)的特點(diǎn)，目前對(duì)如何評(píng)定鋁合金攪拌摩擦焊縫

3、成形質(zhì)量尚缺乏一致的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。推廣鋁合金攪拌摩擦焊在重要工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，必須針對(duì)其焊縫存在的缺陷特征采取有效的無(wú)損檢測(cè)方法，因而無(wú)損檢測(cè)已成為近年來(lái)國(guó)外推廣攪拌摩擦焊在重要工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用的重點(diǎn)研究課題1-4。目前在國(guó)內(nèi)外，由于攪拌摩擦焊的應(yīng)用還不廣泛，攪拌摩擦焊的無(wú)損檢測(cè)在技術(shù)上也處于缺陷表征與檢測(cè)方法探索、技術(shù)積累階段3，5-6。對(duì)于攪拌摩擦焊接頭中的缺陷，目前通常采用X射線、和超聲無(wú)損檢測(cè)以及金相觀察等方法進(jìn)行檢測(cè)。但這些檢測(cè)方法所用設(shè)備一般都比較昂貴，而且攜帶不變，操作也比較復(fù)雜，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)檢測(cè)都帶來(lái)了極大的不便。渦流電導(dǎo)率檢測(cè)作為近年來(lái)發(fā)展的無(wú)損檢測(cè)法，在檢測(cè)設(shè)備及操作上存在極大的便利

4、，如果將其運(yùn)用于鋁合金攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量的評(píng)估上，將是對(duì)攪拌摩擦焊焊縫檢測(cè)的一個(gè)新的嘗試。攪拌摩擦焊過(guò)程中，焊縫未焊透引起的材料連接不連續(xù)及焊接熱過(guò)程和機(jī)械攪拌作用所引起的顯微組織變化對(duì)電導(dǎo)率都有著很大的影響，因而可以通過(guò)測(cè)量焊縫區(qū)電導(dǎo)率的分布情況來(lái)評(píng)估該影響的大小。由于目前缺乏相應(yīng)的電導(dǎo)率檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)7，將電導(dǎo)率測(cè)量用于鋁合金質(zhì)量控制過(guò)程還需要大量的研究探索。如果能夠從實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合上去探討電導(dǎo)率對(duì)攪拌摩擦焊接頭性能的影響，從而揭示該影響在實(shí)際檢測(cè)中的應(yīng)用，對(duì)電導(dǎo)率檢測(cè)法在攪拌摩擦焊近表面缺陷的檢測(cè)中的應(yīng)用有著極其重要的作用。1.2 國(guó)內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)攪拌摩擦焊的簡(jiǎn)介攪拌摩擦焊（Frict

5、ion Stir Welding簡(jiǎn)稱FSW）是英國(guó)焊接研究所（The Welding Institute簡(jiǎn)稱TWI）于1991年發(fā)明的一種固相連接技術(shù)。它采用特型攪拌頭在待焊工件中旋轉(zhuǎn)、摩擦產(chǎn)生熱，并擠壓以形成焊縫，屬于一種新的固態(tài)連接方法，如圖1-1。攪拌摩擦焊優(yōu)于傳統(tǒng)的氬弧焊，它不僅能完成材料的對(duì)接、搭接、丁字接等多種接頭方式，而且還能用于高強(qiáng)鋁合金、鎂合金的焊接，提高了焊接接頭的力學(xué)性能，并且排除了熔焊缺陷產(chǎn)生的可能性 8-15。 圖1-1 FSW焊接原理示意圖攪拌摩擦焊接頭區(qū)域分布 攪拌摩擦焊過(guò)程中采用合適的焊接工藝參數(shù)，可以獲得質(zhì)量?jī)?yōu)良的攪拌摩擦焊縫。焊接后接頭形成4種不同的區(qū)域16

6、：焊核區(qū)(weld nugget)，熱機(jī)影響區(qū) (thermomechanically affected zone簡(jiǎn) 稱 TMAZ)，熱影響區(qū)(heat-affected zone簡(jiǎn)稱HAZ)和軸肩影響區(qū)(shou1der-affected zone簡(jiǎn)稱 SAZ)，如圖1-2所示。根據(jù)攪拌摩擦焊中焊縫兩側(cè)材料受力的不同，還可以將焊縫兩側(cè)分為前進(jìn)邊和返回邊。前進(jìn)邊(advancing side簡(jiǎn)彌為AS)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與攪拌頭前進(jìn)方向一致的側(cè)面，回撤邊(retreating side簡(jiǎn)稱為 RS)為攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向與攪拌頭行進(jìn)方向相反的側(cè)面。 圖1-2 攪拌摩擦焊接頭各區(qū)域分布攪拌摩擦焊接頭的缺

7、陷特征及類型.1攪拌摩擦焊接頭的缺陷特征攪拌摩擦焊接時(shí)，由于工藝參數(shù)不合適或意外因素的影響，在焊接過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生焊接缺陷，已有的研究結(jié)果和應(yīng)用實(shí)踐表明，在攪拌摩擦焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷具有以下特征：（1）缺陷多位于焊縫區(qū)與母材連接界面區(qū);（2）缺陷取向復(fù)雜，缺陷取向隨著焊縫區(qū)與母材連接界面在攪拌過(guò)程中形成的流線生成和發(fā)展；（3）缺陷緊貼、細(xì)微，具有明顯的面積取向 17。針對(duì)以上攪拌摩擦焊縫中可能產(chǎn)生的缺陷和其特征，需要研究合理的無(wú)損檢測(cè)方法，解決焊縫區(qū)中的缺陷檢測(cè)問(wèn)題。.2攪拌摩擦焊接頭的缺陷類型 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)、高等院校對(duì)FSW工藝和接頭組織性能進(jìn)行了大量研究，從其研究結(jié)果來(lái)看，

