鋁硅銅合金的雙面攪拌摩擦焊接

0超細攪拌焊焊接參數的優化抗疲勞抗劑al-si-cu具有良好的耐候性、耐腐蝕性和高比強度。因此，這種材料在汽車和航空航天領域得到了廣泛的應用。通過使用焊接和焊接這種材料，可以容易產生孔、夾渣、裂紋等缺陷，焊接強度低，這大大限制了這種材料的使用。迫切需要解決焊接問題。攪拌摩擦焊接具有高效、環保、焊接能力強等優點。它可以有效防止焊接過程中焊接材料中的焊接存在孔、裂紋、變形等缺陷。因此，它非常適合于耐鋁和鎂等簡單耐酸材料的焊接，尤其是對大多數裂紋敏感的鋁的焊接。目前，只能使用攪拌摩擦焊接金屬冠的鋁合金主要有2000系列、5000系列、6000系列、7000系列和8000系列。關于研磨鋁合金的混凝土摩擦焊接很少。這項研究的重點是對連接微觀組織和力學性的分析。文中對10mm厚的Al-Si-Cu鑄造合金進行了雙面攪拌摩擦焊(D-FSW),對接頭的顯微組織和力學性能進行分析,優化這種攪拌摩擦焊焊接參數,為這種材料的焊接提供基礎數據.1焊接工藝試驗和金相分析試驗過程試驗材料為10mm厚高強度、高耐磨性的鑄態BH135鋁硅銅合金板材(Al-Si11.5～12.0-Cu3.0～4.0-Mg0.8～1.5-Ni1.5～2.5-Mn0.1～0.3,質量分數,%).將板材加工成尺寸為260mm×75mm的焊接試板,采用FSW-3LM-3012焊機對其進行雙面焊,即先焊正面焊縫,再焊反面焊縫.正反焊道前進側位于同側的稱為異向焊接,正反焊道前進側位于異側的稱為同向焊接.所用的圓臺狀攪拌頭軸肩直徑為12mm、攪拌頭直徑為6mm、長度為6mm.焊接時保持攪拌頭傾角和預熱時間不變,研究焊接速度、攪拌頭旋轉頻率、反面焊道的焊接方向等對焊縫成形和性能的影響.采用的焊接參數為:攪拌頭傾角2.5°,預熱時間20s,焊接速度8～15mm/min,攪拌頭旋轉頻率850～1100r/min.正反面焊接參數相同.利用線切割機沿垂直于焊接方向將接頭切割成金相分析試樣.金相分析試樣采用金剛石懸浮液拋光后用0.5%HF試劑腐蝕,在數字式光學顯微鏡下觀察并采用DHV-1000數顯顯微硬度計對試樣接頭硬度分布進行測量.按照國家標準GB/T228-2002加工成拉伸試樣,在CMT5105微機控制電子萬能試驗機上進行拉伸試驗.2試驗結果與分析2.1旋轉頻率調整法關于表面溝槽的影響采用所選焊接參數焊接的焊縫正面焊道成形均良好,但不同參數對反面焊道的表面成形影響較大.當正、反面攪拌頭旋轉頻率為850r/min,焊接速度15mm/min或攪拌頭旋轉頻率1000r/min,焊接速度15mm/min時,反面焊道的焊接方向無論是與正面相同還是相反,其前進側均產生了表面溝槽缺陷,如圖1a所示.這可能是由于熱輸入量較小,塑化金屬體積較少,焊縫金屬在攪拌頭旋轉作用下塑性流動較差,導致攪拌頭前移后前進側的小孔不能被及時填滿,從而產生表面溝槽.提高旋轉頻率或降低焊接速度,表面溝槽尺寸減小,直至消失.采用旋轉頻率850r/min,焊接速度8mm/min或旋轉頻率1100r/min,焊接速度15mm/min焊接時,表面溝槽完全消失,焊縫成形良好,如圖1b所示.但在焊縫內部,反面焊道前進側仍易出現隧道型孔洞,如圖2所示.分析認為焊接初期焊縫前進側形成的空腔是塑性金屬流最后填充的位置,若塑性金屬流經后退側回填過來后溫度不夠高,金屬流動性較差,便會在此處產生隧道型孔洞缺陷.將旋轉頻率調整為950r/min,焊接速度10mm/min時,在保證較高的旋轉頻率的同時,降低焊接速度,進一步提高熱輸入,獲得了表面成形良好,內部無缺陷的雙面焊接頭.2.2次攪拌對焊核組織的作用圖3為雙面攪拌摩擦焊接頭截面的低倍顯微組織.可以看出,接頭由焊核區(圖3中A)、熱力影響區(圖3中的B1,B2)、熱影響區(圖3中的C1,C2)和母材區(圖3中的D1,D2)組成.前進側和后退側位置分別如圖3中AS(advancingside)和RS(retreatingside)所示.圖4給出了母材以及利用旋轉頻率950r/min,焊接速度10mm/min的焊接參數焊接的接頭各個區域的顯微組織.由圖4a可看出,鑄態母材的微觀組織粗大,并且分布著較多的顯微孔洞.經攪拌摩擦焊后,焊核區有明顯的洋蔥環,與母材相比,晶粒顯著細化,原始的顯微孔洞、裂紋等鑄造缺陷消失,如圖4b所示.