搅拌摩擦焊工艺倾角研究.docx

搅拌头zyvx图 1 工艺倾角Fig.1 Craft inclination angle夏罗生（张家界航空工业职业技术学院 ，湖 南 张 家 界 427000）摘 要： 国内对搅拌摩擦焊焊接参数(如进给速度、旋转速度)的研究比较多,但对工艺倾角的研究很少。 本文采用搅拌摩擦焊方法对 2519 铝合金进行了焊接试验,结果表明,工艺倾角也是影响焊缝质量的关键性因素,工艺倾角在 35区间时,呈现出较好的焊缝性能,小于 3或大小 5,焊缝性能较差。关键词： 搅拌摩擦焊； 2519 铝合金； 工艺倾角； 焊缝性能中图分类号：TG453文献标识码：A文章编号：1001-3814(2011)15-0135-03Study on Craft Inclination Angle of FSW ProcessXIA Luosheng(Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering,Zhangjiajie 427000,China)Abstract： The research of Friction Stir Welding parameters such as feed rate and rotation speed more than process inclination domestic. friction-stir-weld of 2519 high-strength aluminum was ompleted. The experiment indicated that craft inclination angle too small or oversized, the welded joint performance is bad, when craft inclination angle in 35 sector, the welded joint performance is good.Key words： friction stir welding； 2519 aluminium alloy； craft inclination angle； weld properties搅拌摩擦焊(FSW) 技术在航空航天飞行器 、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及 各种铝合金型材拼焊结构制造中, 已展示出显著的 技术和经济效益1-4 。 国内对影响 FSW 焊接性能的 焊接参数已有一些研究,如搅拌头旋转速度、焊接速 度对焊缝性能的影响5-8,但对工艺倾角的研究还未 见报道。 本文作者通过对 2519 铝合金进行 FSW 实 验,研究发现,工艺倾角也是影响焊缝质量的一个关键 性因素,工艺倾角在 35区间时,呈现出性能优良的 焊缝性能,小于 3或大小 5时,焊缝性能较差。后面的材料施加压力,以形成致密的焊缝。焊接时,倾斜的角度 不能太大,也不能太小,现在大都凭经验 值选取。 工艺倾角太大,搅拌头轴肩前沿部分与工件 接触面会减少,使摩擦力减小,不利于工件材料的流 动;而搅拌头轴肩后沿与工件接触面加大,会将搅拌 针后的工件材料向下压并将一部分材料挤向两边, 使焊缝区高度低于两边的母材而向里凹, 导致焊缝 的强度下降。 若工艺倾角太小,即旋转的搅拌头轴肩 前沿面与工件之间的夹角太小, 会直接将一部分经 过搅拌的材料挤到焊缝的两边,形成飞边,同时搅拌 针的后面由于材料过少及压紧力小就会形成空洞, 从而达不到焊接要求。 对于不同的焊接材料与焊接 厚度,不同的工件曲率半径,工艺倾角也会不一样。工艺倾角影响 FSW 焊缝性能的因素主要有旋转速度、焊 接速度、搅拌头的形状和尺寸、焊接压力、焊接材料 和厚度、工艺倾角和倾斜方向等。 工艺斜角是 FSW 搅拌头轴线与焊缝所在平面的法线方向的夹角,如 图 1 中的 角。沿着焊接方向合适的工艺倾角能够保证搅拌头轴肩容纳经过搅拌针搅拌后的材料, 并能够有效地 将这些材料从搅拌头前面转移到后面, 并对搅拌针1收稿日期：2011-01-23基金项目：院级科研基金资助项目(ZHKT2010-008)作者简介：夏罗生(1970- )，男，湖南益阳人,硕士,副教授,主要从事搅 拌摩擦焊技术及数控技术应用；电话E-mail: 实验材料与方法实验设备采用现有的龙门厚板 FSW 机,通过改2热加工工艺 2011 年第 40 卷第 15 期135(a) 工艺倾角为 0的焊缝 (b)工艺倾角为 1的焊缝 (c)工艺倾角为 3的焊缝(d)工艺倾角为 5的焊缝 (e)工艺倾角为 7的焊缝 (f)工艺倾角为 9的焊缝图 2 不同工艺倾角下的焊缝形貌Fig.2 Weld under different craft inclination angle热机影响区热机影响区 焊核热影响区热影响区图 3 FSW 焊缝截面组织分区图Fig.3 Cross-section organization of FSW weld金属铸锻焊技术2011 年 8 月CastingForgingWelding变搅拌头安装座与溜板之间的法兰 来调整工艺 倾角 , 对 2519 铝 合 金 进 行 单 道 对 接 FSW。 采 用 POLYVAR-MET 光学显微镜对焊缝试样进行微 观 组织观察。 实验用材料为 10 mm 厚的 2519 高强铝 合金轧制板, 尺寸规格为 250 mm150mm, 已经过530固溶+175时效处理,要强化相为 Al2Cu,其主 要 化 学 成 分 ( 质 量 分 数 ,% ) 为 :5.80 Cu,0.22 Mg,0.28Mn,0.21Zr,0.20Zn。实验的方案是在保证顶锻压力、 搅拌头旋转速 度、焊接进给速度等各项工艺参数一致的前提下,对 厚度为 10mm 的 2519 铝合金材料采用不同的工艺倾 角(0、1、3、5、7、9)进行单道对接 FSW 对比实验。