8、攪拌摩擦焊接頭中出現(xiàn)的缺陷主要以下幾種18：（1）孔洞。由于焊接過(guò)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(dòng)不充分而導(dǎo)致在焊縫內(nèi)部材料未完全閉合的現(xiàn)象；（2）飛邊。通常由于壓力過(guò)大而導(dǎo)致較多的塑性材料從軸肩兩側(cè)擠出形成的缺陷；（3）未焊合。焊縫底部未形成連接或不完全連接的“裂紋狀”缺陷，在搭接或T形接頭中，易出現(xiàn)一種被稱之為殘余界面線的缺陷，它也屬于未焊合缺陷；（4）溝槽。攪拌頭在對(duì)接表面機(jī)械攪動(dòng)后未形成連接的一種嚴(yán)重缺陷；（5）其他缺陷。對(duì)接表面氧化膜在焊接過(guò)程中可能未被完全攪拌打碎，從而在焊縫中殘留并呈半連續(xù)狀分布，被稱為“S線”或 “Z線”。渦流電導(dǎo)率檢測(cè)法.1渦流電導(dǎo)率檢測(cè)法的

9、基本原理當(dāng)載有交變電流的檢測(cè)線圈靠近有缺陷的金屬構(gòu)件時(shí)，由于線圈磁場(chǎng)的作用，構(gòu)件中會(huì)感生出渦流，其大小、相位及流動(dòng)形式受到構(gòu)件性能(如存在電導(dǎo)率變化、裂紋)的影響；而交變的渦流又會(huì)產(chǎn)生反作用磁場(chǎng)，使得檢測(cè)線圈的阻抗和電流發(fā)生變化19。因此，測(cè)定線圈阻抗和電流的變化，就可得出構(gòu)件缺陷的存在情況。電導(dǎo)率由金屬中的自由電子在正離子晶格點(diǎn)陣中的運(yùn)動(dòng)狀況決定，其大小取決于金屬晶格點(diǎn)陣中散射電子的能力及散射源的密度20，21。電導(dǎo)率對(duì)材料連接的不連續(xù)很敏感，焊接熱過(guò)程造成的顯微組織變化對(duì)材料的電導(dǎo)率影響也很大。不同組織狀態(tài)對(duì)電子散射作用不同，特別是組織中的固溶體有序化后，晶體中的離子勢(shì)場(chǎng)呈對(duì)稱分布，電子散

10、射率會(huì)大為降低，電導(dǎo)率明顯上升7。材料連接的不連續(xù)和組織狀態(tài)與材料經(jīng)歷的焊接熱過(guò)程是密切相關(guān)的，因此可以通過(guò)對(duì)材料電導(dǎo)率的測(cè)量來(lái)分析材料焊接過(guò)程中存在的缺陷。.2渦流電導(dǎo)率檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)電導(dǎo)率是材料的重要物理性能之一，在其生產(chǎn)和研究中，經(jīng)常需要測(cè)試電導(dǎo)率。結(jié)合強(qiáng)度試驗(yàn)，可評(píng)估產(chǎn)品其它性能和熱處理狀態(tài)；結(jié)合硬度試驗(yàn)，可對(duì)批量產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。渦流測(cè)試方法是無(wú)損檢測(cè)鋁合金電導(dǎo)率的基本方法。渦流電導(dǎo)儀是無(wú)損檢測(cè)鋁合金板材電導(dǎo)率的常用儀器，操作簡(jiǎn)單，測(cè)試可靠，不需要特殊加工試樣，僅在試件的自然表面上找出一個(gè)能容下電導(dǎo)儀探頭的平面，探頭中心到邊緣的距離不小于探頭半徑的3倍就能直接測(cè)試出試樣的電導(dǎo)率22。因

11、此可知，渦流電導(dǎo)率檢測(cè)法通過(guò)電磁感應(yīng)的原理，將電導(dǎo)率數(shù)值化地表現(xiàn)出來(lái)，從而間接地判定材料是否存在焊接缺陷，具有操作方便、高效、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)材料不會(huì)造成任何損傷，所以在對(duì)攪拌摩擦焊焊接接頭的檢測(cè)中具有特殊的優(yōu)越性。.3渦流電導(dǎo)率測(cè)量的影響因素電導(dǎo)率渦流測(cè)量得主要影響因素有板材的厚度與寬度、材料或零件表面的覆蓋層以及表面形狀等。測(cè)量鋁合金電導(dǎo)率時(shí)，每個(gè)對(duì)應(yīng)的滲透頻率都對(duì)應(yīng)著一個(gè)有效滲透深度。對(duì)于鋁合金板材，當(dāng)厚度小于渦流的有效滲透深度時(shí)，受板材厚度的限制，渦流在板材中的分布不再遵循無(wú)窮大導(dǎo)電介質(zhì)中的分布規(guī)律，因此對(duì)檢測(cè)線圈的反作用磁場(chǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致渦流電導(dǎo)儀指示的電導(dǎo)率并不相同。同樣，當(dāng)檢測(cè)線圈

