（材料加工工程专业论文）铝锂合金搅拌摩擦焊热循环和接头残余应力的研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘要 本文研究了搅拌头形貌、尺寸和焊接参数对焊接热循环历史的影响，以 及焊接参数对接头残余应力分布的影响。 采用多点测温仪器测量了焊件不同位置的热循环历史，证实了铝锂合金 搅拌摩擦焊过程中材料没有出现熔化现象。采用形貌和尺寸参数不同的搅拌 头进行了焊接试验，得到了搅拌头形貌和尺寸参数对焊接热循环的影响规 律。试验结果表明：搅拌头形貌对焊接热循环影响作用较大，锥形螺纹面搅 拌头获得的焊缝中心峰值温度最高；搅拌头尺寸参数中，轴肩对焊缝中心峰 值温度影响程度较大，而搅拌针对焊缝中心峰值温度的影响程度较小。另 外，还进行了不同焊接参数的焊接试验，获得焊接热循环温度曲线并确定了 焊接参数对焊接热循环的影响作用。试验结果表明：焊接参数中，搅拌头转 速对焊缝中，t 3 峰值温度影响程度最大，其次为焊接速度，搅拌头仰角对焊缝 中心峰值温度影响程度最小。 采用电阻应变法获得了不同焊接速度、不同转速以及不同搅拌头仰角条 件下焊件横向残余应力分布。试验结果表明：焊缝区存在较大的残余压应 力，焊缝两侧热影响区存在较高的残余拉应力。焊接参数对焊缝横向残余应 力分布存在很大影响。当焊接参数为焊速1 6 0 m m m i n 、转速8 0 0 r p m 、搅拌 头仰角5 。时，焊缝中心残余压应力约为2 6 4 m p a ，热影响区残余拉应力约 为3 6 3 m p a 。 关键词铝锂合金；搅拌摩擦焊；热循环；残余应力 ! ! 查堡三些查兰三耋罂圭耋堡丝兰 a b s tr a e t t h ee f f e c t so fs h a p e sa n ds i z ep a r a m e t e r so fw e l d i n gt o o l sa n dt h ew e l d i n g p a r a m e t e r so nt h ew e l d i n gt h e r m a lc y c l eh i s t o r i e s ，a n dt h ee f f e c t so fw e l d i n g p a r a m e t e r so n t h er e s i d u a ls t r e s so ft h ef r i c t i o ns t i rw e l d e d ( f s w ) j o i n t so fa l l i a l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d u s i n gs e v e r a ls p o t st e m p e r a t u r em e a s u r i n gs y s t e m ，t h et h e r m a lc y c l eh i s t o r i e s o fd i f f e r e n tp o s i t i o no fw o r k p i e c ew e r em e a s u r e d i ta p p r o v e dt h a tn om e l t i n g p h e n o m e n o no c c u rd u r i n ga 1 一l ia l l o yf s wp r o c e s s w e l d i n ge x p e r i m e n tw a s d o n eu s i n gd i f f e r e n t s h a p e s a n ds i z e p a r a m e t e r sw e l d i n gt o o l s ，e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h es h a p eo fw e l d i n gt o o lh a sas i g n i f i c a n te f f e c to nt h ep e a k t e m p e r a t u r eo f t h ew e l dz o n e ( w z ) t h em a x i m u mp e a kt e m p e r a t u r eo ft h ew z w a so b t a i n e dw h e nt h ec o n e t h r e a dp i nw a ss e l e c t e d i na d d i t i o n ，t h ew e l dt o o l s i z e s ，i n c l u d i n gt h es h o u l d e rd i a m e t e ra n dt h ep i nd i a m e t e r ，a l s oh a v ead r a m a t i c e f f e c to nt h ep e a kt e m p e r a t u r eo ft h ew z ，e s p e c i a l l yt h ef o r m e r t h ew e l d i n g p a r a m e t e r sh a v ea d i f f e r e n t e x t e n te f f e c to nt h ep e a k t e m p e r a