不旋转轴肩焊接系统工艺的研究

不旋转轴肩焊接系统工艺的研究

0热输入的影响作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊接具有焊接温度低、剩余压力小、变形小、焊接质量高的优点。它可以取代传统的焊接技术，连接不同的铝和镁材料，避免传统的焊接过程中的孔、大颗粒、热裂纹和金属化合物等缺陷。在铝镁异种材料FSW中,导致铝镁焊接工艺窗口狭窄的主要原因是焊接接头对焊接热输入敏感性较高.在过低的热输入下,材料流变阻力增大,搅拌针无法驱动焊核区(nuggetzone,NZ)塑性材料流动,引发搅拌针断裂或接头难以成形;过高的热输入易导致NZ材料软化严重且材料流变阻力降低,使NZ材料从轴肩两侧溢出形成飞边缺陷,引起材料外流,使接头减薄量增加,诱发孔洞及隧道缺陷的出现;此外,高热输入极易导致铝镁界面生成大量的金属间化合物,恶化接头力学性能.刘震磊等人工艺参数和搅拌头是影响热输入的主要因素.但由于铝镁异种材料物理和化学属性的差异较大,导致焊接工艺窗口极小对于工艺窗口较窄的铝镁异种材料FSW,文中尝试采用不旋转轴肩进行6061-T6和AZ31B合金的连接,并对比分析了传统和不旋转轴肩工艺下接头成形、显微组织和力学性能等差异.1轴肩、搅拌针顶部直径的选择采用3mm厚6061-T6铝合金和AZ31B镁合金作为研究对象,其尺寸为300mm×100mm×3mm.外部不旋转轴肩外径和内径分别为14和11mm.内部旋转搅拌头的轴肩、搅拌针根部和顶部直径分别为10,5和3mm;搅拌针长度为2.8mm.搅拌头下压量为0.1mm且倾角为2.5°.搅拌头转速和焊接速度分别为1000r/min和60mm/min.焊接过程中,镁合金和铝合金分别置于焊缝的前进侧(advancingside,AS)和后退侧(retreatingside,RS),增强RS铝合金材料向AS流动,促进焊缝成形.搅拌针偏镁合金0.3mm.采用电火花线切割机沿垂直于焊接方向制备金相及力学性能试样.采用Keller试剂和苦味酸分别进行铝合金和镁合金侧金相腐蚀2试验结果与分析2.1接头宏观形貌图1为传统和不旋转轴肩工艺下接头表面成形.可见,传统工艺下接头表面出现大尺寸飞边缺陷,而不旋转轴肩有效地抑制了飞边缺陷的产生,如图1a,b所示.内部旋转搅拌头在不旋转轴肩的包围下形成一个封闭的腔室,可抑制高温下的塑性材料从内部旋转轴肩两侧溢出;同时,外部的不旋转轴肩会对焊缝表面起到“抹”的作用,亦有利于减小甚至消除飞边缺陷.图2为两种工艺下接头宏观形貌.由于不旋转轴肩有效地抑制飞边缺陷的形成,减少塑性材料的流失,因此不旋转轴肩工艺下接头无明显的厚度减薄现象,有利于增加接头承载并延缓裂纹扩展.此外,两种工艺下接头均无隧道或孔洞等缺陷.NZ主要以铝镁层叠交错的条带状组织为主要特征,且均出现典型的洋葱环形貌.这主要是由于焊接过程中,随着搅拌针的旋转和前进,搅拌针周围不断地形成塑性金属的软化层在搅拌针后方堆积所造成.事实上,洋葱环形貌的形成可增强两种材料机械咬合效果,促进铝镁异种材料的冶金结合,有利于提高接头的力学性能.不旋转轴肩工艺下接头NZ铝镁叠层组织所占体积远大于传统工艺,表明不旋转轴肩的引入可促进NZ材料流动,增强铝镁异种材料的混合程度和冶金结合效果.观察两种工艺下接头AS和RS铝镁界面冶金结合长度,不旋转轴肩工艺下AS和RS界面冶金结合长度均大于传统工艺,这源于良好的材料流动行为.Firouzdor等人图3为两种工艺下接头AS铝镁连接界面形貌.可见,两种工艺下接头连接界面均形成了白色条带状组织.EDX分析结果表明白色条带状组织为铝镁金属间化合物.不旋转轴肩工艺下白色条带状组织宽度小于传统工艺.Mofid等人2.2铝镁异种及异体表面硬度的分布图4为两种工艺下接头横截面显微硬度分布,呈不均匀分布.对铝镁异种FSW接头,NZ内显微硬度分布与强化相分布、大小、种类以及硬脆性金属间化合物的种类、分布和大小密切相关2.3接头拉伸性能图5为两种工艺下接头拉伸性能.不旋转轴肩的引入极大地提高了铝镁异种接头的拉伸性能.当焊接速度、转速和偏移量(镁侧)分别为60mm/min、1000r/min和0.3mm时,不旋转轴肩工艺下接头最大抗拉强度和断后伸长率分别为137MPa和1.6%,分别比传统工艺提高了28%和35%.首先,不旋转轴肩阻止塑性材料溢出焊缝表面,减少了飞边并使其流入接头内部,得到厚度减薄且无缺陷接头,有利于提高接头的承载能力.其次,焊缝内部金属被包围在封闭的空腔,有利于搅拌头搅拌和混合Al/Mg两种材料,促进两种材料的混合程度和增加铝镁冶金结合界面长度,提高机械咬合能力.在前面的研究中,还提到静止轴肩对焊缝表面具有冷却的作用,可减小金属间化合物厚度,延缓裂纹的扩展.以上综合作用促使不旋转轴肩工艺下接头拉伸性能提高.传统工艺和不旋转轴肩工艺下接头拉伸断裂位置如图6所示.接头断裂位置均位于焊缝AS靠近热力影响区位置,该位置主要由连续的金属间化合物层组成.虽然在焊缝RS铝镁连接界面亦生成金属间化合物层,但通过组织观察可见,AS铝镁连接界面长度远小于RS,导致承载能力较低且不利于延缓裂纹扩展,从而导致接头韧性较差.这与Zhao等人3不旋转轴肩聚合反应原理(1)不旋转轴肩的引入可阻止塑性材料溢出焊缝,改善铝镁异种材料FSW接头表面成形,抑制飞边缺陷且焊缝厚度减薄量显著减少,有利于得到厚度减薄和飞边小的铝镁焊接接头.(2)不旋转轴肩具有“热沉”作用,降低金属间化合物厚度协同其诱导的剧烈材料流动,促进两种材料混合程度和增加连接界面长度,提高咬合效果.