分析铝合金搅拌摩擦焊焊接过程缺陷分析.pdf

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维普资讯http://www.cqvip.com学兔兔www.xuetutu.com口口口金搅拌摩擦焊焊接过程缺陷分析★口王磊口谢里阳口李兵东北大学机械工程与自动化学院沈阳110004摘要：搅拌摩擦焊虽然能够避免熔焊过程中产生的缺陷，但若工艺参数选择不当，也会引入新的缺陷，包括隧道型、孔洞和沟槽、飞边、z线与界线、吻接、摩擦面、背部等缺陷。在大量试验的基础上。总结了国内外搅拌摩擦焊焊接过程中出现过的缺陷种类，分析了缺陷产生的原因及其危害，提出了避免缺陷产生的方法，对生产实践具有一定指导作用。但是关于搅拌摩擦焊焊接过程中缺陷的形成机理还有待更深入的研究。关键词：搅拌摩擦焊缺陷隧道Z线吻接中图分类号：TG441文献标识码：A文章编号：1000—4998(2008)02—0005—05Abstract：Applicationoffrictionstirweldingcanavoidthedefectsarisinginfusionwelding．However，newdefectswillappearifimproperparametersareadopted，includingtunneldefect，holeandgroovedefect，findefect，zigzaglineandboundary，kissbond—ing，fayingsurface，etc．Basedonagreatnumberoftests，thevarietiesofdefectsarisinginfrictionstirweldingprocessathomeandabroadaresummedup，thecausesandhazardsofthedefectsanalyzedandthemethodstoavoidthedefectsprovided．Moreattentionshouldbefocusedonthe~rmingmechanismofdefectsinfrictionstirwelding．KeyWords：FrictionStirWeldingDefectTunnelZigzagLineKissBonding避免缺陷的出现作详细分析。1概述2．1隧道型缺陷搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所(TWI)于1991年隧道型缺陷是比较典型而且危害最大的一种缺发明的一种新型固相焊接技术⋯，可以焊接传统熔焊陷，这种缺陷通常位于接头前进侧的中下部，如图1(a)，难以焊接的金属，尤其在铝合金焊接方面取得了巨大焊接完成后从匙孔处可看到这种缺陷，它贯穿整个焊的成功，几乎可以焊接所有系列的铝合金。随着搅拌摩接过程，图1(b)为X射线透射照。擦焊技术的快速推广，目前理论研究进展已远远落后于实际应用进程，大部分研究都是关于焊接工艺参数的优化和接头组织性能，而对于焊接过程中产生的缺陷还缺乏系统全面的认识，这为该技术的进一步发展埋下了隐患。虽然搅拌摩擦焊能够避免熔焊中产生的裂纹、气孔等缺陷，但是如果焊接参数选择不当，也会引入新的缺陷，例如隧道型、Z线、吻接等。本文在大量试验的基关于这种缺陷的产生原因，主要有以下几种说法。础上，总结了目前为止搅拌摩擦焊焊接过程中出现过1)试验发现，产生隧道型缺陷的一个原因是工艺的缺陷种类，分析了缺陷产生的原因及其危害，并提出参数选择不当。当焊接旋转速度过小或者焊接速度过了如何避免出现缺陷的方法，对搅拌摩擦焊的实际应大时会在焊缝中产生这类缺陷，因焊接旋转速度减小用具有一定指导作用。和焊接速度增大都会直接导致焊接时焊缝中热输入不足，从而使得塑性状态的金属体积减少，搅拌摩擦头不2缺陷分析断将塑性金属从前进侧转移到后退侧，由于塑性金属搅拌摩擦焊接过程中产生的缺陷主要有以下几的流动性变差，以致前进侧金属未能被来自后退侧的种：隧道型、孔洞和沟槽、飞边、Z线与界线、吻接、摩擦塑性金属及时填充，而导致此区内金属量减少，最终在面、背部等缺陷，下面将就各种缺陷的产生原因及如何此处留下巨大隧道一1。