2014-T6鋁合金攪拌摩擦焊接工藝及塑性體流動(dòng)研究.pdf

1、2014-T6鋁合金是航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種有色金屬材料，采用傳統(tǒng)熔焊技術(shù)焊接容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，以下簡(jiǎn)稱FSW）是英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，與熔化焊相比，具有許多顯著的優(yōu)點(diǎn)。采用FSW技術(shù)焊接鋁合金，研究攪拌頭和焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭微觀組織、力學(xué)性能及焊接過(guò)程焊縫金屬塑性體流動(dòng)的影響，對(duì)于揭示攪拌摩擦焊接頭形成機(jī)理和開(kāi)發(fā)FSW工藝具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用

2、價(jià)值。
　　成功地焊接了8mm厚2014-T6鋁合金。對(duì)接頭進(jìn)行微觀組織分析表明，接頭橫截面存在4個(gè)典型分區(qū)：焊核區(qū)和軸肩擠壓區(qū)發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，形成了細(xì)小的等軸晶組織；熱機(jī)影響區(qū)在攪拌針機(jī)械擠壓和熱循環(huán)的雙重作用下發(fā)生了較大程度的變形；熱影響區(qū)僅受熱循環(huán)的作用，組織有粗化現(xiàn)象。當(dāng)焊接速度100mm/min，旋轉(zhuǎn)速度400rpm時(shí)，接頭最高抗拉強(qiáng)度可達(dá)360MPa，約為母材的78％。將接頭分為上中下三層，每層的力學(xué)性能不同，當(dāng)接頭

3、存在缺陷時(shí)，拉伸強(qiáng)度受缺陷的影響而急劇下降，無(wú)缺陷時(shí)，上層強(qiáng)度最高，中間層強(qiáng)度最低，其強(qiáng)度差異可以達(dá)到50MPa左右。接頭不同部位的強(qiáng)度和斷裂位置與微觀組織變化和顯微硬度分布有關(guān)。
　　設(shè)計(jì)了不同形狀及尺寸的攪拌頭，在相同的焊接參數(shù)下，研究了攪拌頭形狀和尺寸對(duì)焊縫外形、接頭微觀組織及接頭力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：攪拌頭是FSW技術(shù)的關(guān)鍵，對(duì)焊縫的微觀組織和力學(xué)性能具有重要影響。對(duì)于中等厚度的2014-T6鋁合金板材，采用圓錐螺

4、紋攪拌針+內(nèi)凹錐面軸肩的攪拌頭是一種合理的選擇，攪拌針直徑與板材厚度之比約為1:1，軸肩直徑與攪拌針直徑之比約為3:1～4:1時(shí)，得到性能良好的接頭。
　　采用“標(biāo)記嵌入技術(shù)”實(shí)現(xiàn)了FSW過(guò)程中塑性材料流動(dòng)的可視化，分析了攪拌頭形狀和焊接工藝參數(shù)對(duì)材料流動(dòng)的影響。結(jié)果表明：焊縫金屬材料流動(dòng)相對(duì)于焊縫中心線是非對(duì)稱的，在前進(jìn)邊一側(cè)，既有材料向前流動(dòng)也有材料向后流動(dòng)；在回撤邊一側(cè)，材料只發(fā)生向后運(yùn)動(dòng)。采用三維圖像重建技術(shù)對(duì)得到的試驗(yàn)數(shù)

5、據(jù)進(jìn)行分析表明，在焊縫中存在一個(gè)垂直方向上的塑性體流動(dòng)，前進(jìn)邊的金屬向下運(yùn)動(dòng)，回撤邊的金屬向上運(yùn)動(dòng)，兩者的相互運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)循環(huán)。攪拌頭形狀直接影響 FSW過(guò)程中材料的流動(dòng)。當(dāng)采用圓柱和圓錐攪拌針焊接時(shí)，材料在垂直方向上的流動(dòng)不明顯，且存在一個(gè)“空白”。當(dāng)采用圓錐螺紋攪拌針進(jìn)行焊接時(shí)，“空白”消失，材料在焊縫垂直方向上有一個(gè)比較明顯的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。焊接工藝參數(shù)對(duì)FSW過(guò)程中材料流動(dòng)也具有重要影響，減小WP（Weld Pitch，攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周

6、所前進(jìn)的位移），會(huì)使材料在垂直方向上的混合加劇。
　　基于流體力學(xué)理論，建立了FSW焊縫金屬塑性體流動(dòng)的三維數(shù)學(xué)模型。模擬結(jié)果表明，前進(jìn)邊和回撤邊的材料均從回撤邊繞過(guò)攪拌針而流動(dòng)；前進(jìn)邊中下部材料向下運(yùn)動(dòng)，回撤邊材料向上運(yùn)動(dòng)。模擬結(jié)果與上述“標(biāo)記嵌入技術(shù)”可視化試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。對(duì)模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在一定的焊接工藝參數(shù)下，攪拌針周圍粘度隨著與攪拌針距離的增大而增大。在0η（4×105kg·m-1·s-1）粘度等值線附近，材料粘度發(fā)

7、生突變，攪拌針與0η等值線之間的區(qū)域?qū)?yīng)于實(shí)際接頭的焊核區(qū)。該區(qū)域外圍，存在一個(gè)材料粘度劇烈變化的1η粘度帶，在很窄的區(qū)域內(nèi)粘度值迅速增大一倍(1～2×107kg·m-1·s-1)。
　　η等值線與1η粘度帶之間的區(qū)域?qū)?yīng)于接頭的TMAZ區(qū)。這種劃分方法與實(shí)際接頭中的焊核區(qū)和TMAZ區(qū)形狀相一致。0模擬了不同形狀攪拌頭的塑性流動(dòng)，結(jié)果表明，攪拌頭形狀影響模擬結(jié)果中的速度場(chǎng)分布。采用圓柱和圓錐攪拌針時(shí)，在焊縫底部易流動(dòng)區(qū)附近，材料易

8、產(chǎn)生分離運(yùn)動(dòng)，這種材料的分離運(yùn)動(dòng)容易造成孔洞缺陷，實(shí)際焊接中也在相應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)了孔洞缺陷。平軸肩模型中，軸肩下方易流動(dòng)區(qū)附近也發(fā)現(xiàn)了材料的分離運(yùn)動(dòng)。
　　研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)塑性材料流動(dòng)的影響。旋轉(zhuǎn)速度對(duì)0η易流動(dòng)區(qū)和1η變形區(qū)都有影響，而焊接速度主要影響1η變形區(qū)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度減小時(shí)，η易流動(dòng)區(qū)內(nèi)材料運(yùn)動(dòng)不均勻，流動(dòng)性差，1η粘度帶變窄且向攪拌針靠近，同時(shí)攪拌針受力增大；增大焊接速度或減小旋轉(zhuǎn)速度時(shí)，焊縫中部和底部1η變形區(qū)減小，攪