分享：超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊鋁合金板的焊接變形和殘余應(yīng)力
周 洋１,戴智鑫１,方可偉２,薛俊榮１
(１．江蘇科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 ２１２００３;２．蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 ２１５００４)
摘 要:采用１００００r??min－１以上的超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊設(shè)備,對(duì)１００mm×８０mm×１mm 的
２０１４鋁合金板進(jìn)行了對(duì)接焊.利用水霧冷卻的方法控制鋁合金板的變形,得到了表面成型良好且
變形較小的焊件,并對(duì)焊件的焊接變形和殘余應(yīng)力進(jìn)行了測(cè)定和分析.結(jié)果表明:該２０１４鋁合金
板的焊縫無減薄,橫向最小撓度為０．２５mm,縱向最小撓度為０．３mm;焊縫處的殘余應(yīng)力很低,縱
向殘余應(yīng)力峰值區(qū)間為－４３~－８３MPa.
關(guān)鍵詞:超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊;鋁合金板;焊接變形;殘余應(yīng)力
中圖分類號(hào):TG４０４ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０４８２Ｇ０５
WeldingDeformationandResidualStressofAluminumAlloySheets
WeldedbyFrictionStirWeldingatSuperHighRotationSpeed
ZHOUYang
１,DAIZhixin１,FANGKewei２,XUEJunrong
１
(１．SchoolofMaterialScienceandEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang２１２００３,China;
２．SuzhouNuclearResearchInstitute,Suzhou２１５００４,China)
Abstract:The１００mm×８０mm×１mm２０１４aluminumalloysheetswerebuttweldedbythefrictionstirwelding
equipmentatsuperhighrotationspeedofover１００００r??min－１Thedeformationofaluminumalloysheetswascontrolled
bythewatermistcoolingmethod,andtheweldmentswithgoodappearanceandsmalldeformationwereobtained．TheweldingdeformationandtheresidualstressoftheweldmentsweremeasuredandanalyzedTheresultsshowthat:therewas
nothinningofweldingseamofthe２０１４aluminumalloysheet;theminimumtransversaldeflectionwas０．２５mm,andthe
minimumlongitudinaldeflectionwas０．３mm;theresidualstressoftheweldingseam wasverylow,andthepeakvalue
intervaloflongitudinalresidualstresswasfrom －４３MPato－８３MPa．
Keywords:frictionstirweldingatsuperhighrotationspeed;aluminumalloysheet;weldingdeformation;residualstress
２０１４鋁合金具有良好的力學(xué)性能、熱強(qiáng)性和耐腐蝕性,是廣泛應(yīng)用于航空、航天等諸多領(lǐng)域的高強(qiáng)鋁合金[１Ｇ２].但２０１４鋁合金的可焊性差,利用傳統(tǒng)的熔化焊方法如熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG 焊)、
非熔化極惰性氣體鎢極保護(hù)焊(TIG 焊)等進(jìn)行焊接時(shí),容易產(chǎn)生熱裂紋,焊后殘余應(yīng)力大,而且對(duì)于較薄的試件,焊后會(huì)產(chǎn)生很大的變形,嚴(yán)重影響其使用性能[３Ｇ４].因此,研究新的方法來實(shí)現(xiàn)２０１４鋁合金的焊接尤為重要.
攪拌摩擦焊接是一種新型的固相連接方法,不會(huì)產(chǎn)生與金屬熔化相關(guān)的缺陷,無需填充料和保護(hù)氣[５].而且由于攪拌摩擦焊接的熱輸入量相對(duì)較低,焊件的變形會(huì)減小,殘余應(yīng)力也遠(yuǎn)低于熔化焊接件的[６Ｇ７].目前,中厚板攪拌摩擦焊技術(shù)已較為成熟,在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,而對(duì)于薄板攪拌摩擦焊,尤其是１mm 及以下的研究相對(duì)較少[８Ｇ９].針對(duì)薄板攪拌摩擦焊的特點(diǎn)及存在的問題,可采用轉(zhuǎn)速達(dá)到１００００r??min－１以上的超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊設(shè)備,用 高 壓 水 霧 冷 卻 的 方 式 來 控 制 焊 接 件 的 變形[１０Ｇ１１].超高轉(zhuǎn)速可以保證微型攪拌頭的熱輸入量和攪拌能力,高壓水冷可以控制流量,相較于浸入式水冷有一定優(yōu)勢(shì)[１２Ｇ１３].
