（材料加工工程专业论文）5052铝合金搅拌摩擦点焊工艺及组织性能研究.pdf

摘要 搅拌摩擦点焊是在 线性 搅拌摩擦焊基础上开发的一种新型固态连接技术 本文针对l m m 1 m m 厚5 0 5 2 h i1 2 铝合金板材 研究了搅拌摩擦点焊过程中工艺 参数对接头力学性能及组织的影响 通过对各种工艺条件下的点焊接头进行剪切 拉伸试验 剥离试验 硬度测试试验 显微组织观察和剪切拉伸试样断口扫描电 镜观察 详细分析讨论了不同工艺参数及焊接方法对点焊接头组织与性能的影 响 本次试验设计制备的搅拌工具是圆形凹面轴肩和带左旋螺纹搅拌头 采用该 搅拌工具对5 0 5 2 h i1 2 铝合金板材成功的实施了点焊连接 焊后的试样表面成型 美观 在点焊缝中心除了存在由于搅拌摩擦点焊工艺特点所形成的匙孔外 连接 焊缝处不存在宏观缺陷 剪切拉伸试验表明 在相当的试验条件下搅拌摩擦点焊的剪切载荷平均值均 明显高于电阻点焊 最大剪切载荷提高了7 2 搅拌工具转速对剪切拉伸载荷有 重要影响 当转速一定时 摩擦停留时间对剪切拉伸载荷的影响小 剥离载荷的 变化规律与剪切拉伸载荷的变化规律相似 硬度测试结果表明 搅拌摩擦点焊接头硬度分布近似呈w 形 热影响区处 的硬度值最低 在热机影响区和搅拌区 接头的硬度值较热影响区上升 但最大 值低于母材 搅拌摩擦点焊接头硬度分布与电阻点焊接头比较有明显差别 这是 由于电阻点焊缝微观组织明显与搅拌摩擦点焊缝不同所造成的 在电阻点焊缝中 由柱状晶粒组织和等轴晶粒组织组成的焊缝区的硬度低于母材的硬度 而等轴晶 粒组织的硬度低于柱状晶粒组织硬度 当工艺参数选择不当时 点焊接头可能出现飞边 钩状缺陷和弱连接缺陷 点焊界面的钩状缺陷与搅拌针的几何形状有关 还与焊接工艺参数有重要关系 弱连接缺陷是指点焊缝搭接界面处搅拌过渡区域中可能出现的一种焊接缺陷 弱 连接的典型特征是被连接材料间紧密接触 但并未形成有效的完全固相冶金结合 或连接界面处连接强度明显较低 它是搅拌摩擦点焊最严重的焊接缺陷 在本次试验研究范围内得到 搅拌摩擦点焊的最佳工艺参数是转速为 1 5 4 1 r p m 停留时间为5 s 时 此时接头的剪切拉伸载荷和剥离载荷均达到最大值 关键词 铝合金 搅拌摩擦点焊 搅拌工具 剪切拉伸载荷 钩状缺陷 弱连 接缺陷 a b s t r a c t f r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e do nt h eb a s i so ft h e l i n e a r t y p e f r i c t i o ns t i rw e l d i n g f s w i nt h i sp a p e r 5 0 5 2 一h112a l u m i n u ma l l o yw i t h lm m lm mt h i c k n e s ss h e e ti ss t u d i e dp r o c e s sp a r a m e t e r so nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s a n dm i c r o s t r u c t u r eo f j o i n t so ff r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n g t h r o u g hav a r i e t yo f w e l d i n g p r o c e s su n d e rt h ec o n d i t i o n so faj o i n tt e n s i l es h e a rt e s t c r o s s t e n s i o nt e s t h a r d n e s s t e s t m i c r o s t r u c t u r eo b s e r v a t i o na n dt e n s i l es h e a rf r a c t u r es c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p y d e t a i l e da n a l y s i so fd i f f e r e n tp r o c e s sp a r a m e t e r sa n dm e t h o do fs p o t w e l d i n gj o i n t sp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r t h ef r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n gt o o lh a sc o n c a v es h o u l d e ra n dl e f t t h r e a d u s et h et o o lp l a t ea l u m i n u ma l l o y5 0 5 2 h112s u c c e s s f u li m p l e m e n t a t i o no f t h es p o tw e l d i n gc o n n e c t i o n a p