搅拌摩擦焊接头缺陷分析

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上半月出版Casting·Forging·Welding金属铸锻焊技术●失效分析●搅拌摩擦焊接头缺陷分析达朝炳（中石油中亚天然气管道有限公司，北京100011）摘要：通过对搅拌摩擦焊接焊缝中的缺陷进行分析研究，认为其缺陷主要分为外观缺陷与内部缺陷，并进一步对其缺陷位置、形态及出现原因给予了说明。关键词：搅拌摩擦焊；焊接缺陷；隧道形缺陷中图分类号：TG453+.9文献标识码：A文章编号：1001-3814(2009)05-0133-02AnalysisofJointDefectsofFrictionStirWeldingDAChaobing(Trans-Asiagaspipelinecompanylimited,Beijing100011,China)Abstract：Thepapermainlyconcentratesonthedefectsgenerallyappearedintheweldofthefictionstirwelding.Thedefectscanbedefinedasexternalandinternaldefectsintermsoftheirpositions,furthermore,theformationmechanism,structurefeatureandthelocationofdefectswerealsodemonstrated.Keywords：frictionstirwelding;weldingdefect;tunneltypedefects搅拌摩擦焊(FSW)是基于摩擦焊技术的一种FSW表面缺陷一般包括：飞边、表面V形沟固相塑性连接技术。虽然FSW与常规焊接方法渠、表面过热、未焊透等。飞边是由于搅拌头下压相比具有很多优点，如焊缝中不会出现裂纹、夹量大，致使沿搅拌头前进侧出现母材成薄片丝状渣、咬边、未焊合及气孔等缺陷，但当焊接工艺选脱离焊缝表面。焊接中容许出现一定的飞边量，以择不当时，在焊缝内部还是会出现隧道型孔洞、疏保证搅拌头轴肩与表面充分接触摩擦，提供焊接松组织或表面沟渠型缺陷、两侧过多飞边等缺陷，所需的部分热量；但飞边量过多会在前进侧出现致使焊缝质量变差；另一方面，由于FSW工艺的因塑性材料不够的沟槽。出现表面V形沟渠的主特殊性，当接头中出现缺陷后，只能采用其它方法要原因是焊缝单位长度内摩擦热严重不足或者板进行返修，或者废弃。因此，对FSW接头中出现材厚度过大，搅拌头形状设计不合理，导致摩擦热的缺陷进行分析，对如何进行正确选择焊接工艺在板厚方向上分布不均。在适当工艺参数下，增大参数有重要的意义。本文针对FSW铝合金、铜合搅拌头轴肩下压深度，加大其摩擦程度，能在一定金中出现的常见缺陷，对其形成原因进了分析。程度上消除表面沟渠。但下压量增大，同时导致飞边增加，焊缝表面成形不美观，如图1（a）示。另一1搅拌摩擦焊焊缝表面缺陷分析未焊透飞边(a)飞边(b)表面过热(c)背部未焊合图1紫铜搅拌摩擦焊表面缺陷Fig.1Thesurfacedefectsoffrictionstirweldingofcopper方面，焊缝单位长度内搅拌头提供的热量过大，也收稿日期：2008-11-06会使表面焊缝成形变差，过热的塑性金属在轴肩作者简介：达朝炳（1972-），男，甘肃景泰人，焊接高级工程师，硕士，主要研究方向为铜的搅拌摩擦焊;压力下溢出搅拌头轴肩，或者表面出现环间距不电话：0937-8933827；E-mail:dcbom@163.com均现象，如图1（b）如示。当搅拌针太短或者搅拌《热加工工艺》2009年第38卷第5期133 金属铸锻焊技术Casting·Forging·Welding2009年3月针端部摩擦热量不够时，就会造成焊缝背面未焊塑性金属主要在搅拌针搅拌挤压作用下发生了晶透现象，如图1（c）。因此，对于表面焊接质量的控粒细化，而靠近这个区域的材料由于受到热量不制，主要是在设计合理的搅拌头形状前提下，保证够，没有达到塑性程度，与相邻区域塑性金属发生合适的轴肩下压量及选择合理的焊接速度与旋转分离而随搅拌针移动，而后续金属因为塑性程度速度匹配值来达到接头均衡的热量输入。不够，没有填充空缺，就形成了缺陷。因为大晶粒与小晶粒分界线应力较集中，因此发生塑性分离。2搅拌摩擦焊焊缝内部缺陷分析在上图中可明显看出热量不够，因此晶粒没有变FSW焊缝内部常见缺陷是在接头横截面中形长大。出现的孔洞缺陷。孔洞一般沿着焊缝走向分布，由为了进一步了解搅拌针周围塑性变形区域的于孔洞长，个别从焊接开始到终端一直存在，因此大小，对焊缝末端匙孔进行分析观察，如图4所[1-3]在各种文献中也叫隧道型缺陷。图2所示是在示。从图中发现，搅拌针旋转前进对周围金属有一焊接紫铜与黄铜时出现在焊缝内的孔洞缺陷。图定程度的影响，在返回侧、前进侧离搅拌针一定距左侧为前进侧，右侧为返回侧，从图中可以看出，离的区域内出现了晶粒细化现象，由于这个区域内这种缺陷存在于前进侧，也是接头发生强烈塑性晶粒与焊核区晶粒大小、形状无显著变化，因此在金属流的焊核区与轴肩影响区之间。从接头横剖某种程度上也属于焊核，不属于热机械影响区，搅面方向上看，塑性材料从上下两个方向流向缺陷拌针前进侧细化晶粒区宽度大于（下转第137页）处汇集，由于软化不充分，材料因为不能充分流动而形成孔洞；从接头纵向考虑，由于前进侧的金属在搅拌头的搅拌挤压下被移动到返回侧，而前进侧金属由于塑性程度不够，在搅拌头连续旋转行走过程中没有充足的材料补充便形成了贯穿焊缝的缺陷。