筆者使用該方法對(duì)１mm 厚２０１４鋁合金板進(jìn)行了對(duì)接焊,對(duì)焊縫外觀和焊縫微觀組織形態(tài)進(jìn)行了觀察;測(cè)量了焊后工件的變形情況,與原始狀態(tài)進(jìn)行了對(duì)比;測(cè)試分析了焊接過程中的溫度和焊后殘余應(yīng)力,對(duì)解決鋁合金薄板在超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊中存在的問題具有實(shí)際意義.
１ 試樣制備與試驗(yàn)方法
１．１ 試樣制備
試驗(yàn)選用規(guī)格為１００mm×８０mm×１mm 的２０１４鋁合金板進(jìn)行對(duì)接焊,攪拌頭軸肩半徑６mm,
攪拌針為錐狀,長(zhǎng)度０．７５mm,錐底直徑１．５mm,錐頂直徑１．２mm,軸肩及攪拌針均為平表面.墊板采用的是熱處理過的４４０C不銹鋼.
１．２ 試驗(yàn)方法
試樣制備后使用現(xiàn)配的 Keller試劑進(jìn)行侵蝕,試劑成分為HF∶HCl∶HNO３∶H２O＝１∶１．５∶２．５∶９５
(體積比),侵蝕時(shí)間為５min,利用金相顯微鏡對(duì)焊縫處微觀組織進(jìn)行觀察.采用激光測(cè)距儀對(duì)板面進(jìn)行掃描,連續(xù)采集板面的坐標(biāo)以測(cè)試變形情況.采用精度較高且穩(wěn)定性相對(duì)較好的 WRNKＧ１９１K 型
鎧裝熱電偶測(cè)量焊接過程中的溫度,測(cè)得的溫度由DX２０４８型彩色無紙網(wǎng)絡(luò)記錄儀記錄.使用小孔法測(cè)定殘余應(yīng)力,主要設(shè)備有 CMLＧ１H 型應(yīng)變和力綜合測(cè)試儀、ZDLＧⅡ型鉆孔設(shè)備、A 型應(yīng)變片(應(yīng)變釋放系數(shù)０．９７).試驗(yàn)中使用高精度的應(yīng)變測(cè)量放大器,可以同時(shí)進(jìn)行多通道應(yīng)變測(cè)量.
２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論
２．１ 焊縫外觀與微觀組織
攪拌摩擦焊過程中,通過改變旋轉(zhuǎn)速率、焊接速率和下壓量進(jìn)行工藝試驗(yàn).經(jīng)過大量的對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在轉(zhuǎn)速達(dá)到１５０００r??min－１時(shí),超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊的 焊 接 過 程 平 穩(wěn),容 易 得 到 良 好 的 焊 縫.如圖１所示,在高壓產(chǎn)生的蒸餾水水霧冷卻的條件下,可以得到表面光滑、成型良好且變形很小的焊件.
從橫截面的宏觀形貌(圖２)可觀察到焊縫不存在根部缺陷和減薄現(xiàn)象,且焊縫內(nèi)部有清晰的流向線,流線致密,無疏松、孔洞等缺陷.從焊縫的微觀組織形貌(圖３)可以看出,焊核部分腐蝕較深,與熱機(jī)影響區(qū)有較明顯的分界.熱機(jī)影響區(qū)的晶粒受熱循環(huán)和機(jī)械攪拌的作用產(chǎn)生了變形,且后退側(cè)的晶粒變形比前進(jìn)側(cè)的明顯.熱影響區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)沒有明顯分界,由于水冷的作用,熱影響區(qū)受熱循環(huán)作用小,晶粒與母材的相似,為軋制后拉長(zhǎng)的狀態(tài)。
２．２ 焊接變形
在轉(zhuǎn) 速 為 １５０００r??min－１、焊 速 變 化 范 圍 為５０~１１mm??min－１ 條件下,通過上述方法測(cè)定在不同焊接工藝下薄板的變形,可以得到焊接完成之后工件表面橫向或縱向每一個(gè)點(diǎn)的變形,能夠準(zhǔn)確地觀察工件變形的情況.工件橫向(與焊縫垂直方向)的變形如圖４所示,工件縱向(與焊縫平行方向)的變形如圖５所示.