t u r eo f t h ew z t h e r a n k i n gi sa sf o l l o w ：t h er o t a t i o ns p e e d ，t h ew e l d i n gs p e e da n dt h et o o lt i t l e u s i n gr e s i s t a n c es t r a i ng a u g e ，w e l dt r a n s v e r s er e s i d u a ls t r e s so nt h ed i f f e r e n t w e l d i n gp a r a m e t e r s ( s u c ha sw e l d i n gs p e e da n dr o t a t i n gs p e e da n d t o o lt i l ea n g l e ) w e r e g a i n e d t h e r e s i d u a ls t r e s s t e s t i n g r e s u l t si n d i c a t et h a tt h e w e l d i n g p a r a m e t e r sh a v e as i g n i f i c a n te f f e c to nt h et r a n s v e r s er e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n s i nt h ej o i n t s t h er e s i d u a ls t r e s si nt h ew zi sr e s i d u a lc o m p r e s s i o ns t r e s s ，b u ti n t h eh e a t a f f e c t e dz o n e f h a z ) i t i sr e s i d u a lt e n s i o n s t r e s s t h er e s i d u a l c o m p r e s s i o ns t r e s s i s2 6 4 m p a ，o b t a i n e da tw e l d i n gs p e e do f16 0r a m r a i n ， r o t a t i o ns p e e do f8 0 0 r p m a n dt o o lt i t l eo f5 0 ，t h ec o r r e s p o n d i n gr e s i d u a lt e n s i o n s t r e s si nt h eh a zi s3 6 3m p a k e y w o r d s ：a 1 一l ia l l o y ；f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ；t h e r m a lc y c l eh i s t o r i e s ；r e s i d u a l s t r e s s - i i - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 随着现代科学技术的进步，特别是航空航天工业有了突飞猛进的发展，人 们竞相寻找具有强度高、质量轻、耐腐蚀性强等特点的金属材料，以提高飞行 器的性能，降低其自重和费用，节约能源 i - 4 o 降低结构重量是发展重复使用 飞行器的关键技术之一。铝锂合金材料由于其具有低密度、高比强度和比刚 度、优良的低温性能、良好的耐腐蚀性能和超塑性等特点，而被日益广泛地应 用于飞行器主结构。采用铝锂合金代替常规铝合金可使结构重量减轻1 0 妒 1 5 ，刚度可提高1 5 - 2 0 5 - 7 a 目前国外铝锂合金己进入实际应用阶段，在航 空航天领域的应用正迅速扩大。据美国宇航局预测，到2 0 0 6 年在航空航天飞 行器结构中，铝锂台金将取代常规铝合金用量的6 5 一7 5 8 , 9 3 0 在国家8 6 3 计划支持下，本文对铝锂合金搅拌摩擦焊热循环和残余应力进 行了系统研究。通过本文的研究，获得的焊接热循环结果为解释接头组织形成 机理提供了理论依据，同时还可以从焊接残余应力角度对接头力学性能进行分 析，为优化铝锂合金搅拌摩擦焊工艺提供了理论基础。 1 2 搅拌摩擦焊原理及应用 1 2 1 拌摩擦焊原理及优点 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 主要是针对焊接性能差的 铝合金开发出的一种新型固相连接技术 1 0 - 1 3 , 是摩擦领域的最新创造，由英 国剑桥焊接研究所( t h ew e l d i n gi n s t i t u t e ，简称t w i ) 于1 9 9 1 年开发的专利技 术。搅拌摩擦焊技术的发明为轻金属材料的连接提供了新的方法和途径，焊接 原理如图1 1 所示。 堕查堡三些奎兰三兰堡圭兰堡鎏兰 图1 - 1 搅拌摩擦焊工艺示意图m 搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，它的好坏决定了搅拌摩擦焊能否扩大待 焊材料种类，能否提高待焊材料的板厚范围“”。搅拌头由轴肩( s h o u l d e r ) ，搅 拌针( p i n ) 两部分组成。