★辽宁省科技攻关项目(编号：2006220025)2)焊接过程中焊缝前进侧与返回侧金属的流动方收稿日期：2007年9B式不同。焊缝前进侧与返回侧塑性金属受到搅拌针的机械制造46卷第522期2OO8／2 维普资讯http://www.cqvip.com学兔兔www.xuetutu.com剪切力及搅拌针前方塑性金属向后的挤压力的共同作搅拌针更容易避免隧道型缺陷的产生，因为带螺纹的用而流动。前进侧塑性金属受到搅拌针的剪切力与焊锥形搅拌针增大了塑性金属的流动性。接方向的塑性金属的挤压力方向相反，如果焊接速度2．2孑乙洞和沟槽过低，搅拌针前方塑性金属向后的挤压作用减弱，因而孔洞分为内部孔洞和表面孔洞，如图3，其形成原在焊接过程中前进侧大量塑性金属被搅拌针剪切到返因有所不同。内部孔洞的形成主要是由于焊接过程中回侧且前方的塑性金属无法及时填充搅拌针后方空问热输入不够，达到塑性化状态的材料不足，材料流动不而形成孔洞。而返回侧金属所受搅拌针剪切力与焊接充分而导致在焊缝内部形成材料未完全闭合的现象。方向的塑性金属的挤压力方向相同，焊后大量金属沉当采用不带螺纹的柱状或锥状搅拌针的搅拌头进行焊积在返回侧，因而隧道型缺陷大多出现在前进侧】。接时，接头容易出现该类缺陷，通常位于接头前进侧的3)在较高的搅拌头转速和焊速下，会造成材料的中下部以及焊缝表面附近，在焊缝-N：度方向上延伸较异常搅动，这种异常搅动也会产生隧道型缺陷，如图2长时就形成隧道型缺陷⋯。(a)，这种隧道型缺陷的形状不同于热输入不足造成的隧道型缺陷，前者明显大于后者。热输入不足造成的缺陷随着压力增大逐渐消失，而异常搅动产生的缺陷对压力并不敏感。产生异常搅动的原因可能是接头上部和下部温度不同。要避免这种内部孔洞的产生，应选择合适的焊接参数，此外在搅拌针上加212螺纹可以增大搅拌针与塑性材料之间的摩擦，产生更多的热量，而且由于螺旋线可以产生一个向下的压力，使塑性材料流动更充分，搅拌更均匀，可以避免这种缺陷的产l--I=~。表面孔洞主要是由于搅拌头转速过慢、焊接速度过快或焊接压力不足造成的。转速过慢，焊速过快，压力不足，导致单位时问的产热不足，发l-I=塑性变形的材料减少，流动性降低，焊缝前进侧的塑性材料被搅拌头带入后退侧后得不到及时补充，从而易在前进侧表面4)当搅拌头的倾角比较小时(≤1．5。)，焊核区也形成孔洞。当转速继续降低，焊速或焊接压力进一步减可能产生隧道型缺陷。这是由于角度较小时，搅拌头搅小，导致热输入严重不足，材料流动能力继续下降，表拌针下部的塑性金属发生沉积，不能随搅拌头的旋转面孔洞沿焊缝长度方向上延伸较长时就形成沟槽缺向上翻转，造成搅拌头行进过程中的空腔得不到很好陷，如图4。的填充，因而在轴肩下方出现了沟槽或隧道型缺陷。随着倾角的增大，这种缺陷将会消失】，而且搅拌头倾角也会影响焊接过程的热输入，随着倾角的增大，产热率增大【。5)试验还发现，当试样之间留有问隙时，常会在焊缝中发现隧道型缺陷。其产生原因是由于间隙的存在使得焊缝连接所需的塑性金属减少，在没有塑性金属补充的情况下只能是在焊缝中形成隧道型缺陷H。综上所述，如果想要避免焊接过程中出现隧道型当搅拌头倾角较小时，也容易在焊核表面出现沟缺陷，除了要选择适当的焊接212艺参数外(搅拌头转槽型缺陷，随着角度继续增大，焊核表面缺陷消失】。速、焊速、压力)，还要保证适当的搅拌头倾角，一般为因此，要避免焊接过程中产l-I=表面孔洞和沟槽型1．5o≤≤4．5。，另外还要避免待焊件之间存在间隙。缺陷，应选择合适的焊速、搅拌头转速和焊接压力，另试验还发现，采用带螺纹的锥形搅拌针比不带螺纹的外搅拌头倾角要保持在1．5。4．5。之问。