2014-T6鋁合金攪拌摩擦焊接工藝及塑性體流動研究.pdf

1、2014-T6鋁合金是航天工業(yè)中應(yīng)用廣泛的一種有色金屬材料，采用傳統(tǒng)熔焊技術(shù)焊接容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，以下簡稱FSW）是英國焊接研究所發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，與熔化焊相比，具有許多顯著的優(yōu)點。采用FSW技術(shù)焊接鋁合金，研究攪拌頭和焊接工藝參數(shù)對接頭微觀組織、力學(xué)性能及焊接過程焊縫金屬塑性體流動的影響，對于揭示攪拌摩擦焊接頭形成機理和開發(fā)FSW工藝具有重要的理論意義和實際應(yīng)用

2、價值。
　　成功地焊接了8mm厚2014-T6鋁合金。對接頭進行微觀組織分析表明，接頭橫截面存在4個典型分區(qū)：焊核區(qū)和軸肩擠壓區(qū)發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，形成了細小的等軸晶組織；熱機影響區(qū)在攪拌針機械擠壓和熱循環(huán)的雙重作用下發(fā)生了較大程度的變形；熱影響區(qū)僅受熱循環(huán)的作用，組織有粗化現(xiàn)象。當焊接速度100mm/min，旋轉(zhuǎn)速度400rpm時，接頭最高抗拉強度可達360MPa，約為母材的78％。將接頭分為上中下三層，每層的力學(xué)性能不同，當接頭

3、存在缺陷時，拉伸強度受缺陷的影響而急劇下降，無缺陷時，上層強度最高，中間層強度最低，其強度差異可以達到50MPa左右。接頭不同部位的強度和斷裂位置與微觀組織變化和顯微硬度分布有關(guān)。
　　設(shè)計了不同形狀及尺寸的攪拌頭，在相同的焊接參數(shù)下，研究了攪拌頭形狀和尺寸對焊縫外形、接頭微觀組織及接頭力學(xué)性能的影響。研究結(jié)果表明：攪拌頭是FSW技術(shù)的關(guān)鍵，對焊縫的微觀組織和力學(xué)性能具有重要影響。對于中等厚度的2014-T6鋁合金板材，采用圓錐螺

4、紋攪拌針+內(nèi)凹錐面軸肩的攪拌頭是一種合理的選擇，攪拌針直徑與板材厚度之比約為1:1，軸肩直徑與攪拌針直徑之比約為3:1～4:1時，得到性能良好的接頭。
　　采用“標記嵌入技術(shù)”實現(xiàn)了FSW過程中塑性材料流動的可視化，分析了攪拌頭形狀和焊接工藝參數(shù)對材料流動的影響。結(jié)果表明：焊縫金屬材料流動相對于焊縫中心線是非對稱的，在前進邊一側(cè)，既有材料向前流動也有材料向后流動；在回撤邊一側(cè)，材料只發(fā)生向后運動。采用三維圖像重建技術(shù)對得到的試驗數(shù)

5、據(jù)進行分析表明，在焊縫中存在一個垂直方向上的塑性體流動，前進邊的金屬向下運動，回撤邊的金屬向上運動，兩者的相互運動形成一個循環(huán)。攪拌頭形狀直接影響 FSW過程中材料的流動。當采用圓柱和圓錐攪拌針焊接時，材料在垂直方向上的流動不明顯，且存在一個“空白”。當采用圓錐螺紋攪拌針進行焊接時，“空白”消失，材料在焊縫垂直方向上有一個比較明顯的循環(huán)運動。焊接工藝參數(shù)對FSW過程中材料流動也具有重要影響，減小WP（Weld Pitch，攪拌頭旋轉(zhuǎn)一周

6、所前進的位移），會使材料在垂直方向上的混合加劇。
　　基于流體力學(xué)理論，建立了FSW焊縫金屬塑性體流動的三維數(shù)學(xué)模型。模擬結(jié)果表明，前進邊和回撤邊的材料均從回撤邊繞過攪拌針而流動；前進邊中下部材料向下運動，回撤邊材料向上運動。模擬結(jié)果與上述“標記嵌入技術(shù)”可視化試驗結(jié)果吻合較好。對模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在一定的焊接工藝參數(shù)下，攪拌針周圍粘度隨著與攪拌針距離的增大而增大。在0η（4×105kg·m-1·s-1）粘度等值線附近，材料粘度發(fā)

7、生突變，攪拌針與0η等值線之間的區(qū)域?qū)?yīng)于實際接頭的焊核區(qū)。該區(qū)域外圍，存在一個材料粘度劇烈變化的1η粘度帶，在很窄的區(qū)域內(nèi)粘度值迅速增大一倍(1～2×107kg·m-1·s-1)。
　　η等值線與1η粘度帶之間的區(qū)域?qū)?yīng)于接頭的TMAZ區(qū)。這種劃分方法與實際接頭中的焊核區(qū)和TMAZ區(qū)形狀相一致。0模擬了不同形狀攪拌頭的塑性流動，結(jié)果表明，攪拌頭形狀影響模擬結(jié)果中的速度場分布。采用圓柱和圓錐攪拌針時，在焊縫底部易流動區(qū)附近，材料易

8、產(chǎn)生分離運動，這種材料的分離運動容易造成孔洞缺陷，實際焊接中也在相應(yīng)位置發(fā)現(xiàn)了孔洞缺陷。平軸肩模型中，軸肩下方易流動區(qū)附近也發(fā)現(xiàn)了材料的分離運動。
　　研究了焊接工藝參數(shù)對塑性材料流動的影響。旋轉(zhuǎn)速度對0η易流動區(qū)和1η變形區(qū)都有影響，而焊接速度主要影響1η變形區(qū)。當旋轉(zhuǎn)速度減小時，η易流動區(qū)內(nèi)材料運動不均勻，流動性差，1η粘度帶變窄且向攪拌針靠近，同時攪拌針受力增大；增大焊接速度或減小旋轉(zhuǎn)速度時，焊縫中部和底部1η變形區(qū)減小，攪