【精品】铜铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺

【精品】铜铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺内容摘要：

焊 研 究 柯黎明 [14]用搅拌摩擦焊 对 LF6 铝合金和 Q235 低碳钢板进行了搭接焊和对接焊。 发现在铝合金与钢搅拌摩擦焊对接接头中新生成了金属间化合物，其成分是 Fe3Al，该化合物具有较高的硬度和脆性，对焊缝性能有不利的影响。 搭接接头横截面中钢深入到铝合金母材里，并形成了形似 ―钳子 ‖的突出部分，如图 21 示。 研究认为，这种―钳子 ‖结构增大了了铝板和钢板之间的机械结合力，使得接头机械性能提高。 Kimapong[24]采 用搅拌摩擦焊对接接头焊接了 2mm厚的 AA5083 铝合金和 SS400低碳钢。 发现在同样的焊接参数下钢位于前进边时可以获得良好的接头；钢位于返回边时，无法获得无缺陷的接头。 在其对接接头中没有洋葱环状形貌，而是不连续的钢条带沿类似漩涡流线方向分布于铝合金基体中。 在焊核的上部，钢条带和铝合金基体的界面处有少量的金属间化合物，可能是 FeAl3。 产生的原因可能是由于搅拌头轴肩与材料表面的摩擦放出了大量的热，促使了铁和铝的反应。 等 [25]焊接了 6mm 厚 AA6061 铝合金和 AISI1018 钢，在其接头中也 未发现洋葱环状形貌，代之以不连续的钢条带分布在铝合金基体中。 在焊接过程中，工件上的最高温度超过了 AA6061 铝合金的熔点，使得少量的 AA6061 铝合金发生了熔化，两种金属强烈作用，产生了金属间化合物 Al13Fe4 和 Al5Fe2。 这造成了焊核中不同位置的显微硬度值相差很大，某些部位的显微硬度大于钢的硬度，同时也使得当搅拌头材料为工具钢时，焊接时搅拌头磨损很快。 搅拌摩擦焊搭接界面迁移现象的研究 现状 柯黎明 [26]在对 搅拌摩擦焊接头成形规律 的 研究中 提出：当使用搅拌针表面带有螺纹的搅拌头进行焊接时，焊核 外围的高温塑化金属将视搅拌针表面螺纹的旋向，沿板图 21 铝合金与钢搅拌摩擦焊搭接接头截面形态 南昌航空大学学士学位论文 7 材上部或下部流动，同时原始搭接界面也将朝焊缝上部或下部移动而进入板材内部。 他还指出，当搅拌针表面为左螺纹时，原始界面伸入上板材，而搅拌针表面为右螺纹时，原始界面伸入下板材。 同时他还认为，采用左螺纹和右螺纹搅拌针焊接的相互平行且距离较近的复合焊缝可以消除原始界面伸入对接头强度的影响。 [27]在对纯铝和低碳钢的搅拌摩擦搭接焊的研究中，通过改变焊接工艺参数进行焊接，之后进行剪切试验，发现接头的剪切强度随着搅拌头旋转速度的增加而增加，随着焊接速度 的增加稍微降低。 分析认为其原因是焊缝横截面上焊核中的界面形态不同造成的，当两板中的界面相互迁移深度越深，焊缝的剪切强度越高。 ChangYong Lee 等 [28]对 5052 和 6061 铝合金的搅拌摩擦焊搭接接头性能进行了研究，研究发现：焊缝横截面的迁移界面具有前进、返回边同时垂直向上迁移或同时垂直向下迁移两种形态，且随着旋转速度的增加和焊接速度的降低，接头的断裂载荷都有所降低。 分析认为旋转速度的增加和焊接速度的降低使得单位时间内焊缝中发生迁移的金属量增加，迁移界面的迁移量越大，且形状更尖锐，使得界面尖端应力 集中更严重，从而降低了接头的断裂载荷。 搅拌摩擦焊的显微组织和金属流动的研究 现状 王希靖等 [29]在对黄铜 H62 搅拌摩擦焊接头的微观组织及性能研究表明：用搅拌摩擦焊焊接板厚 5 mm 的黄铜 H62 时，搅拌头旋转速度为 400～ 900 r/min、 焊接速度为 35～ 100 mm/min，焊接速度与搅拌头旋转速度 的比值保持在 ～ 之间，压入深度在 ～ mm 之间时，可得到组织致密、无孔洞的搅拌摩擦焊接头 ； 由于焊缝金属经历了高温搅拌、加压作用，接头组织经历了动态回复与动态再结晶，焊接接头可 分为细小均匀的等轴晶组成的焊核区、变形拉长的热力影响区、再结晶不充分的热影响区。 