在文献【10】2008／：2机械制造46卷第522期 维普资讯http://www.cqvip.com学兔兔www.xuetutu.com的研究中指出，如果在搅拌摩擦焊接中搅拌头固定不变，那么获得无孔洞缺陷接头时焊接参数必须满足的条件为：PR／v≥氆式中：P表示焊接压力；V表示焊接速度；R表示搅拌头旋转速度；a是与搅拌头形状和被焊材料物理性能参数相关的数值。对于特定的焊接过程，由于搅拌头和被焊材料是不变的，因此存在一个a的最小值，当上式成立时，接头无孔洞缺陷，否则会产生孔洞缺陷。23飞边飞边缺陷出现在焊缝表面，通常是由于焊接压力过大而导致较多的塑性材料从轴肩两侧被挤出，冷却后形成的一种缺陷，如图5所示。搅拌摩擦焊接过程是一个焊缝材料体积不变的过程，在实际焊接过程中，搅拌头轴肩、搅拌针、未熔化的母材金属形成一个“挤压模”，发生塑性变形的材料在“挤压模”中流动，如果焊Z线的产生主要是由于构件表面残余氧化层的存接压力过大，也就是搅拌头扎入过深，会使“挤压模”体在。随着搅拌针的插入和搅拌过程，构件表面残余氧化积小于正常焊接时的体积，导致部分塑性材N-),A轴肩层被搅碎，混和进入塑性材料，氧化物颗粒沿着晶界分两侧被挤出，冷却后形成飞边缺陷n】。布就形成Z线。这种缺陷一般很难发现，x射线都无法探测到，只能用金相分析或根部弯曲测试才可能有效检测到“”，因此危害很大。要避免焊接过程中出现z线，在焊接开始前要对构件表面彻底清洗和打磨，以去除表面油污和氧化层。如果焊接过程中转速过低则热输入不足，焊缝内塑性金属化不足，就会形成如图7所示的焊缝前进侧焊核区与热力影响区的界线。界线左侧为焊核区，晶粒为近球形的精细等轴晶，右侧为热力影响区。由于焊接过试验还发现，如果轴肩直径过小也容易导致飞边程中焊缝前进侧塑性金属受到搅拌针的剪切力方向与的产生。因为轴肩直径如果太小，对塑性材料的包络能焊接方向的塑性金属的挤压力方向相反。同时由于焊力减小，材料就比较容易从轴肩两侧被挤出。接热输入不足，降低了前进侧焊核区与热力影响区金因此，要避免飞边的产生，应选择适当的焊接压属的塑化程度，因而影响了金属层之间的结合而形成力，也就是适当的压人量，可以用轴肩后沿低于板材表明显的界线】。界线的出现也会在很大程度上降低构面的深度来表示。对于薄板材料，此深度一般为0。1～件的力学性能。要避免这种缺陷，就要选择适当的焊接0。3mm之间，对于中厚板材料此深度一般不超过O。5参数，尤其是焊接转速。mm。另外要选择合适的轴肩直径，当轴肩直径与搅拌2。5吻接针直径之比为3：1时，在适当的工艺参数下施焊容易获得质量较高的焊缝，而搅拌针直径一般取为工件厚度的O9～1。1倍”“。2．4Z线和界线Z线也叫S线，国内也有学者称之为“之形”线，如图6所示。Z线的出现并不会明显影响未经热处理的搅拌摩擦焊接构件的力学性能，但是却会明显降低经过热处理的搅拌摩擦焊接构件的力学性能，尤其对构件疲劳性能有很大的影响。原因是因为构件经热处理后会在Z线附近出现微裂纹12．。机械制造46卷第522期2∞8／2 维普资讯http://www.cqvip.com学兔兔www.xuetutu.com在搅拌摩擦焊接过程中，由于摩擦热输入不足或焊接速度过快，造成前一层转移金属与后一层转移金属之间或者焊缝的转移金属与前行边之间虽然在宏观上形成紧密接触，但在微观上并未形成可靠连接，这就叫吻接，如图8。吻接是搅拌摩擦焊特有的焊接缺陷，会严重降低结构的可靠性，是搅拌摩擦焊最致命的缺陷。擦焊接过程中如果搅拌针长度合适，两块对接板材之间对接面上的氧化物会在搅拌针旋转和平动过程中被打碎，并在搅拌头后部形成致密的接头，氧化物弥散分布在接头中，但如果搅拌针长度比正常尺寸短，搅搅拌头#I-形设计不合理、焊接速度过快或者焊缝拌针在焊接过程中不能完全搅拌焊缝厚度方向上的材热输入过低都会造成这类缺陷的产生。由于常规的检料，尤其是接头下部的材料，加上板材对接面氧化物的测方法很难发现此类缺陷，必须采用相控阵超声波检存在，在焊接后接头根部会出现“裂纹状”的未焊透缺测技术才能有效地检测到，所以危害非常大。通过优化陷⋯-。搅拌摩擦焊工艺可以完全避免此类缺陷1。焊接过程中如果压人量过小，就减少了轴肩与上2．