12、置于寬度小于線圈渦流場(chǎng)作用范圍的窄條材料或零件表面時(shí)，受邊緣效應(yīng)的影響，渦流場(chǎng)的分布也會(huì)發(fā)生畸變，出現(xiàn)儀器顯示值與真實(shí)電導(dǎo)率不符的情況23。攪拌摩擦焊無(wú)損檢測(cè)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 目前針對(duì)攪拌摩擦焊接頭中的缺陷具有緊貼微細(xì)的特點(diǎn)，通常采用X射線、和超聲無(wú)損檢測(cè)以及金相觀察等方法進(jìn)行檢測(cè)。劉松平等人17研究X射線和超聲檢測(cè)對(duì)FSW缺陷的檢測(cè)能力和可檢測(cè)性，并采取光學(xué)觀察對(duì)無(wú)損檢測(cè)結(jié)果和缺陷判別方法進(jìn)行了驗(yàn)證和對(duì)比分析。結(jié)果表明，高分辨率超聲發(fā)射法對(duì)攪拌摩擦焊接頭微細(xì)缺陷有較好的檢測(cè)能力，并研究了采用變?nèi)肷浣浅暦瓷浞ń鉀Q攪拌摩擦焊焊縫區(qū)不同取向缺陷的無(wú)損檢測(cè)。通過(guò)計(jì)算分析超聲波在焊縫區(qū)的聲波入射

13、角、缺陷取向和缺陷緊貼性對(duì)聲波發(fā)射影響，確定入射聲波的角度變化范圍，通過(guò)改變?nèi)肷浣谦@取入射聲波在缺陷處的最佳聲學(xué)發(fā)射方向，提高了入射聲波對(duì)不同取向缺陷的檢出能力。A.JLeonard等人24也采用了X射線、超聲無(wú)損檢測(cè)以及金相觀察的方法對(duì)FSW焊縫缺陷進(jìn)行檢測(cè)。王訓(xùn)宏等人25采用超聲C掃描成像方法得到了1060鋁合金的攪拌摩擦焊接頭界面掃描圖像，在焊接參數(shù)不合適時(shí)，發(fā)現(xiàn)在厚度方向越攪拌針底部區(qū)域，接頭的焊合率越低。近期在國(guó)外，一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始嘗試?yán)秒妼?dǎo)率的測(cè)量來(lái)對(duì)攪拌摩擦焊接頭質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。JENTEK Sensors公司26的開(kāi)發(fā)出了一種特殊形式的渦流陣列探頭MWM陣列探頭，利用該探頭可以

14、對(duì)焊縫近表面各點(diǎn)電導(dǎo)率進(jìn)行測(cè)量以形成焊縫表面電導(dǎo)率分布圖，并利用材料電導(dǎo)率與焊縫微觀組織的關(guān)系進(jìn)行焊縫缺陷探測(cè)及質(zhì)量評(píng)估。該探頭擁有一個(gè)螺旋的激勵(lì)線圈繞組，穿插于激勵(lì)繞組之間有多個(gè)用于檢測(cè)磁通量變化率的檢測(cè)元件。因?yàn)槲春竿溉毕輩^(qū)域近表面層的電導(dǎo)率變化同其冶金學(xué)特征有著緊密的聯(lián)系，Neil Goldfine等人利用MWM陣列探頭對(duì)鋁合金FSW焊縫背部的近表面電導(dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集，對(duì)焊縫根部近表面電導(dǎo)率分布圖進(jìn)行了分析，初步歸納了同種材料及異種材料FSW焊縫在質(zhì)量情況良好、有未焊透缺陷時(shí)的焊縫電導(dǎo)率分布特征，如圖1-3所示。 (a) (b) 圖1-3 焊縫橫截面方向的無(wú)缺陷的FSW焊縫近表面電導(dǎo)率

15、分布圖（a） 和含1.27mm厚未焊透缺陷的近表面電導(dǎo)率分布圖（b）在Neil Goldfine27的試驗(yàn)中，對(duì)于同種材料無(wú)缺陷FSW焊縫來(lái)說(shuō)焊縫根部近表面的電導(dǎo)率分布，在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)對(duì)應(yīng)的位置，即焊縫中間部位有著一個(gè)較寬的、電導(dǎo)率相對(duì)較低的且與DXZ在焊根寬度相當(dāng)?shù)膮^(qū)域，同時(shí)在偏離該區(qū)域中心還存在一個(gè)電導(dǎo)率的最小值，而在DXZ對(duì)應(yīng)的低電導(dǎo)區(qū)域的兩端會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱的電導(dǎo)率的峰值，這兩個(gè)峰值意味著DXZ組織向熱機(jī)影響區(qū)的過(guò)渡；對(duì)于同種材料FSW有未焊透缺陷的焊縫的電導(dǎo)率分布，其DXZ對(duì)應(yīng)的那個(gè)低電導(dǎo)率區(qū)域的寬度就會(huì)明顯的變小，如果此時(shí)還有平面型缺陷的出現(xiàn)的話，在焊縫中心位置就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)十分明顯的電導(dǎo)