a r tf r o mt h ep o i n to f t h ee x i s t e n c eo f w e l df r i c t i o ns t i r s p o tw e l d i n gp r o c e s sd u et ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep i nh o l ei sf o r m e d t h e r ei sn o o b v i o u sm a c r o s c o p i cd e f e c t s t e n s i l es h e a rt e s t ss h o w e dt h a tf r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n go ft h ea v e r a g es h e a r s t r e n g t ha r es i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nr e s i s t a n c es p o tw e l d i n g t h eb i g g e s tr a i s eo f7 2 s p e e do f t h et o o lh a sa ni m p o r t a n ti m p a c to nt h et e n s i l es t r e n g t h a n dw h e nt h er o t a r y s p e e dr e m a i nc o n s t a n t t h eh o l d i n gt i m eo ft h ei m p a c to fs m a l ls h e a rs t r e n g t h c h a n g e so fc r o s s t e n s i o ns t r e n g t ha n ds h e a rs t r e n g t ha r es i m i l a rt ot h ec h a n g e s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eh a r d n e s so ft h et e s tr e s u k s h a r d n e s so ff r i c t i o ns t i r s p o tw e l d i n gj o i n t sw a ss i m i l a rt ot h ed i s t r i b u t i o no fw s h a p e d h a zh a r d n e s sv a l u e i st h em i n i m u m t m a za n ds z t h eh a r d n e s sv a l u eo fj oi n th a zt h a nt h ei n c r e a s e b u tl o w e rt h a nt h eb mv a l u e r e s i s t a n c es p o tw e l d i n gj o i n t sc o l u m n a rg r a i n sa n d e q u i a x e dg r a i n so f t h ec o m p o s k i o no ft h ew e l dz o n eh a r d n e s sb e l o wt h eh a r d n e s so f m a t e r i a l s a n de q u i a x e dg r a i n so fh a r d n e s si sl o w e rt h a nt h ec ol u m n a rg r a i n sh a r d n e 鳃 c h a r a c t e r i s t i c s w h e nt h ep r o c e s sp a r a m e t e r sa r ec h o s e nn o ts u c c e s s f u l l y m a yf l a s h h o o k i n g d e f e c t sa n dw e a k b o n d i n gd e f e c t sw o u l db ef o u n d e d h o o k i n gd e f e c t sh a v es o m e c o n n e c t i o nw i t hp i ng e o m e t r y b u ta l s ow i t ht h ew e l d i n gp a r a m e t e r sh a v ea ni m p o r t a n t r e l a t i o n s h i p w e a k b o n d i n gd e f e c t si s t h ep oi n to fw e l dd e f e c t so v e r l a pm i x i n g i n t e r f a c et h a tm a ya r i s ei nt h et r a n s i t i o nr e g i o