轴肩通过轴向力与工件表面紧密接触，摩擦产生的热量 使焊缝金属保持塑性流体状态；搅拌针产生附加摩擦热，同时扩展焊缝两侧塑 性流体。搅拌头根据搅拌针的性状可分为锥形面搅拌头和柱形面搅拌头，根据 搅拌针是否带螺纹又可将搅拌头分为锥形螺纹面搅拌头、锥形光面搅拌头、柱 形螺纹面搅拌头和柱形光面搅拌头。图1 2 为焊接过程示意图。 图1 - 2 搅拌摩擦焊实际焊接过程示意图1 ” 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 焊接时，工件通过夹具夹紧，以防止对接面在焊接过程中错位。搅拌针旋 转缓慢扎入对接工件连接处，当搅拌针接触工件表面时，与工件表面快速摩擦 产热使接触点温度升高、硬度降低，搅拌针在轴向力作用下不断顶锻和挤压焊 缝两侧材料，直至轴肩紧密接触工件表面为止。当工件相对搅拌针运动时，在 搅拌针侧面和旋转方向上产生机械搅拌和顶锻作用下，搅拌针前表面将塑化层 金属移送到搅拌针后表面，塑性金属冷却后就形成了固态焊缝。 搅拌摩擦焊具有优质、高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点，已应用 于造船、航天航空、车辆等行业 1 6 , 1 7 3a 特别在薄板和中厚板焊接中具有其独特 的优势，具体表现为：生产成本低，不需焊丝、焊剂和保护气体，事先不必对 表面进行氧化膜处理，不需事先打底焊；接头性能好，可以得到晶粒细小、疲 劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的等强度接头，接头塑性降低很少甚至不降 低，焊后工件残余应力低等优点【l8 j ：没有气孔、裂纹：安全性好，焊接过程整 洁，不会产生诸如飞溅、辐射等有害物质1 9 。 采用f s w 焊缝出现缺陷的几率只有1 1 0 0 0 1 2 0 1 。焊前处理工作简单，只 要在焊前用溶剂擦去油污就可进行焊接，配装精度要求也无需常规焊接方法那 样严格，焊后只需用超声波探伤做周期性检查。接头力学性能试验表明，f s w 焊件接头往往较常规焊接方法接头在常温和深冷状态下的抗拉强度、疲劳强度 和冲击韧性等要提高3 0 5 0 p “。 采用f s w 进行异种材料的连接，由于在两种材料结合处具有扩散不规则 的交界面，有阻止裂纹产生的作用，特别是导电材料的过渡接头，有扩大交界 面减少电阻的作用，因此f s w 焊接导电的异种材料特别具有优势口2 1 。 1 2 2 搅拌摩擦焊的应用 目前，飞行器上大量采用高强铝合金，由于材料熔焊性差，在飞行器上不 得不采用点焊或铆接结构，大大降低了结构的性能重量比。英国焊接研究所开 发研究的搅拌摩擦焊工艺，为这类问题的解决提供了一个新思路。由于固相连 接具有能保持原合金的冶金性能、可焊接异种材料等的优点。搅拌摩擦焊连接 方法用于飞行器上的高强铝合金材料( 如硬铝、铝锂合金材料等) 的连接，可 大大提高产品的性能和制造水平 2 3 - 2 5 j 。 目前国内关于f s w 的研究处于起始阶段，而国外f s w 己成功应用于实际 生产中。t w i 、n a s a 、b o e i n g 、e s a b 等大型研究机构和企业都在进行与该工 艺相关的研究工作i 2 ”。英国焊接研究所申报了此项专利后，瑞典e s a b 公司 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 按许可证制造了专用设备s u p e r s t i r e 搅拌摩擦焊机，并已经实际应用。搅拌摩 擦焊技术一出现就得到航空界重视，美国著名的宇航公司争相购买了搅拌摩擦 焊的专利许可证，开发并应用搅拌摩擦焊技术。1 9 9 8 年美国波音公司和空间防 御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接航天航空各种铝合金容器，如：火 箭运载工具、液氧箱和燃料箱等，并成功用于低温下工作的铝合金薄壁压力容 器，完成了纵向和环向焊缝的焊接。波音公司同时还投入大量资金为这种新工 艺进行进一步开发和研究；麦道公司也把这种技术用于制造d e | t a 运载火箭的 推进剂贮箱【2 9 。图l 一3 为f s w 在航天航空领域燃料储罐的应用。 图1 - 3f s w 在航天航空燃料储罐的应用 2 9 1 英国焊接研究所以及美国爱迪生焊接研究所等单位进一步研究了用这种新 工艺进行铁类台金以及多种材料的焊接3 0 】。各项试验结果表明这种高质量低成 本的焊接新工艺具有美好发展前景。目前搅拌摩擦焊主要应用参见表卜1 。 表1 - 1 搅拌摩擦焊的应用领域 部门应用 航空、航天火箭结构、燃料箱及附件 铝加工生产大型挤压成形、缝焊管 汽车制造底盘( 汽车、卡车) 、大梁、车轮、油箱 金属结构 桥梁、海滨居住单元 饮料 啤酒桶 铁路 高速火车车辆 造船轻型、高速、节能船外壳、甲板及外部结构 压力容器液、气压力容器 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1 3 焊接热循环和残余应力国内外的研究现状 1 3 1 焊接热循环研究现状 目前，对于焊接热循环温度的测量主要采用以下方法：图像比色测温法、 c c d 非接触式测温法 3 t , 3 2 、热像仪测温法 3 3 , 3 4 、磁力测温法以及热电偶测温 法。搅拌摩擦焊过程中，由于搅拌头覆盖焊缝区，因此一般都采用热电偶测温 方法。 