16、率的陡降。無(wú)缺陷的異種鋁合金FSW焊根近表面電導(dǎo)率分布不像同種材料焊縫那樣具有對(duì)稱分布的特征，焊縫兩邊的母材的電導(dǎo)率總會(huì)有高低差別，在焊縫寬度范圍內(nèi)，電導(dǎo)率從高電導(dǎo)率材料一邊開(kāi)始較快的下降直至進(jìn)入電導(dǎo)率相對(duì)較低的DXZ區(qū)域范圍，在DXZ區(qū)域范圍的被其兩邊的兩個(gè)微小的電導(dǎo)率峰值所限制，這兩個(gè)微小的電導(dǎo)率尖峰意味著焊縫從TMZ過(guò)渡到了熱影響區(qū)；對(duì)于帶有平面型缺陷的焊縫，其電導(dǎo)率的下降過(guò)程變得十分陡急，并且伴隨著DXZ對(duì)應(yīng)的低電導(dǎo)率區(qū)域?qū)挾鹊臏p小。此外，將未焊透區(qū)域看作覆蓋在DXZ區(qū)域上的一層覆膜，在焊縫深度方向上，DXZ區(qū)域與未焊透區(qū)域的交界處會(huì)有電導(dǎo)率的改變。不同激勵(lì)頻率可以獲得不同深度電導(dǎo)率，

17、所以利用多頻覆膜層表征算法可以對(duì)近表面區(qū)域未焊透區(qū)域的深度進(jìn)行測(cè)量。此后，Neil Goldfine等人28與NASA及洛克希德馬丁公司合作，利用為他們?cè)O(shè)計(jì)的專用MWM陣列探頭及焊縫缺陷電導(dǎo)率分布特征對(duì)航天飛機(jī)外儲(chǔ)箱的FSW焊縫進(jìn)行了缺陷的檢測(cè)，收到良好的效果，尤其是對(duì)未焊透缺陷，MWM陣列探頭技術(shù)成為有效的探測(cè)工具。綜上所述，對(duì)于攪拌摩擦焊縫的無(wú)損檢測(cè)目前缺乏統(tǒng)一的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，其檢測(cè)方法的選用尚處于探索階段。由于電導(dǎo)在測(cè)量設(shè)備和操作上的極大便利，如果能夠探索出焊縫缺陷對(duì)焊縫近表面電導(dǎo)率分布的影響，對(duì)于使用電導(dǎo)率檢測(cè)在攪拌摩擦焊縫質(zhì)量的評(píng)估具有重要的意義。課題研究?jī)?nèi)容本課題主要研究攪拌摩擦焊背面

18、未焊透引起的焊縫電導(dǎo)率分布的變化。試驗(yàn)使用用渦流電導(dǎo)儀測(cè)量攪拌摩擦焊焊接接頭的電導(dǎo)率，結(jié)合金相分析，找出焊縫組織與電導(dǎo)率的關(guān)系，測(cè)量FSW焊接缺陷的形貌特征對(duì)渦流法檢測(cè)電導(dǎo)率的影響，并得出攪拌摩擦焊近表面未焊透特征與渦流電導(dǎo)率分布的規(guī)律。2 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法2.1試驗(yàn)條件 試驗(yàn)選用LY12鋁合金為試驗(yàn)材料，化學(xué)成分符合GB3190-82得標(biāo)準(zhǔn)要求，其成分組成如表2-1所示。制備同種材料未焊透試樣的鋁合金板材尺寸為300 mm×70mm×6mm，材料熱處理狀態(tài)為CZ態(tài)；制備異種狀態(tài)未焊透試樣的板材尺寸為300 mm×70mm×6mm，材料狀態(tài)熱處理狀態(tài)分

19、別為M態(tài)和CZ態(tài)；制備不同方位的未焊透試樣的板材尺寸為300 mm×70mm×4mm，材料熱處理狀態(tài)為CZ態(tài)。不同熱處理狀態(tài)LY12鋁合金的電導(dǎo)率如表3-2所示。 表2-1 試驗(yàn)使用LY12鋁合金化學(xué)成分化學(xué)元素 Cu Mg Mn Si Fe 含量（w/%） 3.84.9 1.21.8 0.30.9 0.5 0.5 表2-2 不同狀態(tài)的LY12鋁合金的電導(dǎo)率及硬度狀態(tài) 電導(dǎo)率%IACS 電導(dǎo)率MS/m 洛氏硬度HRB M 46.551.5 27.029.9 - CZ 28.533.5 16.519.4 6382 CS 36.040.0 20.923.2 7686 試驗(yàn)采用的

20、攪拌摩擦焊機(jī)由 X53K 型立式銑床改裝。此焊機(jī)的焊接速度可在 23.51180mm/min 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度可在 37.51500r/min 范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，攪拌頭的傾斜角度可任意調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過(guò)程中，用夾具將試板固定在焊機(jī)的工作臺(tái)上，攪拌頭只做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件隨著工作臺(tái)的橫向或縱向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行焊接。由于在攪拌摩擦焊過(guò)程中，攪拌頭對(duì)工件有強(qiáng)烈的攪拌擠壓作用，因此對(duì)工件的裝夾要求較高，墊板表面必須平整，且具有較高的剛度；壓板上相鄰的螺栓緊固點(diǎn)距離不能太大，以免在安裝夾緊時(shí)不能壓緊試樣。在焊接過(guò)程中，攪拌針的形狀、攪拌頭傾斜角、軸肩下壓量直接影響到接頭的成型質(zhì)量。電導(dǎo)率測(cè)量所用設(shè)備為Hocking