no faw e l dd e f e c t s w e a k b o n d i n gi st h e t y p i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fc o n n e c t i o n sb e t w e e nt h em a t e r i a li nc l o s ec o n t a c tb u t d i dn o t c o m p l e t e l y f o r ma ne f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fs o l i d p h a s eo rt h em e t a l l u r g i c a l c o n n e c t i o ni n t e r f a c ec o n n e c tw i t hs i g n i f i c a n t l yl o w e ri n t e n s i t y w h i c hi st h em o s t s e r i o u sw e l dd e f e c t si nf r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n g e x p e r i m e n t a ls t u d yi nt h ef r a m e w o r ko ff r i c t i o ns t i rs p o tw e l d i n gp r o c e s s p a r a m e t e r ss h o wt h a tt h eo p t i m i z e dt e c h n o l o g yi st h a tw h e nt h er o t a r ys p e e dr e a c h e s 1 5 4 1 r p m w i t ht h eh o l d i n gt i m e5 s t h em a x i m u ms h e a rs t r e n g t ha n dc r o s s t e n s i o n s t r e n g t ho f t h ej o i n tc a nb er e a l i z e d k e yw o r d s a l u m i n u m a l l o y f s s w t o o l t e n s i l es h e a rs t r e n g t h h o o k i n gd e f e c t s w e a k b o n d i n gd e f e c t s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得丕盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 弘够荔 签字日期 加产 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘鲎有关保留 使用学位论文的规定 特授权盘洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 弘嘉必 签字日期 触 年多月f 日 翩签名 初够徼 签字日期 e 月7 日 第一章绪论 1 1 选题背景及研究意义 第一章绪论 铝合金具有良好的耐蚀性 较高的比强度及良好的导电性和导热性 在航空 航天 汽车 机械制造 电工及化学工业中得到了广泛的应用 因此 掌握和积 极推广铝合金的各种焊接新方法 新工艺 对扩大铝合金的应用范罔具有十分重 要的意义 lj 由于铝及铝合金具有独特的物理化学性能 因此在焊接过程中会产生一系列 的困难 具体表现主要有以下几点 1 强的氧化能力 铝与氧的亲和力很强 在空气中极易与氧结合生成致密而结实的a 1 2 0 3 在 焊接过程中 氧化铝阻碍金属之间良好结合 极易造成夹渣 氧化膜还会吸附水 分 焊接时会促使接头生成气孔 2 铝的热导率和比热大 导热快 尽管铝及铝合金的熔点远比钢低 但是铝及铝合金的导热系数 比热容都很 大 比钢大一倍多 在焊接过程中大量的热能被迅速传导到基体金属内部 为了 获得高质量的焊接接头 必须采用能量集中 功率大的热源 有时需采用预热等 工艺措施 才能实现熔焊过程 3 线膨胀系数大 铝及铝合金的线膨胀系数约为钢的2 倍 凝固时体积收缩率达6 6 5 因此易产生焊接变形 防止变形的有效措施是除了选择合理的工艺参数和焊接顺 序外 采用适宜的焊接工装也是非常重要的 焊接薄板时尤其如此 4 容易形成气孔 焊接接头中的气孔是铝及铝合金焊接时极易产生的缺陷 尤其是纯铝和防锈 铝的焊接 氢是铝及铝合金焊接时产生气孔的主要原因 铝及铝合金的液体熔池 很容易吸收气体 在高温时溶入大量气体 在由液态凝固时 溶解度急剧下降 在焊后冷却凝固过程中来不及析出而在焊缝中聚集形成气孔 5 铝在高温时的强度和塑性低 铝在3 7 0 c 时强度仅为i o m p a 焊接时会因为不能支撑住液体金属而使接头 成形不良 甚至形成塌陷或烧穿 冈此 焊接铝及铝合金时常常要使用垫板 第一一章绪论 6 无色泽变化 给焊接操作带来困难 铝及铝合金焊接时由固态转变为液态时 没有明显的颜色变化 