文献c 3 5 为测定搅拌摩擦焊接头温度分布，将试件分为薄板和中厚板。焊 接薄板( 厚度为3 m m ) 时测试点分布在板厚中心层( 即1 g m m ) 上，在焊缝前 进侧依次取点a 、b 和c ，在后退侧依次取d 、e 和f 共6 点，各点的位置分布 如图l 一4 所示。对于薄板的温度分布可以作为二维场，但对于中厚板则必须考 虑温度在厚度方向的变化，所以在焊接6 m 厚板材时，测试点位置分布如图卜 5 所示。 图1 4 薄板测试点分布f 3 6 】 a ) 距上表面2 m mb ) 距上表面4 m 图1 5 中厚板测试点分布1 3 6 】 为得到焊接过程中准确的测试点温度值，除了严格要求测试点的准确位置 外，还要做好对热电偶的绝缘保护措施。分别以各个测试点为中心，从平板下 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表面垂直地钻半径为l m 的盲孔至该点。测温时采用d r h 电容焊偶仪将镍铬 镍硅热电偶焊合在其中的4 个测试点上，然后用很细的塑料管穿过热电偶的一 极，再用耐高温的密封胶将盲孔填实，这样既能做到了良好的绝缘，又尽可能 地减小盲孔对真实温度场的破坏；最后将由瓷管套装起来的热电偶接到经过校 正的函数记录仪上，具体连接如图卜6 所示。 图1 - 6 热电偶的连接口7 】 焊接厚度3 m m 的l y l 2 板时，搅拌头轴肩直径为2 3 7 m m ，搅拌针直径为 8 m m 。当焊接参数为转速1 2 9 6 r p m 、焊速1 4 4 4 m m m j n 和功率2 7 5 2 w 时，检测到 的温度曲线如图1 - 7 所示。为了容易分辨各条曲线，将距离焊缝中心l o m m 和 4 m m 的测试点曲线分别向后推移了2 0 s 和4 0 s 。结果表明测试点随着搅拌头的 逐渐靠近而温度一直升高，到达峰值以后随着搅拌头的远离而温度下降；其问 没有明显的保温过程。 1 nl ，o n 2 5 0 图i 7 热循环温度曲线1 3 7 j 文献 3 8 研究了嵌热电偶的盲孔对温度场分布的影响。盲孔分布如图1 8 所示。试验中，采用旋转不移动的搅拌头扎入工件表面的方法来测试盲孔对温 度场的影响。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 - 8 钻孔对温度场的影响【3 8 】 研究结果表明：由于所钻的用于插热电偶的盲孔直径较小，且在插入热电 偶后向盲孔中填充了导热胶，距离搅拌针扎入点相同距离的测试点热电偶反映 的温度值基本相同。工件左下角虽然有较多盲孔，但与之对称的测试点的温度 与它们温度差异很小，因此可以认为，工件上所钻的盲孔对温度场的影响是可 以忽略的。 1 3 2 焊接残余应力研究现状 焊接残余应力直接影响焊接结构的承载能力。这方面的工作以前主要研究 薄板内的焊接残余应力，认为在薄板内，只有纵向和横向的残余应力，而厚度 方向温度大致均匀，焊接残余应力是一个常量，并且很小。但当焊接构件增加 到一定的厚度时，厚度方向的温度不再均匀，焊接残余应力也不再是一个常 量，并且还可能达到较高的数值，所以再作类似的假定显然是不合适的【39 1 。 搅拌摩擦焊过程中，搅拌头与工件摩擦产热使金属处于高温塑性状态，在 拘束条件下冷却后很容易产生焊接残余应力。与传统焊接过程中施加在夹具上 用于固定工件的约束力相比，搅拌摩擦焊中严格放置的夹具需要施加更大的约 束力来阻止焊接过程中工件与工作台的相对运动以及焊后工件的变形 4 0 , 4 1j 。约 束力可以阻止因焊核以及焊缝两侧热影响区冷却产生的收缩，但使焊缝和热影 响区产生残余应力。目前残余应力测试方法主要有电阻应变法、x 射线衍射 法、应力敏感法、中子法、超声波法、电磁法【4 5 】和云纹法等。 亚敏利用云纹干涉法和阶梯钻孔法测量搅拌摩擦焊接头的残余应力 4 “。试 验采用如图卜9 所示的云纹干涉和钻孔系统。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图1 9 云纹干涉和钻孔系统【4 7 】 该系统采用4 光束干涉光路，激光从h e - n e 激光器发出后由反射镜反射到 空间滤波器上，经滤波、扩散、准直后被球面镜后面的四个反射镜分别对称反 射到试件栅上，衍射后的1 级衍射光形成u x 和u y 场云纹条纹。试件固定在 一个具有旋转功能的刚性架子上，钻孔设备则放在三维调节架上，并由计算机 控制其转速和进刀量。每钻一步后，移去钻头，记录云纹干涉条纹。钻孔设备 与三维调节架之间的磁性卡槽可以保证钻孔位置的精确复位。通过对钻孔释放 的残余应力所引起的u x 场位移条纹图进行分析，获得了搅拌摩擦焊试件纵向 残余应力ox 沿垂直焊缝方向和沿厚度方向的分布如图1 1 0 所示。 翻1 1 0 搅拌摩擦焊试件纵向残余应力ox 沿垂直焊缝方向和沿厚度方向的分布【4 7 】 毒摹窖#_昔苗l_iip一。蛊 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 从图中可以看出，残余拉应力在离开焊缝中心后先减小然后逐渐增大，在 热影响区达到最大值，最后在进入基体材料区域逐渐减小，随着与焊缝距离的 增大，残余应力将最终减4 , 3 00 ，然后改变方向成为残余压应力，以便与焊缝 区内残余拉应力保持平衡。在焊缝与热影响区之间存在一个残余应力低谷，此 处即为搅拌作用影响区。 