21、NDT公司生產(chǎn)的Autosigma 3000DL電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，滲透頻率60KHz，檢測(cè)探頭根據(jù)檢測(cè)面為平面選用耦合性很高的平探頭，直徑12.7mm。根據(jù)計(jì)算可以得出其渦流滲透深度為=0.5mm,有效影響深度取h=2.6為1.3mm。2.2試驗(yàn)方法檢測(cè)試樣的制備 攪拌摩擦焊接試樣時(shí)選用正螺紋型的3mm長(zhǎng)攪拌針的攪拌頭進(jìn)行攪拌摩擦焊接試驗(yàn)，攪拌頭的傾斜角度為2°，攪拌頭轉(zhuǎn)速為750n/min,焊接速度為60mm/min,焊接時(shí)軸肩后端面下壓量控制在0.1mm。選用同種狀態(tài)LY12鋁合金板攪拌摩擦焊進(jìn)行對(duì)接，制備背面具有未焊透試樣，將焊縫背面沿長(zhǎng)度方向分成若干等寬度用銑床銑成階梯面，用以制

22、備不同未焊透深度焊縫試樣，如圖2-1所示。選用同種狀態(tài)LY12鋁合金板作為材料，將對(duì)接面銑成斜面，制備兩條條背面具有未焊透的斜焊縫試樣，斜面對(duì)接角度a分別為：30o,60o，如圖2-2所示。將焊好的試樣打磨保持表面光滑。選用異種狀態(tài)LY12鋁合金板作為材料，進(jìn)行異種材料的攪拌摩擦焊對(duì)接，制備一條背面具有未焊透的檢測(cè)試樣。圖2-1 不同未焊透深度試樣 圖2-2 不同未焊透缺陷方位試樣 電導(dǎo)率的測(cè)量對(duì)每塊試樣沿著其焊縫的橫向及縱向每隔一定距離做標(biāo)記，用渦流電導(dǎo)儀測(cè)量各標(biāo)記點(diǎn)的電導(dǎo)率，并記錄最后的電導(dǎo)率測(cè)量值，如圖2-3所示。根據(jù)所測(cè)得的電導(dǎo)率測(cè)量值，繪制出每種試樣的電導(dǎo)率分布圖。 圖2-3 標(biāo)記測(cè)

23、量焊縫電導(dǎo)率示意圖焊縫金相制備與顯微觀察 在試驗(yàn)所用焊縫區(qū)取樣，對(duì)所取試樣進(jìn)行鑲嵌、拋光處理，用Keller試劑（化學(xué)成分見(jiàn)表2-3）腐蝕約60S，在光學(xué)顯微鏡下觀察組織，并拍攝宏觀以及微觀組織圖，用以分析組織不同對(duì)電導(dǎo)率的影響。表2-3 Keller試劑化學(xué)成分試劑名稱H2OHNO3HClHF含量/ml95.02.51.51.03實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 CZ態(tài)LY12對(duì)接焊縫的電導(dǎo)率分布圖3-1是CZ態(tài)LY12鋁合金攪拌摩擦焊對(duì)接接頭無(wú)缺陷處，焊縫橫向的電導(dǎo)率分布。由圖可看出，在焊縫中心附近存在一個(gè)較寬的、電導(dǎo)率相對(duì)較低的區(qū)域，距離焊縫兩邊延伸，低電壓區(qū)的兩端就會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)率的峰值，且相對(duì)與焊縫

24、中心近似對(duì)稱分布，繼續(xù)遠(yuǎn)離焊縫中心，兩側(cè)電導(dǎo)率從峰值下降至母材電導(dǎo)率。 圖3-1 CZ態(tài)LY12鋁合金無(wú)缺陷處焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布焊縫組織變化對(duì)電導(dǎo)率分布的影響采用錐形帶螺紋攪拌摩擦焊接LY12鋁合金的接頭微觀組織如圖3-2所示。從圖中可以看出，接頭各區(qū)域組織與母材存在較大的差異。焊核區(qū)位于接頭的中心，該區(qū)由于受到攪拌針的強(qiáng)烈攪拌作用，經(jīng)歷了較高溫度的熱循環(huán)，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由母材原始的板條狀組織(圖3-2（d）)轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的再結(jié)晶組織（圖3-2（a）。影響焊核區(qū)電導(dǎo)率的主要有兩個(gè)因素，一方面焊核區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程消除了形變?cè)斐傻狞c(diǎn)陣畸變和晶體缺陷，從而降低了自由電子的散射率，使電導(dǎo)率

25、上升；另一方面，熱循環(huán)和強(qiáng)烈的攪拌作用轉(zhuǎn)化形成的等軸細(xì)小晶粒，使得晶界數(shù)量顯著增多，對(duì)自由電子產(chǎn)生了一定阻礙作用，降低了電導(dǎo)率。因此，由于兩種因素的共同影響，焊核區(qū)電導(dǎo)率呈現(xiàn)出高于母材區(qū)又略低于兩側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)。 熱機(jī)影響區(qū)的組織在焊接過(guò)程中同時(shí)經(jīng)受攪拌針的機(jī)械攪拌和焊接熱循環(huán)的雙重作用，但是由于位置上，熱機(jī)影響區(qū)距離攪拌針較遠(yuǎn)，受到攪拌針作用遠(yuǎn)小于焊核區(qū)組織。因此，這部分材料發(fā)生了較大程度的彎曲變形，并且局部區(qū)域在熱循環(huán)的作用下發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，在板條狀組織內(nèi)形成了回復(fù)組織，見(jiàn)圖3-2（b）。熱機(jī)影響區(qū)位于焊核區(qū)兩側(cè)，從組織圖可以看出，該區(qū)域較強(qiáng)的焊接熱作用使得鋁合金大部分可溶性成分從固溶體中析