在焊接过程 中给操作者带来困难 铝及铝合金在传统熔焊过程中产生这些缺陷 使接头的机械性能降低 限制 了铝合金在飞机 船舶 汽车等结构中的应用 因而开发和研究先进的铝合金焊 接技术 并将其推广和应用 对于现代工业的发展至关重要 搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所 t w i 1 9 9 1 年发明的一种新型固相焊接技 术 并对此在全世界范围内申请专利保护 2 它的发明成功的解决了传统熔焊在 焊接铝及铝合金时出现的各种缺陷 经过十多年的发展 搅拌摩擦焊技术已日趋 完善并成功应用于航空 航天 汽车造船和高速铁路列车等诸多轻合金结构制造 领域 其可焊厚度为2 5 0 m m 这种连接技术与传统的摩擦焊方法相似 焊接过 程没有被焊材料的熔化 形成固相接头 搅拌摩擦焊被公认是最具革命性 突破 性的连接新技术 1 2 搅拌摩擦焊原理及特点 搅拌摩擦焊过程中形成了大量的生成热 这些生成热主要来源于轴肩与焊件 材料上表面 搅拌头与接合面问的摩擦热 搅拌头附近材料的塑性变形产生的热 其中摩擦热是焊接产热的主体 随着搅拌头沿焊缝方向行走 这些热量对焊缝及 焊缝附近的母材施以热循环作用 导致材料中沉淀相的溶解 焊缝和热影响区发 生较大程度的软化 搅拌摩擦焊原理如图1 1 所示 它利用一种非耗损的特殊形状的搅拌工具 旋转着插入待对接板的间隙中 待焊的两块板被夹具固定在垫板上 防止在焊接 过程中产生力而分开 搅拌头插入工件表面以下时 有部分金属被挤出表面 由 于正面轴肩和背面垫板的密封作用 一方面 轴肩与被焊板表面摩擦 产生辅助 热 另一方面 搅拌工具和工件相对运动时 在搅拌工具前面不断形成的热塑性 金属转移到搅拌头后面 填满后面的空腔 3 和传统的熔焊相比 搅拌摩擦焊具有以下优点 4 1 接头质量高 不易产生缺陷 焊缝是在塑性状态下受挤压完成的固相 焊接 避免了熔焊时熔池凝固过程中产生的裂纹 气孔等缺陷 2 便于机械化 自动化操作 质量稳定 重复性高 3 焊接成本较低 不用填充材料 也不用保护气体 厚焊接件边缘不用 加工坡口 4 焊件有刚性固定 且固相焊时加热温度较低 焊件不易变形 2 第 章绪论 5 安全 无污染 无熔化 无飞溅 无烟尘 无辐射 无噪声 没有严 重的电磁干扰及有害物质产生 是一种环保型连接方法 6 不受轴类零件的限制 可进行平板的对接和措接 可焊接直缝 角焊 缝及环焊缝 可进行大型框架结构及大型简体制造 大型平板对接等 嚣鳊i 嘴曲r e g i s t 漂r e dc o n 引l s c n l a l n a l ne 图i l 搅拌摩擦焊示意图 搅拌摩擦焊本身也存在如f 缺点 1 不同的结构需要不同的工装夹具 设备灵活性差 2 如不采用专门的搅拌头 焊接结束后搅拌头退出时在焊缝末端会产生 凹坑 需要其他焊接方法补焊 3 f i 前焊接速度不高 4 焊缝背面需要有垫板 在封闭结构中垫板的取出比较困难 1 3 搅拌摩擦点焊基本原理 搅拌摩擦点焊技术是由rs a k 蚰 等人在 线性搅拌摩擦焊接基础上开发的 一种新的焊接技术 它利用带有轴肩和搅拌头的搅拌工具一边高速旋转 一边缓 慢地插入被焊工件 直到搅拌工具的轴肩与工件表面紧密接触 搅拌头在工件内 部进行摩擦和搅拌 产生的摩擦热使探针周围被焊金属选塑性状态 形成点焊接 头 搅拌摩擦点焊的原理如图1 2 所示 其过程主要由三个阶段组成 第章绪论 1 插入过程搅拌工具不断旋转 通过施加顶锻压力插八连接工件中 在压 力作用下工件与搅拌工具之间产生摩擦热 软化周围材料 搅拌工具进一步压八 工 件 2 搅拌过程搅拌头完全镶嵌在工件中 保持搅拌工具压力并使工具肩部接 触工件表向 继续旋转一定时间 3 拔出过程完成连接后搅拌工具从工件退出 在点焊缝中心留下典型的退 出凹孔 却回却 j l 寸 一 j 插入 搅拌拔出 l 翔l 2 搅拌摩擦点焊矩理示意罔 5 j 搅拌摩擦焊技术的区别在于 搅拌摩擦点焊没有沿焊缝的纵向移动 并且 在点焊过程中搅拌工具无焊接方向倾角 搅拌摩擦点焊综合了传统点焊过程及搅 拌摩擦焊技术的热源产生方式 在摩擦热及塑性变形能的作用下 形成了牢固连 接的点接头 在搅拌摩擦点焊过程中 轴肩周围的材料发牛动态再结晶 在两工 件间形成焊接接头 工件同样需要牢固兴持 但是由于搅拌摩擦点焊过程中没有 纵向移动 所以通常采用局韶支撑 1 4 搅拌摩擦点焊优点 1 4 1 传统连接方法存在的局限性 在汽车 列车及其他的交通设备中 为了得到轻量化的结构 铝合金得到了 越来越广泛的运用 目前 铝合金板的连接方法主要有电阻焊 铆接和钎焊 锚 台金薄板的搭接接头主要采用电阻点焊 电阻点焊是在两个重叠的焊件间施加压 力t 同时通以大电流 借助电阻热熔化两极问的金属 断电后熔融金属在压力的 第一章绪论 作用下迅速凝固而实现焊接 但电阻点焊焊接铝合金时存在以下缺点1 6 1 同焊接钢相比 铝合金电阻率低 电极寿命明显缩短 焊接质量随电极磨损而下 降 2 当被焊材料不同或板厚不等时 会产生焊核的偏移 3 焊接时容易 造成不熔合和喷溅现象 在焊后容易产生翘曲变形 4 容易产生气孔缺陷 还经常存在微型空洞 裂纹等不连续以及过深的压痕等缺陷 铝合金铆接存在制 造工艺复杂 水密性差 浪费材料等缺点 8 铝合金钎焊时 焊后工件变形较大 容易产生未焊透 熔蚀等缺吲 1 4 2 