g u n t e r t 提出了一个用机械伸长计测量焊接过程中残余应力的技术，该技 术比较简单而且很适合于实验室进行的研究 4 8 1 。在g u n t e r t 想法基础上，k o r l a 等人用打孔应力释放方法完成了对f s w 焊缝残余应力的测量和分析。实验中采 用了y c y 型应力标准尺装置，焊前给定一个应力标准尺的长度o 。两个直径为 0 2 m m 的孔是为了测量应力释放前后应力标准尺长度的变化。z ，是焊后测得标 准尺长度。f ：是在平行于焊缝线切缝后标准尺的长度，切缝如图1 一1 1 所示。 图1 - 1 1 切缝示意图 在切缝应力释放方法中，测量出切片0 1 的待实验物发生的弹性应变就可 以测量出残余应力。下一步就是计算应变的变化s ，即： f ：! d ：丝 z l 于是，根据胡克定律： 仃= e s 因此就可以得到残余应力值盯，f 是钢性系数，或弹性模量或材料的杨氏 模量。 啥尔演工业大学工学硕士学位论文 f 刚。b 姐 、k 7 、 、 甘避 挪m 由离蒜中心矗( d ” 。椰时 图1 1 2 搅拌摩擦焊缝纵向残余应力分布”5 图1 1 2 所示实验结果表明：搅拌摩擦焊缝纵向残余应力呈“m ”型分布。 焊缝内有较小的残余压应力；热影响区有较高的残余拉应力。焊缝两侧热影响 区残余应力并不关于焊缝中心对称分布，焊缝后退侧残余拉应力更大。 1 4 本课题主要研究内容 ( 1 ) 焊接热循环研究：不同转速条件下，搅拌头扎入速度和预热时间对 预热温度的影响；2 1 2 件不同位置焊接热循环的研究；搅拌头形貌和尺寸参数对 焊接热循环的影响；焊接参数( 焊速、转速和搅拌头仰角等) 对焊接热循环的 影响。 。 ( 2 ) 焊接残余应力研究：焊接速度对焊件残余应力的影响；搅拌头转速 对焊件残余应力的影响；搅拌头仰角对焊件残余应力的影响。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2 章试验材料、设备及方法 2 1 试验材料 试验材料为5 m m 厚铝锂合金轧制板，其化学成分和力学性能见表2 1 和 表2 2 所示。 表2 - 1 铝锂合金化学成分 元素 c ul i m ga g z r a 1 含量叭 3 9 7 1 0 70 4 30 4 2 0 1 5 余量 表2 - 2 铝锂合金力学性能 拉伸强度屈服强度弹性模量 断裂韧性 延伸率 材料 ( m p a )( m p a )e ( g p a ) k i c ( m p am ) ( ) 铝锂合金 5 6 05 0 07 62 26 2 2 试验设备 试验用搅拌摩擦焊设备为北京赛福斯特公司为哈尔滨工业大学研制的龙门 式数控搅拌摩擦焊机，型号为f s w - - 3 l m - 0 0 3 ，工作台规格为1 5 0 0 m m x 9 2 0 m m ， 如图2 - 1 。 图2 - 1 搅拌摩擦焊系统 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 搅拌摩擦焊系统的适应性如下： ( 1 ) 焊缝形式：直缝、环缝； ( 2 ) 工件厚度：3 - 2 0 r a m ( 平板、，3 - l o m m ( 筒体) ： ( 3 ) 工件尺寸：平板1 2 0 0 m m 1 0 0 0 m m ，筒体中1 0 0 0 m m 2 3 试验过程 焊前用钢丝刷轻微擦拭与轴肩接齄的母材表面以及结合面处，以去除表面 附带的杂质，然后用丙酮或乙醇等有机溶剂将接头位鼍附近油污清理干净。用 夹具将试件刚性固定在工作台后，进行焊接试验。试验中采用的焊接参数：搅 拌头转速变化范围3 0 0 1 2 0 0 r p m ，焊速变化范围2 0 2 0 0 m r r d m i n ，搅拌头仰角变 化范围0 5 0 。 2 4 焊接热循环测量 焊接热循环试验采用美国生产直径为o 2 r a m 镍铬镍铝热电偶。由于热电 偶表面未镀绝缘和绝热层，而试验所测的温度较高，必须将热电偶置于绝缘腊 管和绝热管中。出于焊缝中心温度在上表面无法测定，于是采用在焊件底部放 置蛰板，背面扎热电偶方法测量焊缝中心温度。垫板底面中心开槽以便热电偶 套管能顺利引出。用于测量焊接热循环的试件和垫板以及沟槽规格如下： 试板：2 5 0 m m 8 0 m m 5 m m 垫板：2 5 0 m m x1 4 0 r a m 5 m m 沟槽：2 5 0 m m 3 m m 2 m m 图2 - 2 多点测温仪 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 焊接热循环试验采用设各为多点高精度测温仪如图2 2 所示，它由亚当模 块和2 3 2 4 8 5 - - 4 5 2 6 模块构成。多点测温系统是一种高精度高分辨率的8 点 温度测量仪器，系统通过r s 一2 3 2 全双工通讯接口形成上下位机的形式，测量 精确度高，抗干扰性能好。能实时采集温度并给以显示及打印，已存盘的温度 数据文件可供各种所需处理。 测温仪技术指标如下所示： 测温范围：0 9 0 0 测温精度：1 采样周期：8 0 0 m s 工作环境：一1 0 + 5 0 通道数目：1 8 在试件表面钻直径0 8 m m 深度为1 5 m m 的盲孔，将热电偶插入其中，采 用细丝状被焊材料塞紧热电偶与盲孔的间隙。试验过程中保证热电偶不脱离工 件表面，并保持热电偶与试件的相对位置。