25μm25μm(a)孔洞处显微组织(b)前进侧流动组织图2FSW接头中形成的隧道型缺陷Fig.2ThetunneldefectsinthejointofFSW从上面的分析中可知，出现缺陷的根25μm25μm本原因是因为焊缝内热量不够，不足以使(c)前进侧热机械影响区(d)前进侧热机械影响区图3孔洞周围晶粒显微组织塑性金属达到FSW所需要的流动性能。由Fig.3Themicrostructurearoundthekeyhole于FSW过程中前进侧温度比返回侧温度[4-5]低，因此，这种缺陷一般出现在前进侧热机械影响区，而不是在焊核区。图3是图2中各区域的微观组织图。通过观察发现，缺陷周边的晶粒大小相差很大，但形状基本没有出现拉长或沿变形方向生长，其变形区宽度仅约为20μm，在(a)返回侧(b)前进侧分界线外侧很小范围内晶粒出现了细化。图4焊缝未端匙周围细晶粒区域范围这表明大于搅拌针直径一定宽度区域内的Fig.4Themicrostructuredimensionnearthepinhole134HotWorkingTechnology2009,Vol.38,No.5 上半月出版Casting·Forging·Welding金属铸锻焊技术（1）在止推轴承座挤压.5°R358R38成形时，对应底面两个凸起在内壁上产生了折叠凹陷，45准其成因是三面金属按正在握紧的手的手指方向流动而产生的。图11成品（2）解决折叠凹陷的图9改进后的凸模Fig.11FinishedproductFig.9Theimprovedpunch方法是，在凸模的相应位置上增加凸起，以破坏三面金属程手掌握紧的流动趋势。凸起的最大尺寸为：宽度与凸模的台阶吻合，弧度最大为58.5°，厚度最小为5mm。参考文献：[1]徐吉生．等径三通多向模锻金属流动规律研究[J]．锻压技术，2002，27（4）：11-14．图10凸起的作用Fig.10Effectofheave[2]张治民,杨宝付，刘奎立．ZTC4合金筒形件等温挤压成形数值模拟研究[J]．塑性工程学报，2004，11(3)：31-34．尺寸如图9所示，其厚度不能小于5mm。[3]HsuTC,Ing-RenShien．Finiteelementmodelingofsheet物理实验验证。加工原来的凸模使其工作段metalformingprocesswithbendingeffects[J]．Journalof长度增加5mm，然后用黄油在相应的位置粘贴月MaterialsProcessingTechnology,1997,63：733-737．牙板以代替凸起。最终加工出的成品如图11所[4]AlbertoBRoggi,AlessandraFascioli1．Artificialvisionin示，没有再出现折叠凹陷。extremeenvironmentsforsnowcattracksetection[J]．IEEETransactionsonIntelligentTransportationSystem,2002,3(3)：4结论162-172．（上接第134页）返回侧细化晶粒区，超过此区域3结论才属于晶粒形状改变的分界线（热机械影响区）。（1）FSW接头的缺陷主要是由外部缺陷与内这说明接头中焊核区是大于搅拌针直径尺寸的，部缺陷组成，其形成原因是由于工艺选择不当，致从图3中分析知，隧道型缺陷就是出现在搅拌针使接头内热输入不够造成的。前进侧细化晶粒区与热机械影响区，从这种意义（2）FSW中出现的隧道型缺陷一般在前进侧上说热机械影响区域宽就会在一定程度上提供随热机械影响区。搅拌针流动所需要的塑性材料，避免出现隧道型孔洞。因为如果这个区域内的晶粒有足够的热量参考文献：和变形，就能保持一定的伸长率，而不会出现由于[1]TakeshiShinoda.Recentdevelopmentoffrictionstirwelding晶粒尺寸突变导致这个区域内材料分离现象，这process[J].LightMetalWeldingandConstruction,1999;37(9):406-412.个区域内材料分离不是由搅拌针直接作用在上面，[2]王希靖,达朝炳，李晶，等.搅拌摩擦焊缝中的洋葱环形成分而是通过晶粒间相互作用摩擦产生的。因此，如果发析[J].中国有色金属学报2006,16(10):1672-1677.生分离，将很难填补空白。[3]ShibayanagiToshiya,MaedaMasakats-Au.Microstructure综上所述，防止接头中出现隧道型缺陷的根andHardnessinaJointof7075AluminumAlloyFrictionStir本措施是保证焊缝单位长度内摩擦热量的大小及Welded[J].ProceedingofIIWPre-AssemblyMeetingon被焊材料在这种状态下转移流动能力。因此，对于FSWinNagoya2004，（1）:205-211.[4]王希靖，郭瑞杰，阿荣．搅拌摩擦焊接头的温度检测[J].电焊不同材料，搅拌头形状及材质的选择是决定焊缝机，2004,34(1):22-24.质量好坏的首要条件，其次要根据不同材料、不同[5]王希靖,达朝炳，李晶，等.黄铜H62搅拌摩擦焊接头微观组厚度正确选择旋转速度及焊接速度。织与性能[J].中国有色金属学报2006,16(5):775-780.《热加工工艺》2009年第38卷第5期137