搅拌摩擦点焊的优点 搅拌摩擦点焊可以形成一种点焊的搭接接头 在焊接铝 镁等轻合金方面具 有明显的优势 因此引起很大的关注与其他连接方法相比 搅拌摩擦点焊方法焊 接铝合金具有以下优势 1 接头高质量和高强度搅拌摩擦点焊过程中材料不会被熔化 焊缝区域 几乎没有热变形 焊接接头具有良好的结合强度 焊接质量稳定 2 节省能源 降低成本搅拌摩擦点焊消耗的电能主要用于2 个伺服电动 机上 不需要大容量的电源供应设备 用电量只是传统电阻点焊设备耗电量的 1 2 0 整个设备成本明显低于电阻点焊设备 m a z d a 公司的研究表明 所消耗的 能量可以降低9 9 3 设备投资降低搅拌摩擦点焊设备非常简单 属于一次性投资 不需要 各种辅助设备 由于无需任何大电流 所以不再需要大尺寸焊接时间控制器 焊 接变压器和连接电缆和用于冷却焊枪的冷却水管道 驱动焊枪的压缩空气管道和 连接箱等 m a z d a 公司的研究表明 与电阻焊系统相比 整个设备投入将减少 4 0 4 工艺过程简单搅拌摩擦点焊过程简单 适用各种搭接连接 不需要如 铆钉等辅助材料 焊接前不需要仔细的化学清洗 焊点布置不存在电阻焊的分流 问题 搅拌摩擦点焊具有自清洁作用 对材料状态变化 如氧化物 和表面状态 污 染如润滑油 并不敏感 焊接速度完全可与电阻点焊相比拟 5 连接工具寿命长铝合金搅拌摩擦点焊采用的连接工具有很强的耐磨损 和抗损耗特性 m a z d a 公司的生产使用表明 搅拌摩擦头在经历了1 0 万次点连 接后也没有损耗现象 6 工作环境清洁搅拌摩擦点焊工作环境没有灰尘和烟雾 不需要大电流 生产过程是清洁的 不会产生任何电磁和噪声污染 第一章绪论 1 5 国内外搅拌摩擦点焊技术的研究现状 1 5 1 搅拌摩擦点焊的搅拌工具和工艺参数 影响搅拌摩擦点焊焊接质量的因素主要包括搅拌工具的材料和形状 旋转速 度 顶锻压力和停留时间 搅拌工具是搅拌摩擦焊的关键零件 它是材料连接和焊缝形成的基础 搅拌 工具主要由轴肩和搅拌头两部分构成 轴肩可以具有多种类型 如1 3 所示 其 几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式和焊接质量及效率 还影响焊 接过程中搅拌工具附近塑性材料的流动形式 图卜3 不同几何形貌的轴肩 l o 搅拌头主要有锥形螺纹搅拌头 三槽锥形螺纹搅拌头 偏心网搅拌头 偏心 圆螺纹搅拌头 非对称搅拌头 柱形光头和柱形螺纹搅拌头 可伸缩搅拌头等多 种形式 1 柱形搅拌头在搅拌摩擦焊工艺应用的初始阶段 主要采用柱形搅拌头 但在焊接过程中发现 柱形搅拌头对周围软化金属的向下旋压作用力较弱 软化 金属的流动性较差 造成焊后接头的性能较差 2 锥形螺纹搅拌针和三槽锥形螺纹搅拌头t w l 开发了多种外形的搅拌 头 包括圆锥形 锥形凹槽螺纹和偏心圆螺纹等形式 如图l 4 示这种搅拌头的 表面有陡峭角度的凹槽 凹槽表面环绕着螺旋线 这种设计特性将进一步减小搅 拌针的体积 有助于焊缝金属的流动以及破碎 分散接合面的氧化物 有利于获 得组织致密的接头 带螺纹的锥形搅拌头大大增强了焊缝金属的搅拌作用 因而 使得塑性金属更易流动 6 第一章绪论 譬譬霉 蕾 墨谚器 图卜4 丁霄i 的锥形门槽螺纹搅拌头 新一代螺纹式和多螺旋凹槽式搅拌工具的轴肩跬计精巧 这些轴肩形面可以 在焊接过程中增加对塑性金属的包裹能力 从而使轴肩和焊件表面问保持更好的 接触以提供紧密的摩擦和防止塑性金属溢出 囤i 5 是三槽锥形螺纹搅拌头 它 足在锥形螺纹搅拌头的锥面上加工三个螺旋形的凹槽 以减少搅拌针的体积 增 加软化金属的流动性 同时破坏并分散附着于焊件表面的氧化物 图1 三槽锥形纹式搅拌头i 3 偏心圆搅拌头和偏心圆螺纹搅拌头图i 6 和l 7 分别为偏心圆搅拌头 和偏心圆螺纹搅拌头 其外形源于搅拌摩擦埠的动态模拟结果 它允许材料之问 滑动甚至粘到搅拌头的表面 在用具有球面特制的搅拌头进行焊接时 焊接方向 的顶压力较小 当搅拌头最小的横截面与搅拌头旋转起来而扫过的纵截而积比在 7 0 8 0 之间时 焊接方向的压力最小 偏心圆螺纹搅拌头与偏心圆搅拌头相比 由丁带有螺纹 更有利于破碎焊什表面上的氧化膜 能软化的塑性材料施加强烈 的向下旋转作用 从而获得高强度的接头 第章绪论 一 圈1 6 偏心圆搅拌头i 图卜7 偏心圆螵纹搅拌头刚 4 非对称螺纹搅拌头非对称搅拌头 传统搅拌头的差芹较大 搅拌头的 中心轴与搅拌工具的中心轴存在一个偏角 而轴肩的表面垂直于搅拌工具的中心 轴由于搅拌头只有部分表面直接与焊件摩擦接触 搅拌头上部分材料可以被切除 以增加埠接过程中软化金属的流动路径 削i 8 足改进后的搅拌头 i 图卜8 改进后的非对称搅拌头 日前公布的资料中撤道了两种搅拌摩擦点焊技术 一种是日本m a z d a 汽车 公司于1 9 9 3 年提出的固定搅拌工具的摩擦点焊方法 搅拌头与轴肩固定为整体 在形成的点焊缝中心存在一种退出凹孔 第二种方法是德国g k s s 研究中心于 1 9 9 9 年发明的原位回填式搅拌摩擦点焊见陶i 9 该方法采用分离的搅拌头和搅 拌工具轴肩 通过控制搅拌头和搅拌工具肩部的相对运动 在搅拌头回撒的同时 填充搅拌头 采用这种方法焊接后点焊缝平整 焊点中心没有凹孔 第章绪论 攀 w l 翻 尝盈坐慧 笔蜡 爨量霸嘲 国内外学者主要针对铝台金的搅拌摩擦点焊进行研究 除了y u e