26、出，固溶體完成有序化，對(duì)自由電子的散射率顯著降低，電導(dǎo)率上升。局部區(qū)域的回復(fù)也降低了點(diǎn)缺陷濃度，也導(dǎo)致了電導(dǎo)率的上升。彎曲變形帶來(lái)的一些位錯(cuò)對(duì)電子的阻礙作用很小，所以對(duì)電導(dǎo)率影響并不大。綜合上述因素，熱機(jī)影響區(qū)在整個(gè)焊縫接頭區(qū)表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率。熱影響區(qū)組織在焊接過(guò)程中僅僅受到熱循環(huán)作用，該區(qū)組織沒(méi)有發(fā)生形變，其經(jīng)受的焊接熱作用也比焊核區(qū)弱，僅僅發(fā)生回復(fù)反應(yīng)，相對(duì)于母材，該區(qū)組織稍微有粗化現(xiàn)象，見(jiàn)圖3-2（c）。較大區(qū)域的回復(fù)反應(yīng)，顯著的降低了熱影響區(qū)的點(diǎn)缺陷濃度，并且略為粗大的晶粒也在一定程度上降低了散射率，從而提高了電導(dǎo)率。沿著遠(yuǎn)離焊縫中心區(qū)，熱影響也越來(lái)越弱，電導(dǎo)率也會(huì)逐漸降低。 (a)

27、 焊核 (b)熱機(jī)影響區(qū) (c)熱影響區(qū) (d )母材 圖3-2 攪拌摩擦焊接頭各組織區(qū)域微觀形貌 通過(guò)無(wú)缺陷處焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布以及結(jié)合組織對(duì)電導(dǎo)率分布的影響，可知焊縫中心的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)對(duì)應(yīng)著焊縫中心的低電導(dǎo)率區(qū)域，動(dòng)態(tài)結(jié)晶區(qū)兩側(cè)的微小峰值意味著動(dòng)態(tài)結(jié)晶區(qū)向著熱機(jī)影響區(qū)的過(guò)渡，兩側(cè)較為遠(yuǎn)離焊縫的電導(dǎo)率一直降低的區(qū)域?qū)?yīng)著熱影響區(qū)。圖3-3及圖3-4 分別是CZ態(tài)LY12攪拌摩擦焊1.54mm未焊透和2.19mm未焊透焊縫試樣的焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布。在焊縫中心區(qū)同樣存在一個(gè)低電導(dǎo)率區(qū)域，低電導(dǎo)率區(qū)兩側(cè)也會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)率的最高值。但與CZ態(tài)無(wú)缺陷處的焊縫電導(dǎo)率分布相比，有未焊透的焊縫的中心

28、會(huì)出現(xiàn)焊縫區(qū)電導(dǎo)率的最低值，從焊縫電導(dǎo)率峰值到焊縫中心電導(dǎo)率會(huì)出現(xiàn)急劇陡降，并且焊縫中心的低電導(dǎo)率區(qū)寬度會(huì)有著明顯的變小。從兩種不同深度的未焊透試樣的電導(dǎo)率分布對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)未焊透深度越深，焊縫中心的電導(dǎo)率會(huì)越低。圖3-3 CZ態(tài)LY12鋁合金1.54mm未焊透焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布圖3-4 CZ態(tài)LY12鋁合金2.19mm未焊透焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布未焊透焊縫電導(dǎo)率分布與無(wú)缺陷處的分布差異 在具有未焊透焊縫的電導(dǎo)率測(cè)量時(shí)，渦流的有效滲透區(qū)域并非焊核區(qū)，而主要是位于焊核區(qū)下方的未焊透區(qū)，其微觀組織行貌如圖3-5所示。該未焊透區(qū)域材料在焊接過(guò)程中受攪拌針的攪拌以及焊接熱循環(huán)的雙重作用，區(qū)域組

29、織變化近似于熱機(jī)影響區(qū)，因而表現(xiàn)出很高的電導(dǎo)率，但是由于焊縫中心材料連接不連續(xù)，嚴(yán)重的阻礙了自由電子的通過(guò)，使得焊縫中心區(qū)出現(xiàn)一個(gè)電導(dǎo)率的最低值，并且也帶來(lái)了焊縫中心區(qū)附近電導(dǎo)率的陡降。所以未焊透焊縫的焊縫中心的低電導(dǎo)區(qū)總比無(wú)缺陷焊縫的寬度要窄，電導(dǎo)率由峰值到低電導(dǎo)區(qū)的下降幅度更大。 圖3-5 未焊透區(qū)域附近的微觀組織形貌 厚度對(duì)電導(dǎo)率的影響 LY12鋁合金板材不同厚度的電導(dǎo)率值測(cè)量結(jié)果如表3-1所示。由表3-1可知，在該試驗(yàn)厚度范圍內(nèi)，厚度對(duì)于電導(dǎo)率幾乎不產(chǎn)生影響，消除了厚度引起電導(dǎo)率變化給試驗(yàn)帶來(lái)的影響因素。表3-1 LY12鋁合金不同厚度板材電導(dǎo)率值板材厚度（mm） 3.0 3.5 4.