從圖４可以看出,２０１４鋁合金焊件的橫向變形呈對(duì)稱分布,隨著焊速的增大,變形減小.這是因?yàn)樵谄渌附訔l件保持不變的情況下,隨著焊速的不斷增大,熱輸入量減少,焊件變形隨之變小.當(dāng)轉(zhuǎn)速為１５０００r??min－１、焊速為５０~１１０mm??min－１時(shí),焊縫橫向的撓度為０．２５~１．５ mm,變形幅度較小.另外還可以看出,橫向坐標(biāo)８０mm 處左右兩側(cè)撓度無突變,這也說明在該組參數(shù)下,攪拌摩擦焊接焊縫的厚度與母材厚度基本保持不變,不存在減薄現(xiàn)象。
從圖５可以看出,隨著焊速的增大,２０１４鋁合金焊件的縱向變形也相應(yīng)減小.這是因?yàn)樵谄渌附訔l件保持不變的情況下,隨著焊速的不斷增大,熱輸 入 量 減 少,焊 件 變 形 隨 之 變 小. 當(dāng) 轉(zhuǎn) 速 為１５０００r??min－１、焊速為５０~１１０mm??min－１ 時(shí),焊縫縱向的撓度為０．３~１．５ mm,變形幅度很小.當(dāng)焊速為 ５０ mm??min－１ 時(shí),接近結(jié)束位置有突變現(xiàn)象,這是因?yàn)閿嚢枘Σ梁傅某卓姿幬恢脽彷斎肓窟^大,造成焊穿現(xiàn)象.通過焊件的橫向、縱向變形可以看出,在合適的水霧冷卻條件下配合相應(yīng)的攪拌。
摩擦焊工藝參數(shù),可以得到變形很小的焊件.
２．３ 焊接溫度
試驗(yàn)中分別測(cè)量２０１４鋁合金焊件正面前進(jìn)側(cè)(AS)與焊縫中心距離為 ５ mm 和 １０ mm 處的溫度,及 后 退 側(cè) (RS)與 焊 縫 中 心 距 離 為 ５ mm 和１０mm 處的溫度,測(cè)量結(jié)果如圖６所示。
由圖６可見:與焊縫中心之間的距離為１０mm處,前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)溫度變化基本趨于一致;與焊縫中心之間的距離為５mm 處,前進(jìn)側(cè)溫度高于后退側(cè)溫度.在實(shí)際的焊接過程中,前進(jìn)側(cè)的焊速方向與旋轉(zhuǎn)方向一致,而后退側(cè)的焊接方向與旋轉(zhuǎn)方向相反,從而使得溫度場(chǎng)分布不均勻,且由于轉(zhuǎn)速極高,前進(jìn) 側(cè) 溫 度 明 顯 高 于 后 退 側(cè) 的.實(shí) 際 測(cè) 量 的１０mm 處前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的溫度變化情況一致,這表明前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)溫度的不均勻分布有一定的距離限制,當(dāng)超過一定距離時(shí),前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的溫度變化情況基本一致。
２．４ 殘余應(yīng)力
２．４．１ 測(cè)試原理
２０１４鋁合金焊件內(nèi)部存在殘余應(yīng)力場(chǎng)和彈性應(yīng)變場(chǎng),在焊件待測(cè)位置貼上應(yīng)變片,如圖７所示.
由于焊縫較窄,在焊件橫向同一方向上,不能同時(shí)測(cè)試前進(jìn)側(cè)、后退側(cè)及熱影響區(qū)的應(yīng)力,所以要錯(cuò)開測(cè)試,試驗(yàn)測(cè)試５個(gè)點(diǎn),焊縫中心１個(gè),后退側(cè)２個(gè),前進(jìn)側(cè) ２ 個(gè). 選 擇 鉆 頭 在 應(yīng) 變 片 中 心 鉆 孔 (孔 徑２mm),該孔洞附近的應(yīng)力會(huì)得到釋放,小孔周圍會(huì)產(chǎn)生一定程度的應(yīng)變,此時(shí)應(yīng)變片會(huì)測(cè)得變化的應(yīng)變,通過應(yīng)變測(cè)量?jī)x將變化的應(yīng)變數(shù)值輸出。
通過試驗(yàn)可以測(cè)得３個(gè)主方向的應(yīng)變?chǔ)牛?ε２,ε３.依據(jù) GB/T３１３１０－２０１４«金屬材料 殘余應(yīng)力測(cè)定 鉆孔應(yīng)變法»,薄板通孔對(duì)應(yīng)各向同性應(yīng)力標(biāo)定常數(shù)a??＝０．１６,切應(yīng)力標(biāo)定常數(shù)b＝０．４７,利用式(１)計(jì)算出橫向應(yīng)力σx,利用式(２)計(jì)算出縱向應(yīng)力σy式中:E 為彈性模量,７３GPa;ν為泊松比,０．３３.