m a t s u 口 应 用了原位回填式的摩擦点焊方法外 其余都是利用整体式搅拌丁具进行研究 国 外对搅拌摩擦点焊的研究较多 主要集中在搅拌摩擦点焊的可行性分析及工业应 用等方面 国内做的研究工作很少 只是在搅拌摩擦点焊的工艺参数和组织性能 方面进行了初步的基础研究 2 7 gb u f f a 等研究了改进的搅拌摩擦点焊技术 试验表明适合搅拌摩擦点焊的 搅拌工具旋转速度叫调范围小于线性搅拌摩擦焊的速度町调范围 在高转速的条 件下 由于没有线性搅拌摩擦埠时的倾斜角度 限制了搅拌针周围塑性材料的流 动能力 林j 宝 赵彬等采用自制的搅拌工具 成功焊接i m m i m m 厚度l f 6 铝台 金板 研究了焊接工艺参数对点焊接头性能的影响 在旋转速度 压入深度一定 的情况下 随着停留时问的增加 剪切拉伸载荷先增加 到达峰值后f 碑 当旋 转速度为2 5 0 0 r p m 停留时间为24 s 时 点焊接头的剪切拉仲强度最大 优于电 阻点焊的剪切强度 刘克文 邢丽等研究了l y l 2 铝合金摩擦点焊上艺及力学性能 指出当搅拌 工具旋转速度较高或焊接时间较长时 焊点的表面成形较好 随搅拌工具旋转速 度和焊接时间的减少 焊点的表面成形逐渐变羞 焊点的显微硬度沿匙孔中心呈 w 形分布如图l 1 0 所示 塑性区的显微硬度略小于母材 最小值出现在热机影 响区 焊点的抗剪载荷随搅拌工具旋转速度和焊接时间的增加而增大 当达到最 大值93 3 k n 后 抗剪载荷随搅拌t 具旋转速度和焊接时间的增加而减小 第章绪论 e n 十o m 虮十o d 一 样t t a 娃n t 响w t 缃 图i 1 0 焊接工艺参数对焊点显微硬度的影响 1 5 2 搅拌 攘点焊蜱缝组织结构 已有研究表明搅拌摩擦点焊的接头横截面可分为4 个区域 即搅拌区 热机 影响区 热影响区和母材 搅拌区是指匙孔两侧直接受轴肩及搅拌头作用的区域 热机影响区是指匙孔两侧直接受到轴肩及搅拌针作用的区域 它既受到热的作用 也受到力的作用 热影响区是指塑性区与母村的过渡区 母材区域是指远离匙孔 中心的区域 mf u j i m o t o 等对l m m l r i m 厚度6 0 6 1 一t 6 铝合金进行了组织研究 发现点 焊接头的搅拌区由细小的等轴晶组成 组织结构明显好于母材 两板的界面在搅 拌区内完全混合 维氏硬度的分布特点是由于在焊接过程中摩擦热和沉淀相的分 布不同造成的 a d r i a ng e r l i c h 等发现在2 0 2 4 铝合金搅拌摩擦点焊当搅拌头停留在焊件中 时 带螺旋的搅拌针使材料向下方流动 并且搅拌区的温度 4 9 0 i 邢丽等研究t l y l 2 铝舍金摩擦摩擦点焊接头组织及性能 研究表明 搅拌 区发生动态再结晶使组织细化 晶粒尺寸小于母材 热机影响区在热和力的联台 作用下组织也变成细小均匀 热影响区组织在摩擦热的作用下长大叫i 1 5 3 搅拌 攘点焊接头的力学性能 搅拌摩擦点焊接头的力学性能主要包括剪切强度 剥离强度和疲劳强度 国 内外学者对此进行了一定的研究 w i l l i a mj 等在焊接铝合金时采用复合式 比较不同路径时接头横截面积与力 学性能的关系 与正常搅拌摩擦点焊相比 力学性能提高明显c y 鲒u n a r it o z a k 等剪切拉伸强度随着搅拌头长度的增加而增大 但是剥离强 度受搅拌头长度的影响不大 当搅拌工具转速和停留时间增加时 接头的剪切拉 伸强度增加 而剥离强度f 降 在承受拉伸载荷时 出现两种断裂形式 分别是 第一章绪论 焊核剪切断裂和焊核剪切拉伸混合断裂 两种断裂形式的出现与与轴肩在上板压 入量和焊核的大小有判1 8 j 搅拌头的几何形状对接头的静载强度有重要影响 h b a d a r i n a r a y a n 研究结果 表明 三角形搅拌头增加了材料的变形程度和流动能力 由三角形搅拌头焊接的 接头的剥离强度比圆柱形搅拌头焊接的接头剥离强度提高了一倍 l9 1 y u e m a t s u 在对电阻点焊和搅拌摩擦点焊的对比试验中发现 搅拌点焊接头 的疲劳强度明显高于电阻点焊接头 几何形状决定了焊接区域的疲劳强度 断裂 机制和组织的变化 2 0 1 严铿 付娟等研究了l f 2 1 铝合金在复合搅拌摩擦点焊时焊点金属的流动行 为 与直插式搅拌摩擦点焊的接头性能进行了对比 复合搅拌摩擦点焊增加了塑 性环的宽度 焊点的剪切强度比直插式搅拌摩擦点焊提高了4 0 t 2 1 2 2 1 5 4 搅拌摩擦点焊适用材料和焊接缺陷 国内外学者除了对铝合金进行了搅拌摩擦点焊研究外 还对铜合金 2 引 镁合 金 2 9 和钢 3 0 3 1 1 等材料进行了相关研究 y h o v a n s k i 等利用搅拌摩擦点焊对马氏体热轧钢进行了焊接 并且在焊后得 到令人满意的接头 3 0 1 m i k h a n 等对d p 6 0 0 钢进行了摩擦点焊和电阻点焊的对比试验 搅拌摩擦 点焊的焊接效率和电阻点焊效率相当 电阻点焊的断裂出现在两板之间 并沿着 表面向内进行扩展 而搅拌点焊接头的断裂发生在两板之间的未连接区域 沿着 轴肩下的上板扩展1 3 d m i t l i n 3 2 等在研究6 l ll 铝合金搅拌摩擦点焊时 在接头中发现了部分连接 区 分布在母材和搅拌区中间 承受载荷时 首先在此起裂 邢丽针对我国航空航天工业中常用的m b 