铝硅铜合金的双面搅拌摩擦焊接

铝硅铜合金的双面搅拌摩擦焊接

0超细搅拌焊焊接参数的优化抗疲劳抗剂al-si-cu具有良好的耐候性、耐腐蚀性和高比强度。因此，这种材料在汽车和航空航天领域得到了广泛的应用。通过使用焊接和焊接这种材料，可以容易产生孔、夹渣、裂纹等缺陷，焊接强度低，这大大限制了这种材料的使用。迫切需要解决焊接问题。搅拌摩擦焊接具有高效、环保、焊接能力强等优点。它可以有效防止焊接过程中焊接材料中的焊接存在孔、裂纹、变形等缺陷。因此，它非常适合于耐铝和镁等简单耐酸材料的焊接，尤其是对大多数裂纹敏感的铝的焊接。目前，只能使用搅拌摩擦焊接金属冠的铝合金主要有2000系列、5000系列、6000系列、7000系列和8000系列。关于研磨铝合金的混凝土摩擦焊接很少。这项研究的重点是对连接微观组织和力学性的分析。文中对10mm厚的Al-Si-Cu铸造合金进行了双面搅拌摩擦焊(D-FSW),对接头的显微组织和力学性能进行分析,优化这种搅拌摩擦焊焊接参数,为这种材料的焊接提供基础数据.1焊接工艺试验和金相分析试验过程试验材料为10mm厚高强度、高耐磨性的铸态BH135铝硅铜合金板材(Al-Si11.5～12.0-Cu3.0～4.0-Mg0.8～1.5-Ni1.5～2.5-Mn0.1～0.3,质量分数,%).将板材加工成尺寸为260mm×75mm的焊接试板,采用FSW-3LM-3012焊机对其进行双面焊,即先焊正面焊缝,再焊反面焊缝.正反焊道前进侧位于同侧的称为异向焊接,正反焊道前进侧位于异侧的称为同向焊接.所用的圆台状搅拌头轴肩直径为12mm、搅拌头直径为6mm、长度为6mm.焊接时保持搅拌头倾角和预热时间不变,研究焊接速度、搅拌头旋转频率、反面焊道的焊接方向等对焊缝成形和性能的影响.采用的焊接参数为:搅拌头倾角2.5°,预热时间20s,焊接速度8～15mm/min,搅拌头旋转频率850～1100r/min.正反面焊接参数相同.利用线切割机沿垂直于焊接方向将接头切割成金相分析试样.金相分析试样采用金刚石悬浮液抛光后用0.5%HF试剂腐蚀,在数字式光学显微镜下观察并采用DHV-1000数显显微硬度计对试样接头硬度分布进行测量.按照国家标准GB/T228-2002加工成拉伸试样,在CMT5105微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验.2试验结果与分析2.1旋转频率调整法关于表面沟槽的影响采用所选焊接参数焊接的焊缝正面焊道成形均良好,但不同参数对反面焊道的表面成形影响较大.当正、反面搅拌头旋转频率为850r/min,焊接速度15mm/min或搅拌头旋转频率1000r/min,焊接速度15mm/min时,反面焊道的焊接方向无论是与正面相同还是相反,其前进侧均产生了表面沟槽缺陷,如图1a所示.这可能是由于热输入量较小,塑化金属体积较少,焊缝金属在搅拌头旋转作用下塑性流动较差,导致搅拌头前移后前进侧的小孔不能被及时填满,从而产生表面沟槽.提高旋转频率或降低焊接速度,表面沟槽尺寸减小,直至消失.采用旋转频率850r/min,焊接速度8mm/min或旋转频率1100r/min,焊接速度15mm/min焊接时,表面沟槽完全消失,焊缝成形良好,如图1b所示.但在焊缝内部,反面焊道前进侧仍易出现隧道型孔洞,如图2所示.分析认为焊接初期焊缝前进侧形成的空腔是塑性金属流最后填充的位置,若塑性金属流经后退侧回填过来后温度不够高,金属流动性较差,便会在此处产生隧道型孔洞缺陷.将旋转频率调整为950r/min,焊接速度10mm/min时,在保证较高的旋转频率的同时,降低焊接速度,进一步提高热输入,获得了表面成形良好,内部无缺陷的双面焊接头.2.2次搅拌对焊核组织的作用图3为双面搅拌摩擦焊接头截面的低倍显微组织.可以看出,接头由焊核区(图3中A)、热力影响区(图3中的B1,B2)、热影响区(图3中的C1,C2)和母材区(图3中的D1,D2)组成.前进侧和后退侧位置分别如图3中AS(advancingside)和RS(retreatingside)所示.图4给出了母材以及利用旋转频率950r/min,焊接速度10mm/min的焊接参数焊接的接头各个区域的显微组织.由图4a可看出,铸态母材的微观组织粗大,并且分布着较多的显微孔洞.