焊缝中心的热电偶通过底部垫板镶 嵌于焊缝中心。通过对多点测温仪获得的温度数据进行处理，可获得试件上不 同测试点的焊接热循环。测试点分布如图2 3 所示。 后退侧6 焊缝 5钡0 试点 、 4 。 上 磊点起焊点 3 前进侧2 1 2 5 0 m 2 5 残余应力测量 图2 - 3 测试点分布 测量焊接残余应力的设备为分析测试中心7 v 0 8 多点电阻应变测试仪，同 哈尔滨 t 业大学工学硕士学位论文 时可以对2 0 0 点进行残余应力测量。采用应力释放法测量焊接残余应力，由于 焊缝与热影响区残余应力梯度较大，因此在不同位置选用尺寸不同的电阻应变 片：焊缝中心附近采用尺寸小、精度高的应变片；远离焊缝中心位置采用尺寸 较大、精度稍低的应变片。电阻应变片规格如表2 - 3 所示： 表2 - 3 电阻应变片 产品型号敏感栅尺寸( 长宽)基底尺寸( 长x 宽) b e l 2 0 0 3 a a ( + + 、 0 3 m m 1 r 8 m m2 7 m m 2 7 m m b e l 2 0 0 5 a a ( + + 、 0 5 m m x1 2 m m3 0 m m x2 6 m m b e ( b a ) i2 0 2 a a ( + 、 1 9 r a m 2 2 m m6 2 m m 3 4 m m b e ( b a ) 1 2 0 3 a a ( ”) 2 8 m mx2 0 m r n6 4 m m 3 ，5 m m 应力释放法是将残余应力场作为均匀场来计算，得到的只是应变片长度范 围内应变的平均值。为了减小试验误差，采用双排平行排列电阻应变片，其位 置分布如图2 - 4 所示。 o o 2 5 0 ，易粼+ ) “2b ，年m m x 3 5 m m 3 a 5 m m a ( , ”) 毡 羽 i 7 j 1 ；- l ， 】 。 】 -工 图2 - 4 电阻应变片分布图 由电阻应变仪上所得的读数( 即微应变e ) 可以计算并获得各点残余应力 值的大小，再对试件上各点残余应力值进行处理，可获得试件上残余应力的分 稚。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3 章铝锂合金搅拌摩擦焊热循环研究 搅拌摩擦焊接温度影响接头组织微观结构和致密性，进而影响接头力学性 能：高温有助于增强软化材料流动性，避免焊缝内出现孔洞缺陷；但温度过高 将导致接头微观组织粗化程度增大，弱化接头强度，因而焊接过程中必须控制 焊接温度。 本文深入研究了转速、扎入速度和预热时间对焊件预热温度的影响，以及 搅拌头形貌、尺寸和焊接参数( 如焊速、转速、搅拌头仰角等) 对焊接热循环 的影响。 3 1 转速、扎入速度和预热时间对预热温度的影响 3 1 1 转速和扎入速度对预热温度的影响 实验中，测试点位于工件中央，距离搅拌针扎入点1 0 玎1 f r 【处。试验中采用 锥形螺纹面搅拌头，其尺寸参数和试验参数如表3 - l 所示。不同转速和不同扎 入速度获得的预热温度曲线如图3 1 所示。 表3 - i 搅拌头尺寸参数和试验参数 轴肩直径针直径转速仰角巾扎入速度u 。预热时 d s ( m m )d p ( m m ) ( r a m ) ( 。)( m m m i n ) 间q s ) 1 3 84 83 0 02o 5 52 1 3 84 85 0 020 5 - 52 1 3 84 87 0 020 5 5 2 1 3 84 88 0 02o 5 52 1 3 84 89 0 020 5 - 52 1 3 84 81 i 0 02o 5 5 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 a 1 转速3 0 0 r p m 转速7 0 0 r p m b 1 转速5 0 0 r p m d 1 转速8 0 0 r p m e ) 转速9 0 0 r p mf ) 转速1 l o o r p m 图3 - 1 不同转速和扎入速度获得的预热温度曲线 由图3 1 可见：在转速一定的情况下，随着扎入速度的增大，温度上升速 率增大，曲线高温停留时间缩短，即t 。( 2 0 0 为铝锂合金时效温度) 有显著降 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 低的趋势。 对于不同的转速，获得最高预热温度的扎入速度一般不相同，最高预热温 度一般在扎入速度较小的情况下获得，较大的扎入速度不易获得最高的预热温 度。其原因是：扎入速度较小，在搅拌针扎入过程中需要时间较长，输入的摩 擦热较多，能获得较高的预热温度：但如果扎入速度过小，产生的摩擦热散失 增加，获得的预热温度降低。因此太低的扎入速度不能获得最高预热温度，同 样太高的扎入速度也不可能获得最高的预热温度。 如图3 1 a ) 所示，转速为3 0 0 r p m ，扎入速度为0 5 m m m i n 预热温度曲线 形如反“h ”形状，温度上升阶段存在4 个上升速率明显不同的过程。而当转 速提高到1 1 0 0r p r o 时，如图3 1 f ) 所示，预热温度从搅拌针接触工件表面便迅 速上升，而当搅拌头轴肩接触工件表面时，温度上升速率进一步加大，并快速 上升至峰值温度，温度转变为2 个上升阶段，其温度上升速率差异不大。 由图3 - 1 还可见：扎入速度较小( 低于2 m m m i n ) 时，随着转速提高，预 热温度在高温停留时间有明显变长的趋势。