8 镁合金 试验研究了镁合金薄板 的搅拌摩擦焊工艺 结果表明 m b 8 镁合金塑化连接的接头外观成形良好 内 部无气孔 裂纹 焊后焊件几乎无变形 接头性能可达到母材抗拉强度的7 6 塑化连接接头由焊核和热影响区组成 焊核区是经历了动态再结晶的细小晶粒 热影响区的晶粒较粗大 2 9 1 1 5 5 搅拌摩擦点焊的应用现状 搅拌摩擦点焊在铝合金等材料的焊接中有着巨大的优势 目前在汽车工业领 域具有国际先进的连接技术 第 章绪论 日本m a z d a 公司在m a z d a f s s w 工岂研究方面处于世界领先地位p i 2 0 0 3 年m a z d a 公司己将f s s w 焊接技术用于新的运动车型m a z d a r x 8 的发动机罩和 后门生产 2 0 0 4 年m a z d a 公司与日本川崎重t k h i k a w a s a k i 合作共同进行工 业应用研究 设计研制了与k a w a s a k i 机器人结合的搅拌摩擦点焊枪机构 用于 替代汽车生产线上传统电阻点焊机器人设备如陶1 i1 所示 在高强度薄钢板车 体材料方而具有潜存商用前景 目1 1 1p x 的后门以及引擎罩的制造采用了搅拌摩擦点焊 删 德国r i f t e c 公司在g k s s f s s wt 艺研究方丽处于世界领先地位 2 0 0 6 年该技术已应用到奥迪汽车铝合金部件制造中 2 0 0 7 年美国已将该技术应用丁 原位铆接接头修复 老化飞机结构修复 见圈l 1 2 示 鹾骚茎 孽霉毒 圈1 1 2 g k s s f s s w 在老化 机镕构性 中 月 无论从结构整体性能 还是从有效运载及能源消耗等方面考虑 轻量化是目 倦国 蠹一 瓣一 第一章绪论 前汽车 航空及航天结构所考虑的最为重要的因素之一 而铝合金是各种汽车 航空及军用结构轻量化发展中主要采用的结构材料 由于在轻合金连接方面具有 明显的优势 搅拌摩擦点焊势必替代传统电阻点焊及铆接工艺成为汽车 航空航 天及军用结构组装中最具潜力的先进结构制造方法 3 3 3 4 1 6 本次研究的主要内容 搅拌摩擦点焊技术是目前航空 航天及汽车工业领域具有国际先进水平的连 接技术 在国外目前这项技术的工业化应用正处在不断发展中 在国内该技术从 基础研究及工业应用研究 尤其是在航空 航天结构制造领域等方面基本空白 本文对5 0 5 2 h l1 2 铝合金板材进行电阻点焊和搅拌摩擦点焊的基础研究 应 用自行设计制备的搅拌工具成功实施焊接 并且获得了外观良好的接头 研究搅 拌摩擦点焊过程中工艺参数对接头力学性能及组织的影响 此外 焊接三组电阻点焊剪切试样和两组行走搅拌摩擦点焊剪切试样 与搅 拌摩擦点焊剪切拉伸强度 组织结构进行对比 通过对各种工艺条件下的点焊接头进行剪切拉伸试验 剥离试验 硬度测试 试验 显微组织观察和剪切拉伸试样断口扫描电镜观察 详细分析讨论了不同工 艺参数及焊接方法点焊接头组织与性能的影响 同时对电阻点焊和搅拌摩擦点焊 试样的缺陷进行系统的分析 分析缺陷形成机理和特点以及焊接方法和工艺参数 对缺陷的影响 在缺陷观察首次发现了弱连接缺陷 国内对搅拌摩擦点焊缺陷的 研究尚属空白 这便为以后的焊接工艺参数优化 焊接接头缺陷分析等提供了理 论依据 第二章试验材料及试验方法 2 1 试验材料 第二章试验材料及试验方法 本文采用的材料是1 m m 厚的5 0 5 2 h 11 2 铝合金板材 5 0 5 2 h i1 2 为a i m g 系防锈型铝合金 该合金的塑性较高 而强度较低 其 耐蚀性和焊接性良好 合金在退火状态时切削加工性不好 5 0 5 2 合金用于要求 成形性和耐蚀性良好 疲劳极限高 焊接性好 中等静载荷的部件 如飞机燃料 和油料导管 油箱 以及各种海运与陆运装备的零部件 冷冲压件 钣金工制品 路灯支柱 线材用作铆钉或焊条 本次试验中供货状态是h l1 2 表示热加工成 型的产品 5 0 5 2 h 11 2 的化学成分 3 8 3 9 见表2 1 力学性能见表2 2 表2 15 0 5 2 h 1 1 2 铝合金的化学成分 质量分数 供货状态试样状态 抗拉强度ob n q a 屈服强度oo 2 m p a 延伸率6 h l l 2h l l 2 1 7 5 6 5 1 4 2 2 焊接方法 搅拌摩擦点焊试样在改装后的x z 5 1 5 0 立式铣钻床上实行焊接 拌摩擦焊设 备如2 1 a 所示 该设备总功率是3 2 k w 主轴转速是9 4 2 2 5 6 r p m 本次试样 选择转数是1 5 4 1 r p m 和2 2 5 6 r p m 两种 试样用夹具经专门设计应用于搅拌摩擦 点焊 其宏观照片如图2 1 b 所示 焊接前 将两工件搭接放置于刚性垫板上 并用压板压紧 焊接时 工件及垫板固定不动 搅拌头高速旋转 并在压力作用 下垂直插入工件 夹具的是垫板材料4 5 结构钢 可以降低热传导同时具有较大 的刚度 在垫板的中间一条槽 其作用是在焊接过程中增加对塑性金属的包裹能 1 4 第二章试验材料及试验方法 力 同时利于消除根部缺陷 对于搅拌摩擦点焊焊接来说 壤重要的焊接参数分别是搅拌头的几何形状 搅拌工具转速 停留时间和顶锻压力 试验用搅拌工具详见第三章 本次试验中 搅拌工具转速和停留时间是变化的 停留时司有5 s 1 0 s 1 5 s 三种 停留时间 是指搅拌工具的搅拌头完全插人工件 