２．４．２ 測(cè)試結(jié)果與分析
選取一個(gè)２０１４鋁合金焊件作為測(cè)試對(duì)象,其使用 的 焊 接 參 數(shù) 為 轉(zhuǎn) 速 １５ ０００ r??min－１、焊 速１００mm??min－１,在 施 焊 過 程 中,在 攪 拌 頭 正 前 方５０mm處設(shè)置水霧噴頭,水霧流量為３．２L??min－１.根據(jù)式(１)~(２)計(jì)算出工件上測(cè)試點(diǎn)沿工件橫截面上的橫向應(yīng)力σx 和縱向應(yīng)力σy 分布圖,如圖８所示(圖中正值為拉壓力,負(fù)值為壓應(yīng)力).可以看出,測(cè)得的焊縫橫向應(yīng)力較小,對(duì)焊件變形結(jié)果的影響不大,主要考慮縱向應(yīng)力變化情況,測(cè)得的縱向應(yīng)力峰值區(qū)間為－４３~－８３MPa.
從殘余應(yīng)力的測(cè)試結(jié)果可以看出,軋制高強(qiáng)鋁合金薄板存在約４５ MPa的軋制壓應(yīng)力,攪拌摩擦焊后殘余應(yīng)力有減小的趨勢(shì),縱向殘余應(yīng)力基本高于橫向殘余應(yīng)力.縱向殘余應(yīng)力的極大值在焊縫中心處,８３MPa,為壓應(yīng)力.由于冷卻裝置的作用,薄板散熱能力強(qiáng),焊接過程中除了軸肩直接影響區(qū)域處于高溫狀態(tài),其余部分都處在較低溫度的快速冷卻狀態(tài).因此,軸肩在行進(jìn)過程中會(huì)對(duì)其周圍金屬擠壓,隨后快速冷卻,最大應(yīng)力出現(xiàn)在溫度梯度最大的焊縫中心區(qū)域,這與常規(guī)攪拌摩擦焊的規(guī)律有所不同,具體原因還需要更詳細(xì)的研究[１４Ｇ１６].而焊縫區(qū)域橫向殘余應(yīng)力的最大值在前進(jìn)側(cè),為壓應(yīng)力,這與溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果顯示的前進(jìn)側(cè)溫度較高也有一定關(guān)系.總體來說,超高轉(zhuǎn)速高壓水霧冷卻攪拌摩擦焊焊縫的橫向殘余應(yīng)力很低,而縱向的殘余應(yīng)力低于常規(guī)攪拌摩擦焊的。
３ 結(jié)論
(１)超高轉(zhuǎn)速加高壓水霧冷卻的攪拌摩擦焊方法可以用來對(duì)鋁合金薄板進(jìn)行對(duì)接焊,焊縫成型良好,焊縫無減薄現(xiàn)象。
(２)高壓水霧冷卻的方法可以將攪拌摩擦焊縫變形程度控制得很小,２０１４鋁合金焊件的橫向最小撓度為０．２５mm,縱向最小撓度為０．３mm,相同的水冷條件和轉(zhuǎn)速下,焊速的提高會(huì)減小焊件的變形。
(３)溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果顯示,２０１４鋁合金焊件焊縫區(qū)域的高溫停留時(shí)間很短,近焊縫處前進(jìn)側(cè)的溫度高于后退側(cè)的。
(４)超高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊焊縫的殘余應(yīng)力較低,２０１４鋁合金焊件縱向應(yīng)力峰值區(qū)間為－４３~－８３MPa,表現(xiàn) 為 壓 應(yīng) 力.由 于 水 冷 和 薄 板 等 因素,縱向應(yīng)力分布規(guī)律與常規(guī)攪拌摩擦焊的不同。
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