6摩擦面缺陷表面的摩擦热，而且由于搅拌作用使内部金属被搅至摩擦面缺陷是指焊缝表面因搅拌头轴肩的摩擦作表面，焊缝底部得不到足够的材料来填充，因而形成了用而造成的表面不均匀、不连续现象，如图9所示。这类如图11所示的焊缝背部沟槽，从而影响焊缝的成形。缺陷危害性较轻，对于表面成形要求较高的焊缝可以进行适当的人工表面修整。对于大多数铝合金，搅拌摩擦焊焊缝的表面成形良好。对于疲劳性能要求较高的焊缝，必须进行适当的表面修磨处理】。因此要避免上述焊缝背部缺陷，必须选择合适的搅拌针的长度，一般略小于焊件厚度；另外焊接压力和压人量要控制适当。2．8其它缺陷2．8．1根趾部缺陷根趾部缺陷是指搭接或“rr，，形接头搅拌摩擦焊时，由于无法实现搭接面的等宽度焊接，接头的根部和趾部均因未焊透而存在缺口，即形成所谓的根趾缺陷】。2．7焊缝背部缺陷2．8．2切削填充未焊透是搅拌摩擦焊缝背面最常见的焊接缺陷，切削填充是由于搅拌头设计不合理，如形面过度是指在焊缝底部未形成连接或不完全连接而出现的不圆滑、螺纹外形设计太尖锐或太密等造成。切削填充“裂纹状”缺陷，如图10。由于采用长度略小于接头厚度的焊缝是典型的疏松组织，严重损害接头性能，必须予的搅拌头压人焊缝结合面，利用肩台与焊缝表面的摩以避免“】。擦热进行加热、搅拌而形成连接，所以总存在一定厚度2．8．3过热组织的未焊透。焊接过程中当搅拌头旋转速度一定而焊速过慢或焊接压力过小时容易形成根部未焊合。在搅拌摩焊速一定旋转速度过快时，单位长度焊缝上获得的热2008／2机械制造46卷第522期 维普资讯http://www.cqvip.com学兔兔www.xuetutu.com量过多，使焊缝温度接近铝合金的熔化温度而出现组能的影响【J】．焊接学报，2005，26(12)：35—38．织过热，导致接头晶粒尺寸变大，机械性能下降。因此，7ChenHua-Bin，YanKeng，HnTao，eta1．TheInvestigationofTypi-要选择合适的焊接工艺参数来避免产热过多。calWeldingDefectsfor5456AluminumAlloyFrictionStirWelds【J】．MateriMsScienceandEngineeringA，2006，433：64—69．3总结8刘会杰，潘庆，孔庆伟，等．搅拌摩擦焊焊接缺陷的研究【J】．本文总结了搅拌摩擦焊接过程中出现的缺陷类焊接，2007，(2)：17—21．型，并分析了缺陷产生的原因及其危害，介绍了避免缺9赵衍华，林三宝，吴林．2014铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷分析陷产生的方法，但目前对搅拌摩擦焊焊接缺陷的研究【J】．焊接，2005，(7)：9—12．都是从接头性能和焊缝组织的角度出发，对于搅拌摩10张华．镁合金搅拌摩擦焊接工艺及其接头成形机理研究【D】．擦焊焊接缺陷的产生机理还缺乏更深入的研究，随着哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005．搅拌摩擦焊技术的推广和研究的不断深入，有关焊接11王训宏，王快社．搅拌摩擦焊的发展现状及存在的问题⋯．缺陷的研究、分析、检测和修复技术也将迅速发展，这焊接技术，2006，35(6)：1—4．对提高接头质量和可靠性具有重要意义。12LiuHJ，ChenYC，FengJC．EffectofZigzagLineontheMech-参考文献anicalPropertiesofFrictionStirWeldedJointsofanA1-CuMloy1MishraRS，MaZY．FrictionStirWeldingandProcessing【J】．【J】．ScriptaMaterialia，2006，55：231—234．MaterialsScienceandEngineeringR，2005，50(1—2)：1—78．13DiShusheng，YangXinqi，FangDapeng，eta1．