这是因为转速增加，摩擦产热增 加，在相同的散失热量条件下，高转速工件体内储存的能量更多，使得高温停 留时间有延长的趋势，对工件的预热作用更加明显。不同转速条件下，获得的 预热温度曲线如图3 - 2 所示，图3 3 是转速对预热峰值温度的影响。 闰3 - 2 不同转速获得的预热温度曲线图3 - 3 转速对预热峰值温度的影响 由图3 2 可见：搅拌头扎入速度小于2 r n m m i n 时获得最高预热温度的几 率最大。由图3 - 3 可见：转速的变化对预热峰值温度影响作用较大。当转速低 于7 0 0 r p m 时，随着转速的提高，预热峰值温度也有显著地增大；而当转速超 过7 0 0 r p m 时，转速提高对预热峰值温度影响作用减弱；当转速超过1 1 0 0 r p m 时，预热峰值温度变化趋势较小。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 1 2 转速和预热时间对预热温度的影响 试验采用的锥形螺纹面搅拌头尺寸参数和试验参数如表3 - 2 所示。不同转 速预热时间对预热温度的影响曲线如图3 4 所示。 表3 2 搅拌头尺寸参数和试验参数 d s ( m m )d p ( m m )( i ) ( r p m )中( 。) ud ( m r n m i n ) 1 3 84 83 0 02l 1 3 84 85 0 021 1 3 84 87 0 021 1 3 84 89 0 021 1 3 84 81 1 0 021 a ) 转速3 0 0 r p m b 1 转速5 0 0 r p m 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 d ) 转速9 0 0 r p me ) 转速1 1 0 0 r p m 图3 - 4 不同转速，预热时间对预热温度的影响 由图3 4 可见：长时间预热对提高工件表面预热温度作用不明显，工件预 热峰值温度一般出现在搅拌头轴肩完全接触工件表面后较短的预热时间内( 一 般情况不超过预热时间的前1 0 秒) ；而且随着预热时间的延长，预热温度有明 显降低的趋势。转速不同，预热时间对预热温度的影响情况也不同；随着转速 的增大，预热温度曲线由光滑转变为曲折，且预热温度下降速率越来越大，当 预热温度降低到1 2 5 左右时，将长时间在其附近上下波动。 由图3 4 a ) 可见，随着预热时间的延长，预热温度缓慢下降，由波峰降低 到波谷：随着预热时间的继续延长，预热温度回升达到另一峰值温度然后又缓 慢降低，第二次获得的峰值温度较第一次获得的峰值温度低。据推测：转速为 3 0 0 r p m 的情况下，预热时间对预热温度的影响将出现周期性，周期可能变 长，即预热温度由峰值温度缓慢下降，然后回升到另一峰值温度，多次出现温 度回升的现象。每次达到的峰值温度都有较明显的降低，随着预热时间的无限 延长，获得的预热温度曲线将会变得平滑，波动现象将会越来越不明显。由图 3 2 b ) 可见：从宏观角度观察，预热温度曲线没有出现较大的周期性波动，曲 线较平缓的下降；但从微观角度观察，曲线出现了高频振动，采集的温度数据 可以证明这种高频振动现象。 由图3 4 c ) 、图3 4 d ) 和图3 4 e ) 可见，随着转速的提高，预热温度高温 停留时间有明显缩短的趋势，且预热温度曲线变得越来越粗糙；在温度下降过 程中，衄线无规则振动明显，振动频率较高，在较低的温度( 1 0 0 到1 5 0 之 间) 时出现振幅更大的无规则波动。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 3 2 工件不同位置热循环温度测量 由于测温仪最多仅能同时对8 点进行实时温度采集；为获得工件上不同位 置的焊接热循环，在相同初始条件下焊接四组工件以获得整块试件的热循环历 史。第一组工件测试点位于起焊端，定义为试件1 ；第二组工件测试点位于距 离起焊端6 7 m m 处，定义为试件2 ；第三组工件测试点位于距离起焊端1 3 4 r a m 处，定义为试件3 ：第四组工件测试点位于终焊端( 距离起焊端2 0 0 m m ) ，定 义为试件4 。测试点具体分布如图3 5 所示。 后遣侧6 焊缝 5 、测试点 4 一 尚 3 1 1 0 咂 哦 墼 前进侧2 。璐， l ， 2 5 0 m e i 图3 - 5 测试点分布图 搅拌头参数和焊接参数如表3 3 所示，热循环温度曲线如图3 6 所示。 表3 - 3 搅拌头尺寸参数和焊接参数 轴肩直径针直径焊速u转速c a )仰角巾扎入速度预热时 d 。( m m )d p ( m m )( m m m i n )( r p m ) ( 。) up ( m m m i n ) 间t d ( s ) 1 3 84 82 03 0 021 1 0 在搅拌针接触工件表面较短时间内，由于摩擦产热较少且低温工件散失热 量较多，故热循环温度上升不明显；当搅拌针大部分扎入工件表面时，摩擦产 热增加且预热后工件热量散失趋于稳定，从而热循环温度上升速率加快；而当 搅拌针完全扎入工件表面后，轴肩和搅拌针充分摩擦接触面，大量摩擦热使得 热循环温度迅速上升。 a ) 试件1 c 1 试件3 b ) 试件2 d ) 试件4 图3 - 6 工件不同位置焊接热循环温度曲线 由图3 - 6 可见：各组焊接热循环温度曲线变化趋势存在较大的差异。随着 测试点到起焊点距离的增大，在搅拌针扎入过程中温度上升速率降低，当搅拌 头经过测试点所在直线时，该直线上的测试点获得峰值温度。 