30、0 4.5 5.0 5.5 電導(dǎo)率（MS/m） 17.1 17.1 17.1 17.0 16.9 16.9 表中數(shù)據(jù)為對(duì)應(yīng)厚度下電導(dǎo)率的平均值未焊透深度對(duì)電導(dǎo)率的影響圖3-6和圖3-7分別是CZ態(tài)LY12鋁合金攪拌摩擦焊縫1.54mm未焊透和2.19mm未焊透的接頭宏觀形貌。對(duì)于CZ態(tài)LY12鋁合金不同深度的未焊透焊縫，其接頭電導(dǎo)率分布也比較相似，只是在焊縫中心區(qū)最低電導(dǎo)率值有所不同。表3-2是不同深度未焊透接頭的焊縫中心的電導(dǎo)率對(duì)比，同樣可以看出，未焊透越深，焊縫中心電導(dǎo)率越低。這主要是由于更深的未焊透對(duì)自由電子運(yùn)動(dòng)的阻礙區(qū)域更大，因而對(duì)自由電子的阻礙作用也更強(qiáng)，而使得其呈現(xiàn)出更低的電導(dǎo)率值

31、。 表3-2 不同未焊透深度焊縫中心的電導(dǎo)率對(duì)比未焊透深度（mm) 各測(cè)量點(diǎn)的電導(dǎo)率（MS/m） 電導(dǎo)率平均值（MS/m） 1.54 17.2 16.2 16.0 16.5 16.3 16.7 2.19 14.5 14.2 13.8 13.5 14.1 14.0 圖3-6 1.54mm深度未焊透焊接接頭宏觀形貌 圖3-7 2.19mm深度未焊透焊接接頭的宏觀形貌3.2 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對(duì)接焊縫的電導(dǎo)率分布圖3-8是CZ態(tài)與M態(tài)LY12對(duì)接焊縫未焊透處的焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布。這種異種狀態(tài)LY12焊縫的電導(dǎo)率分布并不像同種狀態(tài)材料焊縫那樣呈對(duì)稱分布的特征，兩邊的母材及其它組織區(qū)域都存在電導(dǎo)

32、率的高低差異。在M態(tài)的焊縫一側(cè)，焊縫從低電導(dǎo)率區(qū)上升到最高電導(dǎo)率值后，就幾乎不發(fā)生電導(dǎo)率的變化。而在CZ一側(cè)焊縫呈現(xiàn)出與同種材料對(duì)接焊縫電導(dǎo)率分布有著相同的變化。 圖3-8 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對(duì)接2.2mm未焊透焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布LY12鋁合金在完全退火狀態(tài)下（M態(tài)），合金中存在粗大而分散的強(qiáng)化相及無(wú)畸變的再結(jié)晶組織時(shí)，電導(dǎo)率處在最高值。而在淬火及自然時(shí)效處理（CZ態(tài)）時(shí)，基體中過(guò)飽和的固溶體發(fā)生沉淀強(qiáng)化效應(yīng)，電導(dǎo)率達(dá)到最低值。 圖3-9為CZ態(tài)與M態(tài)LY12鋁合金對(duì)接焊縫焊核區(qū)下部的未焊透區(qū)域組織的微觀形貌。從圖中可以看出，左側(cè)的M態(tài)固容體已經(jīng)完成了有序化，右側(cè)的CZ態(tài)一些強(qiáng)化相溶入

33、了固溶體，引起基體的一些點(diǎn)陣畸變。對(duì)于M態(tài)材料其本身就存在較少的點(diǎn)缺陷，在熱機(jī)影響區(qū)、熱影響區(qū)及未焊透區(qū)的一些回復(fù)作用，也能降低點(diǎn)缺陷濃度。因此，在M態(tài)一側(cè)電導(dǎo)率值在一定區(qū)域內(nèi)幾乎不發(fā)生變化，從高電導(dǎo)區(qū)到焊縫中心未焊透處會(huì)發(fā)生電導(dǎo)率的陡降。由于CZ一側(cè)組織變化與同種CZ材料對(duì)接焊縫相似，其電導(dǎo)率分布規(guī)律也與同種CZ材料對(duì)接焊縫相似。 圖3-9 CZ態(tài)與M態(tài)LY12對(duì)接焊縫未焊透區(qū)域組織微觀形貌3.3 CZ態(tài)LY12斜面對(duì)接焊縫的電導(dǎo)率分布 圖3-10和3-11分別是CZ態(tài)LY12不同對(duì)接面角度=30o及=60o時(shí)焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布。與直角對(duì)接未焊透焊縫電導(dǎo)率分布相比，不同對(duì)接角度的焊縫電

34、導(dǎo)率在焊縫中心兩側(cè)的分布也呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布。低電導(dǎo)率大部分位于具有未焊透的一側(cè)，并且在未焊透處存在一個(gè)電導(dǎo)率的最低值。在焊縫的另一側(cè)，電導(dǎo)率的分布與有未焊透的直角對(duì)接焊縫電導(dǎo)率分布相似。圖3-12及圖3-13分別是對(duì)應(yīng)的對(duì)接角度的未焊透焊縫宏觀形貌圖，由圖可以看出未焊透所在的位置及角度。圖3-10 CZ態(tài)LY12對(duì)接角=30o焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布 圖3-11 CZ態(tài)LY12對(duì)接角=60o焊縫橫截面方向電導(dǎo)率分布 圖3-12 對(duì)接角=30o時(shí)未焊透焊縫的宏觀形貌 圖3-13 對(duì)接角=60o時(shí)未焊透焊縫的宏觀形貌 從圖3-14和圖3-15兩種對(duì)接角度下的未焊透的焊縫未焊透區(qū)的微觀組織可以看出，