经搅拌摩擦焊后,焊核区有明显的洋葱环,与母材相比,晶粒显著细化,原始的显微孔洞、裂纹等铸造缺陷消失,如图4b所示.焊接过程中,搅拌头高速旋转使焊缝金属承受巨大的剪切力和摩擦搅拌热作用,焊缝金属发生剧烈的塑性流动,焊核区晶粒发生动态再结晶,再结晶的晶粒来不及长大就在搅拌头的作用下发生破碎.因此焊核区获得细小均匀的等轴晶组织且致密化程度显著提高.从图4b还可看出,焊核中的强化相硅粒子也显著细化,而且其分布更加均匀,这也是搅拌头高速搅拌的结果.在搅拌头的搅拌作用下,硅粒子被打碎,并随着金属的强烈塑性流动而均匀化.比较图4c,d可看出,焊缝前进侧和后退侧有明显的差别.焊缝前进侧因受到搅拌头的摩擦搅拌作用更为强烈,使得焊核区与热力影响区之间的分界线更明显,而金属晶粒和硅粒子更细小.后退侧受到的热力械作用稍弱,其与基体的分界面较为模糊,晶粒破碎程度不及前进侧.对比图4c,e还可看出,二次搅拌对焊缝组织的作用效果比一次搅拌要更加明显,这是因为反面焊道所用的热输入大于正面,而在经历过正面焊道的热循环再焊反面焊道时,工件仍处于较高的温度,而两道焊缝所施加的扭转力矩是一样的,因此,在焊接反面焊道时更易于产生塑性流动,晶粒弥散更加均匀.基体中的强化相硅粒子被破碎得更为细小,且分布更加均匀.图4f为轴肩下压搅拌区,与搅拌头的搅拌区域相比,该区域的金属晶粒和硅颗粒更细小,这说明该区域受到了更强烈的热力搅拌作用.2.3磁粒的分布利用DHV-1000数显显微硬度计测量双面搅拌摩擦焊接头硬度分布,所用载荷为0.2N,加载时间为15s.图5为三组不同焊接参数下焊接接头显微硬度的分布情况.由图5可见,双面搅拌摩擦焊缝中,母材区由粗大的α相和粗大且分布不均匀的硅粒子组成,其硬度值的分布范围很大,压头完全打在铝基体上时硬度只有65HV左右;而压头打在硅粒子附近时,硬度随着压头离硅粒子的距离的远近的变化而发生很大的波动,为70～107HV.焊核中心处的硬度分布范围较小,为75～83HV,这显然是由于该区金属晶粒和硅粒子细化、硅粒子分布均匀化的结果.热影响区尽管晶粒发生长大,但其硬度仍比母材高一些,为69～105HV.热力影响区受到热力双重作用,金属晶粒被拉长或扭曲,硅粒子尺寸也有所减小,因此该区的最低硬度值也有所提高.另外反面焊道的硬度值分布比正面焊道更均匀且略有增大.这是因为反面焊道的晶粒比正面焊道更细小、更均匀.2.4旋转频率及焊接参数焊接的接头断裂分析表1为不同焊接条件下双面搅拌摩擦焊接头的拉伸性能(每个焊接工艺选取三个拉伸试样进行试验,取平均值).从表1可看出,焊接参数和反面焊道的焊接方向对接头性能均具有重要的影响.异向双面焊接头两个焊道的AS侧处于同一侧,拉伸试样的断裂位置都在AS侧或其附近.利用旋转频率850r/min和焊接速度8mm/min,旋转频表1双面搅拌摩擦焊接头的拉伸试验率1100r/min和焊接速度15mm/min等焊接参数焊接的接头均断裂在AS侧,且距焊缝中心较近,接头强度不高,平均强度只达到母材强度的38.1%,28.9%.这是由于这些参数焊接的接头内部有隧道型孔洞缺陷,这些缺陷造成应力集中,在较低的平均应力下该部位就产生裂纹,裂纹迅速扩展,导致接头低强度断裂.利用旋转频率950r/min和焊接速度10mm/min焊接参数焊接的接头仍然断裂在AS侧,但离焊缝中心较远,接头平均强度为145MPa,达到母材的68.7%.而同向双面搅拌摩擦焊接头两个焊道的As侧不位于同一侧,同样的焊接参数下,接头的强度有所提高,不同焊接参数下接头的断裂位置不同.利用旋转频率850r/min和焊接速度8mm/min,旋转频率1100r/min和焊接速度15mm/min两组焊接参数焊接时,接头的抗拉强度分别达到母材的55.1%和43.6%.因为该参数下此处仍存在孔洞缺陷,所以断裂发生在缺陷所引起的应力集中处.而利用旋转频率950r/min和焊接速度10mm/min焊接的接头断裂在反面焊道前进侧,平均抗拉强度值184.3MPa,约为母材强度的87.4%.3双晶圆片双面焊(1)耐磨铝硅铜合金的双面搅拌摩擦焊接参数带很窄,需严格控制工艺参数的选择.当选用搅拌头旋转频率为950r/min、焊接速度为10mm/min的同向焊接工艺组合时,可获得表面成形良好,内部无缺陷的铝硅铜合金双面搅拌摩擦焊接头.(2)双面搅拌摩擦焊接头中金属晶粒显著细化,铸态组织中的