用搅拌摩擦焊进行焊接，得到的黄铜接头的力学性能比母材要低，其接头平均抗拉强度可达到母材 88%， 最大可达到 %， 而常规焊接方法得到的接头只能达到原母材抗拉强度的 40%～ 60%。 柯黎明 [26]提出了焊缝塑性金属在焊缝厚度方向迁移的 ―抽吸 挤压 ‖理论假说，其基本表述如下： 在搅拌摩擦焊条件下，由于搅拌针表面螺纹仅具有有限长度，其一端为搅拌头的轴肩，另一端为刚性的底板，焊接过程中搅拌针端部与底板间的距离保持不变。 当搅拌头旋转引起塑 性金属沿螺纹表面轴向流动时，必存在一入口端和一出口端。 在入口端，有可能形成一瞬时空腔，周围塑性金属将被吸向此空腔，形成所谓抽吸效应；在出口端，塑性金属将改变流向并挤压周边金属，形成所谓挤压效应；正是由于空腔对塑性金属朝焊缝中心的抽吸作用和挤压区往外对塑性金属的挤压作用，使南昌航空大学学士学位论文 8 高温塑性金属在搅拌针轴向形成剧烈的迁移运动。 图 22为带左螺纹的搅拌针的搅拌头顺时针旋转时 ―抽吸 —挤压 ‖理论模型示意图。 搅拌针端部金属脱离搅拌针朝周围呈辐射状挤压，将原来在搅拌针端部的金属挤向更远的区域。 王晓东 [30]在其对搅拌摩擦焊焊缝塑性金属在焊缝厚度方向的迁移行为的研究中，结合相关的试验对 ―抽吸 —挤压 ‖理论进行了验证。 研究还发现：增大搅拌头轴肩下压量和在一定范围内增大搅拌头旋转速度与焊接速度的比值 n/v，都能使单位时内塑性金属的迁移量增加，焊缝厚度方向的 ―抽吸 —挤压 ‖效应增强。 栾国红 [31]通过对搅拌摩擦焊的焊接行为和焊接接头的金相图的观察和比较，主要是对异种铝合金 Al6061 和 Al6024 分别进行了搅拌摩擦焊开敞式试验、急停试验、搭接试验，并在实验结果的基础上对搅拌摩擦焊的流变特性进行了分析和讨论后认为：在 纵向搅拌摩擦焊时，搅拌头的前方上部区域塑性金属向下运动，前下部区域塑性金属沿搅拌头并由其返回边向前进侧移动；在搅拌头后方区域观察到双层薄层间混结构组织，在薄层结之间存在无序混合区等现象。 张武等 [32]通过采用镶嵌紫铜箔作为标示材料对 LY12 进行了焊接试验， 焊后观察焊缝横截面上塑性材料的迁移行为。 研究结果表明 :在焊缝横截面上 ， 探针附近的塑性材料沿带左旋螺纹的探针表面从焊缝上表面螺旋迁移至焊缝底部 ， 从四周向焊缝表面迁移 ， 在厚度方向上形成一个连续迁移的循环路径。 塑性变形的区域关于焊缝中心不对称 ， 塑性材料在焊缝中 心形成类似于倾斜 ―花瓶 ‖状的形貌。 从焊缝表面至底面 ， 塑性变形区宽度逐渐减小 ， 前进边塑性材料向焊缝表面迁移的距离小于返回边 ，前进边塑性变形区小于返回边。 图 22“抽吸 — 挤压”理论模型示意图 南昌航空大学学士学位论文 9 搅拌摩擦焊接头的力学性能 研究现状 邢丽 [等 33]在防锈铝 LF6 的固态塑性连接工艺的研究中认为：用固态塑性连接方法焊接防锈铝 LF6(M)，其接头强度可以达到母材的强度，其背弯和正弯角度可达到1800；焊接规范对接头的力学性能有影响，不同厚度的板材，存在一个最佳力学性能规范区 FSW 单边沟槽缺陷的形成和位置与焊接规范和搅拌头的旋转方向有关，它们是金属塑性流 动的结果。 王训宏等 [34]对铝镁异种材料搅拌摩擦焊接头特点与脆性本征的研究认为：铝合金与镁合金的晶粒以河流状汇合的方式充分地交织在一起，晶粒的分布具有明显的梯度特征。 当这种混合的交织状态过渡到热机械影响区时可以发现，随着速度梯度的变化，混合的均匀程度明显减弱，呈现层状的结合状态。 从焊接接头断口的扫描电镜形貌可以看。