焊接過程中,攪拌頭高速旋轉使焊縫金屬承受巨大的剪切力和摩擦攪拌熱作用,焊縫金屬發生劇烈的塑性流動,焊核區晶粒發生動態再結晶,再結晶的晶粒來不及長大就在攪拌頭的作用下發生破碎.因此焊核區獲得細小均勻的等軸晶組織且致密化程度顯著提高.從圖4b還可看出,焊核中的強化相硅粒子也顯著細化,而且其分布更加均勻,這也是攪拌頭高速攪拌的結果.在攪拌頭的攪拌作用下,硅粒子被打碎,并隨著金屬的強烈塑性流動而均勻化.比較圖4c,d可看出,焊縫前進側和后退側有明顯的差別.焊縫前進側因受到攪拌頭的摩擦攪拌作用更為強烈,使得焊核區與熱力影響區之間的分界線更明顯,而金屬晶粒和硅粒子更細小.后退側受到的熱力械作用稍弱,其與基體的分界面較為模糊,晶粒破碎程度不及前進側.對比圖4c,e還可看出,二次攪拌對焊縫組織的作用效果比一次攪拌要更加明顯,這是因為反面焊道所用的熱輸入大于正面,而在經歷過正面焊道的熱循環再焊反面焊道時,工件仍處于較高的溫度,而兩道焊縫所施加的扭轉力矩是一樣的,因此,在焊接反面焊道時更易于產生塑性流動,晶粒彌散更加均勻.基體中的強化相硅粒子被破碎得更為細小,且分布更加均勻.圖4f為軸肩下壓攪拌區,與攪拌頭的攪拌區域相比,該區域的金屬晶粒和硅顆粒更細小,這說明該區域受到了更強烈的熱力攪拌作用.2.3磁粒的分布利用DHV-1000數顯顯微硬度計測量雙面攪拌摩擦焊接頭硬度分布,所用載荷為0.2N,加載時間為15s.圖5為三組不同焊接參數下焊接接頭顯微硬度的分布情況.由圖5可見,雙面攪拌摩擦焊縫中,母材區由粗大的α相和粗大且分布不均勻的硅粒子組成,其硬度值的分布范圍很大,壓頭完全打在鋁基體上時硬度只有65HV左右;而壓頭打在硅粒子附近時,硬度隨著壓頭離硅粒子的距離的遠近的變化而發生很大的波動,為70～107HV.焊核中心處的硬度分布范圍較小,為75～83HV,這顯然是由于該區金屬晶粒和硅粒子細化、硅粒子分布均勻化的結果.熱影響區盡管晶粒發生長大,但其硬度仍比母材高一些,為69～105HV.熱力影響區受到熱力雙重作用,金屬晶粒被拉長或扭曲,硅粒子尺寸也有所減小,因此該區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勻且略有增大.這是因為反面焊道的晶粒比正面焊道更細小、更均勻.2.4旋轉頻率及焊接參數焊接的接頭斷裂分析表1為不同焊接條件下雙面攪拌摩擦焊接頭的拉伸性能(每個焊接工藝選取三個拉伸試樣進行試驗,取平均值).從表1可看出,焊接參數和反面焊道的焊接方向對接頭性能均具有重要的影響.異向雙面焊接頭兩個焊道的AS側處于同一側,拉伸試樣的斷裂位置都在AS側或其附近.利用旋轉頻率850r/min和焊接速度8mm/min,旋轉頻表1雙面攪拌摩擦焊接頭的拉伸試驗率1100r/min和焊接速度15mm/min等焊接參數焊接的接頭均斷裂在AS側,且距焊縫中心較近,接頭強度不高,平均強度只達到母材強度的38.1%,28.9%.這是由于這些參數焊接的接頭內部有隧道型孔洞缺陷,這些缺陷造成應力集中,在較低的平均應力下該部位就產生裂紋,裂紋迅速擴展,導致接頭低強度斷裂.利用旋轉頻率950r/min和焊接速度10mm/min焊接參數焊接的接頭仍然斷裂在AS側,但離焊縫中心較遠,接頭平均強度為145MPa,達到母材的68.7%.而同向雙面攪拌摩擦焊接頭兩個焊道的As側不位于同一側,同樣的焊接參數下,接頭的強度有所提高,不同焊接參數下接頭的斷裂位置不同.利用旋轉頻率850r/min和焊接速度8mm/min,旋轉頻率1100r/min和焊接速度15mm/min兩組焊接參數焊接時,接頭的抗拉強度分別達到母材的55.1%和43.6%.因為該參數下此處仍存在孔洞缺陷,所以斷裂發生在缺陷所引起的應力集中處.而利用旋轉頻率950r/min和焊接速度10mm/min焊接的接頭斷裂在反面焊道前進側,平均抗拉強度值184.3MPa,約為母材強度的87.4%.3雙晶圓片雙面焊(1)耐磨鋁硅銅合金的雙面攪拌摩擦焊接參數帶很窄,需嚴格控制工藝參數的選擇.當選用攪拌頭旋轉頻率為950r/min、焊接速度為10mm/min的同向焊接工藝組合時,可獲得表面成形良好,內部無缺陷的鋁硅銅合金雙面攪拌摩擦焊接頭.(2)雙面攪拌摩擦焊接頭中金屬晶粒顯著細化,鑄態組織中的