不旋轉(zhuǎn)軸肩焊接系統(tǒng)工藝的研究

不旋轉(zhuǎn)軸肩焊接系統(tǒng)工藝的研究

0熱輸入的影響作為一種固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊接具有焊接溫度低、剩余壓力小、變形小、焊接質(zhì)量高的優(yōu)點。它可以取代傳統(tǒng)的焊接技術(shù)，連接不同的鋁和鎂材料，避免傳統(tǒng)的焊接過程中的孔、大顆粒、熱裂紋和金屬化合物等缺陷。在鋁鎂異種材料FSW中,導(dǎo)致鋁鎂焊接工藝窗口狹窄的主要原因是焊接接頭對焊接熱輸入敏感性較高.在過低的熱輸入下,材料流變阻力增大,攪拌針無法驅(qū)動焊核區(qū)(nuggetzone,NZ)塑性材料流動,引發(fā)攪拌針斷裂或接頭難以成形;過高的熱輸入易導(dǎo)致NZ材料軟化嚴重且材料流變阻力降低,使NZ材料從軸肩兩側(cè)溢出形成飛邊缺陷,引起材料外流,使接頭減薄量增加,誘發(fā)孔洞及隧道缺陷的出現(xiàn);此外,高熱輸入極易導(dǎo)致鋁鎂界面生成大量的金屬間化合物,惡化接頭力學(xué)性能.劉震磊等人工藝參數(shù)和攪拌頭是影響熱輸入的主要因素.但由于鋁鎂異種材料物理和化學(xué)屬性的差異較大,導(dǎo)致焊接工藝窗口極小對于工藝窗口較窄的鋁鎂異種材料FSW,文中嘗試采用不旋轉(zhuǎn)軸肩進行6061-T6和AZ31B合金的連接,并對比分析了傳統(tǒng)和不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭成形、顯微組織和力學(xué)性能等差異.1軸肩、攪拌針頂部直徑的選擇采用3mm厚6061-T6鋁合金和AZ31B鎂合金作為研究對象,其尺寸為300mm×100mm×3mm.外部不旋轉(zhuǎn)軸肩外徑和內(nèi)徑分別為14和11mm.內(nèi)部旋轉(zhuǎn)攪拌頭的軸肩、攪拌針根部和頂部直徑分別為10,5和3mm;攪拌針長度為2.8mm.攪拌頭下壓量為0.1mm且傾角為2.5°.攪拌頭轉(zhuǎn)速和焊接速度分別為1000r/min和60mm/min.焊接過程中,鎂合金和鋁合金分別置于焊縫的前進側(cè)(advancingside,AS)和后退側(cè)(retreatingside,RS),增強RS鋁合金材料向AS流動,促進焊縫成形.攪拌針偏鎂合金0.3mm.采用電火花線切割機沿垂直于焊接方向制備金相及力學(xué)性能試樣.采用Keller試劑和苦味酸分別進行鋁合金和鎂合金側(cè)金相腐蝕2試驗結(jié)果與分析2.1接頭宏觀形貌圖1為傳統(tǒng)和不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭表面成形.可見,傳統(tǒng)工藝下接頭表面出現(xiàn)大尺寸飛邊缺陷,而不旋轉(zhuǎn)軸肩有效地抑制了飛邊缺陷的產(chǎn)生,如圖1a,b所示.內(nèi)部旋轉(zhuǎn)攪拌頭在不旋轉(zhuǎn)軸肩的包圍下形成一個封閉的腔室,可抑制高溫下的塑性材料從內(nèi)部旋轉(zhuǎn)軸肩兩側(cè)溢出;同時,外部的不旋轉(zhuǎn)軸肩會對焊縫表面起到“抹”的作用,亦有利于減小甚至消除飛邊缺陷.圖2為兩種工藝下接頭宏觀形貌.由于不旋轉(zhuǎn)軸肩有效地抑制飛邊缺陷的形成,減少塑性材料的流失,因此不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭無明顯的厚度減薄現(xiàn)象,有利于增加接頭承載并延緩裂紋擴展.此外,兩種工藝下接頭均無隧道或孔洞等缺陷.NZ主要以鋁鎂層疊交錯的條帶狀組織為主要特征,且均出現(xiàn)典型的洋蔥環(huán)形貌.