由图3 6 a ) 可见：由于搅拌针扎入位置正好位于测试点所在直线，在搅拌 针扎入过程中，温度上升速率较大；焊缝中心( 测试点7 ) 温度上升速率较焊 缝两侧测试点明显大。这是由于焊缝中心热电偶正好位于搅拌针正下方，搅拌 针扎入过程中摩擦热集中在搅拌头周围较小范围内，故焊缝中心测试点较焊缝 两侧的测试点温度上升快。 由3 6 b ) 和图3 6 c ) 可见：由于试件2 的测试点距离起焊点更近，从而在 搅拌针扎入过程中热循环温度就有较明显的上升：而试件3 由于距离起焊点较 远，故在搅拌针扎入过程中热循环温度不明显上升。当搅拌头经过测试点所在 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 直线时，热循环温度上升至峰值；而当搅拌头轴肩离开测试点所在直线后，热 循环温度明显下降最后当焊接过程结束搅拌头离开工件表面后，热循环温度 下降速率在短时间内更进一步增大，最后趋于缓慢降低。 从3 6 d ) 可见：由于测试点位于焊缝终端，在搅拌针扎入工件表面过程 中，测试点温度无显著变化：当搅拌头开始行走后，温度迅速上升；当搅拌头 经过测试点所在直线时，熟循环温度上升至峰值：而当搅拌针离开工件表面 后，热循环温度迅速降低，且下降速率更大。到起焊点距离不同直线焊缝中心 温度曲线如图3 - 7 所示，距离对焊缝中心峰值温度的影响如图3 8 所示。 图3 7 焊缝中心温度曲线图3 。8 距离对焊缝中心峰值温度的影响 由图3 7 可见，不同位置焊缝中心温度曲线变化趋势大致相同，仅试件1 温度上升趋势略微不同。在试件1 焊接过程中，由于测试点位于起焊端，焊缝 中心测试点正好位于搅拌针正下方，当搅拌针扎入工件表面时，搅拌针下方测 试点距离热源最近，因此其温度上升速率较其它凡组曲线大，且不存在缓慢上 升过程。从试件2 和试件3 焊缝中心温度曲线可以看出：试件2 焊缝中心温度 上升速率较试件3 大，这由于试件2 测试点距离起焊蠛更近。试件4 焊接温度 曲线上升速率最小，当焊接过程进行一段时间后，焊接温度开始缓慢上升，当 搅拌头行走距测试点所在直线约5 0 m m 时，焊接温度迅速上升，同样当搅拌头 轴肩经过测试点所在直线时，焊接温度上升至峰值。同时试件4 温度曲线下降 速率最快。因测试点位于焊缝终端，当焊接过程结束后，搅拌头离开工件表面 后残留的搅拌针匙孔迅速释放工件余热，使得热循环温度线性下降。 由图3 8 可见：试件1 焊缝中心峰值温度最低，而其它3 组试件获得的焊 缝中心峰值温度较高。这是由于在对试侔1 进行焊接时，试件处于未预热状 态，部分摩擦热需要对工件局部进行预热，部分热量通过工件和夹具散失，从 而能达到的峰值温度较低：丽其它3 组试件测试点距离起焊端较远，搅拌头经 啥尔滨工业大学工学硕士学位论文 过测试点所在直线之前摩擦热完成了对搅拌头前方金属的预热，故焊缝中心能 达到的峰值温度较高。 图3 - 9 试件3 焊缝两侧对称点峰值温度对比 焊接热循环中焊缝两侧对称点峰值温度对比如图3 - 9 所示，由图可见：无 论在焊缝前进侧还是后退侧，测试点距离焊缝中心越远，热循环峰值温度越 低。从工件边缘到焊缝中心，温度上升趋势明显增大。同时从图中还可见：焊 缝两侧的对称测试点，前进侧测试点峰值温度略高于后退侧测试点峰值温度。 这是由于在焊缝的两侧，轴肩对前进侧和后退侧金属作用力不同，旋转轴扇剪 切前进侧金属，切削金属被搅拌头的搅拌作用带到后退侧；后退侧塑性金属温 度升高，与搅拌头轴肩的摩擦系数降低，使得搅拌头与后退侧金属摩擦产生的 热量减少，从而导致后退侧温度略低于前进侧温度。 3 3 搅拌头形貌和尺寸参数对焊接热循环的影响 3 _ 3 1 搅拌头形貌对热循环的影响 试验采用锥形螺纹面、锥形光面、柱形螺纹面和柱形光面四种搅拌头。搅 拌头参数和焊接参数如表3 4 所示。 表3 - 4 搅拌头参数和焊接参数 搅拌头形貌d 。( m m )d 口( m m )d ( m m m i n ) i ) ( r p m )中( 。)t p ( s ) 锥形螺纹面 2 254 03 0 021 0 锥形光面 2 254 03 0 02l o 柱形螺纹面2 2 54 03 0 021 0 柱形光面 2 254 03 0 02l o 堕垒堡三些查兰三堂堡圭兰堡丝三 四种形貌不同的搅拌头获得的焊接热循环温度曲线如图3 1 0 所示。 时间5 a 1 锥形螺纹面搅拌头 s 4 5 。 0 0 3 3 0 0 o u 2 5 0 埘2 0 0 1 5 0 0 0 5 0 0 5 0 0 4 5 d 4 d o 3 6 0 3 0 0 t 2 5 0 酱2 0 0 1 5 0 5 0 o b 1 锥形光面搅拌头 时m b m e l - 5 c ) 柱形螺纹面搅拌头d ) 柱形光面搅拌头 图3 1 0 不同形貌搅拌头获得的热循环温度曲线 由图可见：虽然搅拌头形貌不同，但它们获得的焊接热循环温度曲线的变 化趋势基本相同。由图3 - 1 0 a ) 和图3 - 1 0 b ) 可见，焊缝中心出现峰值温度的时间 较两侧出现峰值温度的时间早；而由图3 一1 0 c ) 和图3 一l o d ) 则可见焊缝中，z l , 峰 值温度与两侧峰值温度的出现时间基本一致。这是由于在焊接过程中搅拌头存 在一个较小的倾斜度，对于锥形面搅拌头来说，较小的倾斜度使得搅拌针尖较 早靠近焊缝中心的测试点；而对于柱