铝合金搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系研究.doc

搅拌摩擦焊焊缝受力与成型关系研究摘要:1.引言搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,简称FSW）最初是针对焊接性差的铝合 金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所（The Welding Institute） 于1991年开发的专利技术搅拌摩擦焊是利用一种特殊的低耗损的搅拌头旋转 着压入被焊零件的表面，搅拌头与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化，当搅拌头 沿着焊接界面向前移动时，热塑化的材料由前向后转移，在热-机联合作用下连 接形成致密的固相连接接头图1搅拌摩擦焊原理示意图1.2搅拌摩擦焊接的特点1） 能保持母材的冶金性能，焊接接头力学性能好2） 2）焊后变形小、残余应力小3）焊接成本低、效率高4）适用范围广1.3搅拌摩擦焊焊缝组织典型的搅拌摩擦焊接头宏观组织如图1-2所示（所焊材料为LY12）O从图中 可以看出，焊核位于焊缝中心，内部组织是清晰的洋葱状，由一系列的椭圆组成, 焊核可以看得很清楚（但在有些合金中不一定很清楚或根本看不到）焊核延伸到 焊缝表面，比搅拌针大，比轴肩小，焊核偶尔会延伸到焊件底部焊核的外貌取决于搅拌针的形状、焊接参数和被焊材料的强度图2 FSW接头横截面“洋葱环”2. 1实验内容本文是研究搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系，通过以下的实验方法来 观察焊缝受力及焊缝成型的情况：1） 使用相同板厚的材料，改变焊缝轴肩直径，其他焊接参数不变，观察焊缝轴 肩直径对焊缝受力的影响，分别选用3种不同板厚的材料及采用相应的焊缝做3 组同样的实验，观察焊缝成型状况。

2） 选定5mni板厚的铝合金板，用同一搅拌头改变不同的压入量，其他参数不变, 进行实验，观察压入量对焊缝受力以及焊缝成型的影响摘录部分实验参数如 表1所示表1试验参数试实板厚搅拌针直搅拌针长轴肩直焊缝转速焊接速度压入量样验(mm)径(mm)度(mm)径(mm)(n/min)(mm/min)(mm)标代号号8-18-18M87.520750600. 15-15-15M54.818. 7950600. 13-13-13M52.913950600. 1强化的硬铝合金其化学成分如表2所示，力学性能如表3所示，用自制的 高温合金焊缝和焊接夹具，在用X53K型立式铳床改装的搅拌摩擦焊机上进行焊 接，焊缝倾角统一使用2表2 LY12铝合金的化学成分CuMgMnFe Si Zn Ni TiFe+Si其它Al3. 8-4. 9 1.2-1. 80. 3-0. 90. 5 0. 5 0. 3 0. 1 0. 150. 5WO. 15余量表3LY12铝合金力学性能o b/MPa6/%HBS47017105施焊前，将测量仪表连接好并调节好参数，确保仪表与PC机连接正常并能记 录数据用车坐刀去除工件飞边和毛刺，用砂纸打磨平对接试样表面，用丙酮清洗 待焊试件的连接处。

把待焊的铝合金板材固定好，先调整焊缝的中心轴线与对接 线在同一直线上，保证焊缝的行进方向与两片铝合金板的缝隙平行，焊缝恰好压 在缝隙上边，否则会影响到焊缝的焊接质量开机待焊缝旋转稳定后，PC机开始 记录压力数据，焊缝缓慢插入焊缝，达到预定压入量，开始焊接进给，到达停止 焊接位置时，停止进给并保持焊缝在焊缝中停留10-60秒，然后缓慢退出焊缝， 停止记录数据并关机实验结束后对焊缝外表面成型进行拍照记录，截取部分焊缝作为宏观金相样 本，经打磨抛光后在16倍显微镜下观察宏观组织，并拍照记录2.2实验结果与讨论1)不同板厚，使用不同轴肩直径搅拌头所焊焊缝的实验结果(a)轴肩直径20田田(b)轴肩直径24mm(c)轴肩直径26mm图3实验板厚8mm,不同轴肩直径所焊焊缝的表面成型根据“压力值-时间曲线图”，量取压力值随时间变化趋于稳定的部分可得出一•系 列的压力值，取平均值作为有效数据板厚8mm时，轴肩直径与轴肩平均压力的关系见表4表4轴肩直径与轴肩平均压力的关系轴肩直径平均压力(KN)20mm11.724mm15. 5426mm18.4随着轴肩直径的提高，焊缝轴向受力显著增加加图表表示) 板厚5mm时，，轴肩直径与轴肩平均压力的关系见表5表5轴肩直径与轴肩平均压力的关系轴肩直径平均压力(KN)13min 3.3218mm 11.58可见，随着板厚的降低，当提高轴肩直径时，轴向受力成倍数增长。

当板厚降低 时，搅拌头阻力下降，若轴肩直径提高，则轴向力会显著提高，使焊接过程更为 激烈这些可由焊缝成型表面看出因此可以想见，当板厚增加不多时，如果希 望得到好的焊缝，需更多增加轴肩直径，也因此产生更大的轴向力2)相同板厚，同种搅拌头改变轴肩压入量的实验结果2.3.3焊缝截面的宏观金相观察将焊缝按不同压入量从右到左的顺序分成4个区域，分别取样本做成宏观金 相，标号为(1)，(2), (3), (4),通过16倍显微镜观察的结果如图2-10所示1)压入量0. 1 mni(2)压入量0.2 nun(3)压入量0. 3 mm(4)压入量0. 4 mm图2-10不同压入量的焊缝截面宏观组织。