轴肩与工件表面开始接触到离开工件的时 问 详见图2 2 所示 顶锻压力采用等压 量 即试验中所有的顶锻压力都是相 同的 下压速度均采用1 m r n s 图21 a 改装后的搅拌摩擦焊设备 罔2 i b 搅拌摩擦点焊用夹具 5 0 5 2 h l l 2 铝台金的试样尺寸有两种 剪切试样尺寸为l o o m m x 2 5 r a m 剥 离试样尺寸为2 0 0 m m 2 5 m m 此外 焊接三组电阻点焊剪切试样和两组有行走 的搅拌摩擦点焊剪切试样 从而与搅拌摩擦点焊剪切强度进行对比 第二章试验材料及试验方法 k x i a ll o a d i n g 凰tool rotation 图22 搅拌摩擦点焊停留时问示意图 电阻点焊试样在d n 肋型固定式点凸焊机上焊接 其额定功率是8 0 k v a 气源供给压力是05 m p a 最丈电极压力为6 0 0 0 n 从设备的功率上看 焊接时 两者的时问相当 因此搅拌摩擦点焊的电能消耗远小于电阻点焊 按照不同的工艺 有1 1 种状态进行剪切试验 8 种状态进行剥离试验 研 究15 4 1 r p m 和2 2 5 6 r p m 两种转速及不同停留时间对剪切拉伸强度和剥离强度的 影响 具体试样编号及说明见表2 3 和表2 4 为了保证获得良好的焊接接头 焊前利用砂纸对样板表面进行仔细打磨以击除氧化膜 直到露出新鲜垒属为止 袁2 3 槿拌摩攘点悍剪协试样编号厦说咀 第二章试验材料及试验方法 2 3 金相制备 1 试样截取 在搅拌摩擦点焊试样上沿垂直于长度方向的横街面上截取 包括焊核区 热机影响区 热影响区和母材区的试验样品 2 试样镶嵌 试样截取后为了便于磨光和抛光需要镶嵌 镶嵌在x q 2 b 型镶嵌机上完成 首先将锯好的试样用粗砂纸打磨平整 镶嵌时将准备好的试样 磨面向下 放在下模上 放入镶嵌粉后装上模 紧固顶压螺杆 转动手轮到压力 指示灯亮 再加热8 分钟后完成镶嵌 3 磨光与抛光 依次用4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 号金相砂纸按由粗 到细的顺序 以9 0 度交叉方向进行机械研磨 磨光后在旋转抛光盘上抛光 抛 光布选用干净的呢子布料 抛光液用a 1 2 0 3 悬浮液 4 组织显示 用新配的混合酸溶液 脏 1 5 m l h 3 p 0 4 1 0 m lh 2 0 6 0 m 1 腐蚀1 5 s 后用大量清水冲洗 然后先在体视显微镜下观察宏观形貌 然后在光学 显微镜下观察微观组织 用新配的2 n a o h 水溶液对试样进行腐蚀4 0 s 腐蚀后 用大量清水冲洗 然后用酒精冲洗干净并吹干 在光学显微镜下观察缺陷 2 4 剪切拉伸试验 按国家标准g b 2 6 5 l 一8 9 加工点焊的剪切试样 试样尺寸为1 7 5 m m 2 5 m m 如图2 3 所示 每个点焊参数重复作3 次试验 剪切拉伸强度是3 个试样剪切拉伸 第二章试验材料及试验方法 强度的平均值 试验在c s s 4 4 1 0 0 电子万能实验机上进行剪切拉伸试验 测量 焊点的抗剪载荷 试验的拉伸速度是6 m m m i n 当试样的上下两板之间开始分离 时试验结束 从而可以细致的观察试样的断裂路径 最后对连接区域进行分析 j 1 7 5 i 图2 3 剪切拉伸试样尺寸 2 5 剥离试验 参照国家标准g b 2 6 5 l 一8 9 加工点焊的剥离试样 试样尺寸为2 0 0 m m 2 5 m m 如图2 3 所示 每个点焊参数重复作2 次试验 剥离强度是2 个试样剥 离强度的平均值 在c s s 4 4 1 0 0 电子万能实验机上进行剥离拉伸试验 测量焊 点的剥离强度 试验的拉伸速度是6 m m m i n 当试样的上下两板之间开始分离 时试验结束 图2 4 剥离试验试样图 1 8 第二章试验材料及试验方法 2 6 扫描电镜观察 对剪切拉伸断裂试样在p h i l i p sx l 3 0e s e m 扫描电镜下进行观察 观察不 同焊接工艺条件下剪切拉伸试样断裂区域的微观形貌及特点 分析其断裂类型和 断裂机理 2 7 硬度测试 硬度试验按g b 4 3 4 0 8 4 金属维氏硬度试验方法 进行 试验设备为h v 1 0 a 小负荷维氏硬度计 测量搅拌摩擦点焊接头各区域的维氏硬度值 载荷为1 0 1 吨 加载时间为1 5 秒 测量点间距为l m m 在上板和下板横截面从母材到焊缝中间 各打一条线 如2 5 所示 试样的制备方法按照金相试样制备步骤 1 和 2 板 维氏硬度点 2 8 本章小结 图2 5 维氏硬度测试点位置示意图 1 通过光学显微观察搅拌摩擦点焊接头各区域的微观组织 2 进行剪切试验 研究焊接工艺参数及不同的焊接方法对剪切拉伸强度的影 响 3 进行剥离试验 研究不同搅拌工具转速和停留时间对搅拌摩擦点焊接头剥 离强度的影响 同时焊接三组电阻点焊剪切试样和两组有行走的搅拌摩擦点焊试 样 与搅拌摩擦点焊剪切试样进行对比 4 测试5 0 5 2 h 11 2 搅拌摩擦点焊接头各区域的硬度值 分析并比较接头各区 域硬度值分布特点 1 9 第二章试验材料及试验方法 5 通过对剪切断裂试样进行扫描电镜观察 分析剪切试样不同断裂区域的断 裂类型和特点 第三章试验结果及分析 第三章试验结果及分析 3 1 搅拌摩擦点焊搅拌工具设计制备 本次试验搅拌工具材料