3实验结果及分析3.1 焊缝外观形貌图 2(a)(f)所示是不同工艺倾角下 FSW 试件的 焊缝外观形貌。 可见, 图 2(a)、(b)焊缝表面不光滑,粗 糙不平,焊缝两侧飞边较多。 这是由于工艺倾角为太小,一方面不足以容纳经过搅拌针搅拌后的热塑性材料,将其挤向外则, 形成飞边; 另一方面, 搅拌头轴肩后沿与热塑材料压得太松,压紧力不够,致使焊缝 表面粗糙不平,焊缝质量差。 图 2(e)、(f)焊缝有明显 的匙孔,匙孔比较深,一侧飞边严重,焊缝凹陷严重,远 低于母材高度。 这可能是工艺倾角过大,一方面搅拌头轴肩前沿与热塑材料之间摩擦力不够, 材料流动性不够而形成单侧飞边现象; 另一方面搅拌头轴肩 后沿下压严重,形成凹陷。 图 2(c)、(d)的焊缝成形良 好,焊缝均较为平整,匙孔内侧面也均较光滑。 但图 2 (c)中飞边较少,而图 2(d)中飞边较多,说明工艺倾角 过大,搅拌头轴肩与热塑材料之间摩擦力不够,材料 被甩向两侧形成飞边。总体来说,从外观上判断, 工艺倾角分别为 0 、1、7、9时,产生了较严重的焊接缺陷, 而工艺倾角 为 3和 5时,其焊缝质量相对要好。 因此,下面分别对 工艺倾角为 3和 5的焊缝试样进行微观组织分析。几种组织差别较大的区域:焊核区、热机影响区以及热影响区,如图 3 示。将试样进行化学腐蚀处理,在金 相显微镜下就可以观察到清晰的金相组织。 界面处 的原子排列通常比晶内的原子排列较为松散, 因而 其能量相对较高,容易受腐蚀而形成凹斜槽,当垂直 于试件的光线照射到此凹槽内, 不会产生垂直反射, 因此看到的界面呈黑色,而平整区呈亮白色,因此产微观组织采取焊缝的横截面来制作金相试样, 用碳化矽 砂纸(400#2000#) 对断面进行粗磨和精磨,用绒布在 抛光机上将试样抛光到镜面水平, 可以清楚地看到3.2Hot Working Technology 2011 , Vol.40 , No. 15136(a) 3(b) 550m50m图 4 不同工艺倾角下的焊核区微观组织Fig.4 Microstructure of weld nugget zone under different craft inclination angle(a) 3(b) 550m50m图 5 不同工艺倾角下的热机影响区微观组织 Fig.5 Microstructure of thermal-mechanical zone under different craft inclination angle(a) 3(b) 550m50m图 6 不同工艺倾角下的热影响区微观组织 Fig.6 Microstructure of heat affected zone under different craft inclination angle上半月出版金属铸锻焊技术CastingForgingWelding生明暗的区别。(1) 焊核区组织图 4(a)、(b)分别是工艺倾角为3和 5时的焊缝焊核区的微观组织。 从两个图中可以看出,其晶粒非常细小,是明显的再结晶等轴晶粒, 其组织与母材组织明显不同。 材料均有明显的流动 的流线现象,这是在焊核区形成的“洋葱环”的一部 分。 图 4 (b)的晶粒更加细小,可能是工艺倾角大,搅 拌更剧烈的原因。了基材板条状组织的部分形貌。 图 6(a)中热影响区范围较小, 组织分布没有随材料流动方向发生变形 的现象。结论(1) 工艺倾角为 0和 1时, 焊缝表面不光滑,粗 糙不平, 焊缝两侧飞边较多; 工艺倾角为为 7和 9 时,焊缝有明显的匙孔,匙孔比较深,一侧飞边严重,焊 缝凹陷严重; 工艺倾角为 3和 5时, 焊缝成形良好, 焊缝均较为平整,匙孔内侧面也均较光滑。 说明工艺 倾角在 35区间时,焊缝性能较好,小于 3 或大小5,其焊缝较差。(2)从微观组织分析的结果来看,工艺倾角为 5 的焊核区呈细小的等轴晶组织, 晶粒分布比 3焊接 试样分布均匀些,晶粒要小一些;热机影响区情况与 焊核区相似, 工艺倾角为 5的焊缝其晶粒要细小和 均匀些。4(2) 热机影响区组织 图 5(a)、(b)分别是工艺倾角为 3和 5时的热机影响区的微观组织。 可以看 出，图 5(b)的晶粒要细小和均匀些,可能是工艺倾角 大,搅拌强烈而产生的热量多一些。但与焊核区相比, 两图中的晶粒尺寸较为粗大, 组织沿材料流动方向 呈现出被拉长的形貌, 这是因为原始的板条状组织 在搅拌作用下发生了较大程度的弯曲变形和破碎, 并在局部范围内的热循环作用下发生了回复和再结 晶长大过程。参考文献：姚君山，张彦华，王国庆，等搅拌摩擦焊技术研究进展J宇航材料工艺，2003，(4)：23-29.丁荣辉，黎文献，路彦军，等搅拌摩擦焊技术最新进展J铝 合金加工技术，2005，33(2)：19-20.傅志红 ， 黄明辉 ， 周鹏展 ， 等搅拌摩擦焊研究及其研究现状 J焊接，2002(11)：6-10.赵衍华 ， 林三宝 ， 吴林 ， 等搅拌摩擦焊应用及焊接设备简介 J电焊机，2004，34(1)：5-9.周鹏展，贺地求，舒霞云，等搅拌摩擦焊工艺参数对 2519 厚 板焊接性能的影响J 热加工工艺，2005，(4)：33-35.James J F，Lawrence S K，Joseph R PAluminum alloy 2519 in military vehicles JAdvanced Materials and Processes，2002，160(9)：43-46.Joelj DThe friction stir welding advantage JWelding Journal，2001，80(5)：30-34.Thomas W M，Nicholas E