TheInfluenceof2KimYG，FujiiH，TsumuraT，eta1．ThreeDefectTypesinFric-Zigzag-curveDefectontheFatiguePropertiesofFrictionStirWeldstionStirWeldingofAluminumDieCastingAlloy【J】．Materialsin7075-T6AIAUoy[J】．MaterialsChemistryandPhysics，2007，ScienceandEngineeringA，2006，415：250—254．104：244—248．3王希靖，阿荣，郭瑞杰．LY12铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究14周万盛，姚君山．铝及铝合金的焊接【M】．北京：机械工业出【J】．兰州理工大学学报，2004，30(4)：12—14．版社，2006．4黄华，董仕节，吴勇，等．LF21板搅拌摩擦焊接头组织与焊接15ZhouCaizhi，YangXinqi，LuanGuohong．EffectofRootFlawson工艺关系的研究【J】．热加工工艺，2006，35(3)：1—3．theFatiguePropertyofFrictionStirWeldsin2024-1"3Aluminum5张忠科，孙丙岩，王希靖，等．铝合金搅拌摩擦焊焊接缺陷分Lloys[J]．MaterialsScienceandEngineeringA，2006，418(1—2)：析【J】．热加工工艺，2006，35(19)：13—15．155—160．△6严铿，曹亮，陈华斌．搅拌头倾角对Fsw成形和接头力学性(编辑禾禾)XNZ2430型重型龙门混联机床获2007工博会金奖XNZ2430型重型龙门混联机床是齐齐哈尔第二机床集团实现在“高、精、尖”重大数控装备上的突破，大大提高了我国承担的国家863项目，曾荣获2007年中国国际工业博览会最制造业基础装备的能力。该机床可广泛用于国民经济各行各高奖——金奖。混联机床，也被称为虚(拟)轴机床或并联运业，特别适用于国防、军工、航空航天、发电设备、模具制造等动学机器，是并联机器人技术和现代数控机床技术结合的产行业加工三维空间曲面的关键精密零件。物，它克服了传统串联结构机床的固有缺陷，具有模块化程XNZ2430型重型龙门混联机床，采用了龙门框架外形，度高、刚性高、运动部件重量轻、加速度大、加工精度高等优运动方式采用了串并联机构。吸取并联机构的高刚度与串联点，可实现多坐标联动数控加工。机构的高灵活性(铣头转角范围大)的特点。工作台的移动(XNZ2430型重型龙门混联机床主要是满足我国制造业轴)采用了伺服电机通过齿轮箱1：4降速后驱动滚珠丝杠，带的关键基础装备需求，用于加工带有复杂曲面形状的较大、动工作台在床身的精密直线导轨上作直线运动；Y1、I'2轴的较长类零件和大型箱体结构件，重点针对大型水轮机叶片的运动由安装在左、右立柱上的伺服电机，通过齿形带轮驱动加工。转轮叶片是混流式水轮机的制造关键，技术含量高，工滚珠丝杠，带动左、右滑板在立柱的精密直线导轨上作直线序复杂，代表了水轮机的制造水平，从使用立体样板人工打运动来实现，左、右滑板通过左、右的联杆机构，合成摆角铣头磨到采用五轴联动数控龙门铣加工，技术不断进步。作为一在y、z轴上的移动；A轴摆角运动由交流伺服电机通过多级种新型的五轴联动机床——龙门式五轴混联机床，从软件开齿轮降速后，驱动主轴旋转。该向反馈由安装在A轴上的旋转发到硬件制造，完全满足了大型混流式水轮机转轮叶片的曲编码器实现全闭环控制；C轴回转运动由交流伺服电机通过面加工，而且具有传统机床无可比拟的优点，创造了具有自多级齿轮降速后，驱动铣头体旋转。该向反馈由安装在C轴主知识产权的研究成果和核心技术，打破了国外技术封锁，上的旋转编码器实现全闭环控制。(刘光淼王振宇)机械制造46卷第522期2∞8／2