這主要是由于焊接過程中,隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)和前進,攪拌針周圍不斷地形成塑性金屬的軟化層在攪拌針后方堆積所造成.事實上,洋蔥環(huán)形貌的形成可增強兩種材料機械咬合效果,促進鋁鎂異種材料的冶金結(jié)合,有利于提高接頭的力學(xué)性能.不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭NZ鋁鎂疊層組織所占體積遠大于傳統(tǒng)工藝,表明不旋轉(zhuǎn)軸肩的引入可促進NZ材料流動,增強鋁鎂異種材料的混合程度和冶金結(jié)合效果.觀察兩種工藝下接頭AS和RS鋁鎂界面冶金結(jié)合長度,不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下AS和RS界面冶金結(jié)合長度均大于傳統(tǒng)工藝,這源于良好的材料流動行為.Firouzdor等人圖3為兩種工藝下接頭AS鋁鎂連接界面形貌.可見,兩種工藝下接頭連接界面均形成了白色條帶狀組織.EDX分析結(jié)果表明白色條帶狀組織為鋁鎂金屬間化合物.不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下白色條帶狀組織寬度小于傳統(tǒng)工藝.Mofid等人2.2鋁鎂異種及異體表面硬度的分布圖4為兩種工藝下接頭橫截面顯微硬度分布,呈不均勻分布.對鋁鎂異種FSW接頭,NZ內(nèi)顯微硬度分布與強化相分布、大小、種類以及硬脆性金屬間化合物的種類、分布和大小密切相關(guān)2.3接頭拉伸性能圖5為兩種工藝下接頭拉伸性能.不旋轉(zhuǎn)軸肩的引入極大地提高了鋁鎂異種接頭的拉伸性能.當(dāng)焊接速度、轉(zhuǎn)速和偏移量(鎂側(cè))分別為60mm/min、1000r/min和0.3mm時,不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭最大抗拉強度和斷后伸長率分別為137MPa和1.6%,分別比傳統(tǒng)工藝提高了28%和35%.首先,不旋轉(zhuǎn)軸肩阻止塑性材料溢出焊縫表面,減少了飛邊并使其流入接頭內(nèi)部,得到厚度減薄且無缺陷接頭,有利于提高接頭的承載能力.其次,焊縫內(nèi)部金屬被包圍在封閉的空腔,有利于攪拌頭攪拌和混合Al/Mg兩種材料,促進兩種材料的混合程度和增加鋁鎂冶金結(jié)合界面長度,提高機械咬合能力.在前面的研究中,還提到靜止軸肩對焊縫表面具有冷卻的作用,可減小金屬間化合物厚度,延緩裂紋的擴展.以上綜合作用促使不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭拉伸性能提高.傳統(tǒng)工藝和不旋轉(zhuǎn)軸肩工藝下接頭拉伸斷裂位置如圖6所示.接頭斷裂位置均位于焊縫AS靠近熱力影響區(qū)位置,該位置主要由連續(xù)的金屬間化合物層組成.雖然在焊縫RS鋁鎂連接界面亦生成金屬間化合物層,但通過組織觀察可見,AS鋁鎂連接界面長度遠小于RS,導(dǎo)致承載能力較低且不利于延緩裂紋擴展,從而導(dǎo)致接頭韌性較差.這與Zhao等人3不旋轉(zhuǎn)軸肩聚合反應(yīng)原理(1)不旋轉(zhuǎn)軸肩的引入可阻止塑性材料溢出焊縫,改善鋁鎂異種材料FSW接頭表面成形,抑制飛邊缺陷且焊縫厚度減薄量顯著減少,有利于得到厚度減薄和飛邊小的鋁鎂焊接接頭.(2)不旋轉(zhuǎn)軸肩具有“熱沉”作用,降低金屬間化合物厚度協(xié)同其誘導(dǎo)的劇烈材料流動,促進兩種材料混合程度和增加連接界面長度,提高咬合效果.