35、該焊縫與直角對(duì)接的未焊透焊縫有著相似的組織分布。由于在未焊透一側(cè)，材料連接不連續(xù)，對(duì)自由電子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了嚴(yán)重阻礙作用，導(dǎo)致了電導(dǎo)率的降低。在焊縫的未焊透處，影響自由電子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域在體積上達(dá)到最大值，從而使得在該處會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)率的最低值。受著不對(duì)稱的未焊透影響，不同方位未焊透焊縫的電導(dǎo)率分布就呈現(xiàn)出不對(duì)稱的分布，其低電導(dǎo)率區(qū)就會(huì)偏向受未焊透影響較大的區(qū)域。因此，在不同方位的未焊透焊縫的電導(dǎo)率最低值不是出現(xiàn)在焊縫中心，而是在表面未焊透處。 通過(guò)對(duì)對(duì)接角為=30o及=60o兩種不同對(duì)接角焊縫電導(dǎo)率分布的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)兩種焊縫電導(dǎo)率分布比較相似，但焊縫中心和未焊透處其電導(dǎo)率值都存在較大的差異。通過(guò)圖3-

36、14和圖3-15兩種不同方位未焊透焊縫的未焊透區(qū)域組織微觀形貌圖，可以看出兩種焊縫在該區(qū)域的組織有著一致性，而該未焊透區(qū)域正是影響渦流滲透的主要區(qū)域，因而可以得出導(dǎo)致這兩種焊縫電導(dǎo)率分布不同的主要因素是兩種焊縫未焊透方位的不同。在相同的未焊透深度下，不同對(duì)接角度使得阻礙自由電子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域也存在較大的差異。在表面未焊透處，對(duì)接面對(duì)接角度越小，同種未焊透深度下阻礙電子運(yùn)動(dòng)的區(qū)域越大，因而其在該未焊透處的電導(dǎo)率也會(huì)越低。 圖3-14 對(duì)接角度=30o未焊透焊縫的未焊透區(qū)域組織微觀形貌 圖3-15 對(duì)接角度=60o未焊透焊縫的未焊透區(qū)域組織微觀形貌4結(jié)論通過(guò)測(cè)量LY12鋁合金不同試樣的焊縫電導(dǎo)率值，繪

37、制焊縫電導(dǎo)率分布圖，結(jié)合金相觀察和組織分析，得到以下幾個(gè)結(jié)論：（1）在CZ態(tài)LY12不同未焊透深度焊縫無(wú)缺陷處，焊核的動(dòng)態(tài)結(jié)晶區(qū)對(duì)應(yīng)位置即焊縫中心附近有著一個(gè)相對(duì)較寬、電導(dǎo)率較低的與動(dòng)態(tài)結(jié)晶區(qū)寬度相當(dāng)?shù)膮^(qū)域。在低電導(dǎo)區(qū)的兩端會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱的電導(dǎo)率微小峰值，這兩個(gè)峰值意味著動(dòng)態(tài)結(jié)晶區(qū)向熱機(jī)影響區(qū)的過(guò)渡。沿著焊縫中心區(qū)向焊縫兩側(cè)延伸，材料電導(dǎo)率在熱機(jī)影響區(qū)達(dá)到最高值，而在熱影響區(qū)范圍內(nèi)電導(dǎo)率逐漸下降，直到降低達(dá)到母材的電導(dǎo)率值。對(duì)于有未焊透缺陷的焊縫，焊縫中心附近的低電導(dǎo)區(qū)域的寬度會(huì)有著明顯的變小，從峰值到焊縫中心會(huì)出現(xiàn)電導(dǎo)率的陡降。并且未焊透的深度越深，焊縫中心電導(dǎo)率的最低值越低。（2）CZ態(tài)與M態(tài)

38、LY12對(duì)接的未焊透焊縫的電導(dǎo)率分布并不像CZ態(tài)對(duì)接焊縫那樣焊縫兩側(cè)電導(dǎo)率呈對(duì)稱分布的特征，這類焊縫位于焊縫中心兩側(cè)的母材和其它組織區(qū)域都存在電導(dǎo)率的高低差異。在焊縫的M態(tài)一側(cè)電導(dǎo)率會(huì)較快的下降直到進(jìn)入低電導(dǎo)區(qū)域，在焊縫的CZ態(tài)一側(cè)呈現(xiàn)出與CZ態(tài)材料對(duì)接焊縫相同的變化規(guī)律。（3）CZ態(tài)LY12斜面對(duì)接未焊透焊縫與一般的直角對(duì)接未焊透焊縫電導(dǎo)率分布相比，其電導(dǎo)率在焊縫中心兩側(cè)的分布也呈現(xiàn)出不對(duì)稱分布，其焊縫的最低值出現(xiàn)在表面未焊處。焊縫的低電導(dǎo)率區(qū)在具有未焊透的一側(cè)分布寬度較大，焊縫另一側(cè)的電導(dǎo)率與一般直角對(duì)接未焊透焊縫有著相似的分布。并且對(duì)接斜面的對(duì)接角越小，焊縫電導(dǎo)率最低值越低。參考文獻(xiàn)1

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