鋁合金攪拌摩擦焊焊縫受力與焊縫成型的關(guān)系-免費閱讀
【正文】 他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵著我。 觀察焊縫表面成型可以看出，增大壓入量，焊縫表面的飛邊缺陷有所增加，這是由于增加壓入量后金屬被擠出焊縫所致。而當(dāng)焊接溫度較低時，對應(yīng)的臨界剪切力較大，必須有足夠大的攪拌力才能使金屬發(fā)生流動，此時金屬的軟化程度較差，金屬不能發(fā)生完全流動而是在較大的攪拌力的作用下被整體剪切成小顆粒。表26 各焊縫的壓強(qiáng)板厚(mm)軸肩直徑（mm）焊縫壓力(KN)焊縫壓強(qiáng)(MP)82012824158265125531331811觀察焊縫表面成型，明顯的可以看出，相同厚度的試樣中，使用軸肩大的焊縫焊出來的焊縫有明顯的飛邊，毛刺等缺陷，并且表面成型比較粗糙，而使用稍小的軸肩直徑的焊縫焊出來的焊縫成型較好。當(dāng)攪拌頭不變，改變不同的壓入量時我們可以清楚的看到，如圖 210 所示，焊核的形狀呈一個“勺”狀，勺柄的厚度比較深，因為在軸肩的摩擦作用下表面被塑化的金屬作水平流動，軸肩對工件的單位面積熱輸入較大，對焊縫厚度方向上的流動比較充分，中心為焊核區(qū)，呈現(xiàn)出“洋蔥環(huán)”形狀，且為同心環(huán)，從焊核向焊縫兩邊延伸，方向性很好。（1） mm（2） mm（3） mm（4） mm圖210 不同壓入量的焊縫截面宏觀組織 實驗結(jié)果分析根據(jù)以上壓力曲線圖，可以看出，攪拌針未接觸工件時，焊縫壓力是零，通過手動使攪拌針插入焊縫，直到軸肩接觸工件表面，并達(dá)到一定壓入量，在這一過程中，壓力曲線呈波動上升(當(dāng)攪拌針為自動進(jìn)給時，該過程壓力曲線不會波動)。 實驗結(jié)果與分析 不同板厚，使用不同軸肩直徑攪拌頭所焊焊縫的實驗結(jié)果 圖23是實驗代號81，82，83所焊出的焊縫表面成型情況。LY12是一種可通過固溶熱處理后再進(jìn)行時效處理強(qiáng)化的硬鋁合金。圖22 測力裝置圖 測力裝置的標(biāo)定 使用WDW50型微機(jī)控制電子萬能實驗機(jī)進(jìn)行標(biāo)定，實驗機(jī)最大載荷為50KN，級別為1。圖21 NSTH12稱重傳感器表21 NSTH12稱重傳感器主要技術(shù)指標(biāo)技術(shù)參數(shù)單位技術(shù)指標(biāo)額定載荷t130額定輸出mV/V綜合精度%,非線性%≤177。同樣，攪拌摩擦焊焊縫受力是影響焊縫成型的一個重要因素，對焊縫受力進(jìn)行精確測量，并研究其與焊縫成型的關(guān)系，是提高攪拌摩擦焊焊接質(zhì)量的一個重要手段。采用基于固體力學(xué)的有限元方法研究攪拌摩擦焊接過程中，不同過程參數(shù)情況下焊縫的受力情況。在能量的傳遞過程中，各級傳遞機(jī)構(gòu)都要損耗掉一部分能量。當(dāng)軸向壓力不足時，表面熱塑性金屬“上浮”，溢出焊接表面，焊縫在冷卻后會由于金屬的“上浮”而形成孔洞。當(dāng)焊接速度過大時，攪拌摩擦焊所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達(dá)到塑化狀態(tài)，不能形成好的焊縫，在內(nèi)部會出現(xiàn)孔洞。攪拌針過短，背面焊不透；攪拌針過長，則背面易過熱，導(dǎo)致成形較差。因而設(shè)計合理的攪拌頭是提高焊接質(zhì)量、獲得高性能接頭的前提和關(guān)鍵。并且認(rèn)為兩個過程各自形成的材料性能差異較大，因而焊縫的性能與每個過程在整個過程。圖13 攪拌摩擦焊焊縫區(qū)域示意圖在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外，其金相組織與母材沒有多大區(qū)別。攪拌摩擦焊可實現(xiàn)各種位置的焊接，并可實現(xiàn)多種形式的焊接接頭，如對接、角接、搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接。同時，由于焊接溫度較高，其性能會降低，因而限制了鋁合金的廣泛應(yīng)用。攪拌頭的端部加工出螺紋，確保發(fā)生塑變的工件材料充分流動，以得到?jīng)]有孔洞的接頭。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)，就得到航空界的青睞。攪拌摩擦焊是利用一種特殊的低耗損的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著壓入被焊零件的表面，攪拌頭與被焊零件的摩擦使被焊材料熱塑化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動時，熱塑化的材料由前向后轉(zhuǎn)移，在熱機(jī)聯(lián)合作用下連接形成致密的固相連接接頭。攪拌摩擦焊對工件的焊接，主要通過攪拌頭(Welding tool)的高速旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)的。TWI于1997年11月報道成功FSW焊接3mm厚的低碳鋼，EWI(Edison Welding Institute)于1998年5月報道成功連接 6 mm軟鋼，并報道12mm厚12% Cr不銹鋼的FSW焊接[6]。并且在焊前和焊接過程中對環(huán)境的污染小，焊前工件無須進(jìn)行嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺。 焊核的外貌取決于攪拌針的形狀、焊接參數(shù)和被焊材料的強(qiáng)度。這兩點對于保證材料發(fā)生充分的動態(tài)軟化非常關(guān)鍵，這直接影響接頭的性能[14]。圖14 攪拌摩擦焊過程中金屬動態(tài)軟化示意圖 影響攪拌摩擦焊的因素1) 攪拌頭的材料尺寸與形狀攪拌摩擦焊中所使用的攪拌頭主要由兩部分組成：軸肩和攪拌針。試驗結(jié)果表明，～，焊縫質(zhì)量較好。但轉(zhuǎn)速過高時，會使攪拌針周圍以及軸肩下面的材料溫度達(dá)到或超過熔點，無法形成固相連接。攪拌頭與工件有傾角，焊縫所受到的軸向力并不垂直于焊縫表面，由于攪拌頭傾角較小，本文忽略攪拌頭傾角的因素，把焊縫所受軸向力看作是垂直與焊縫表面的。通過在焊接過程中對驅(qū)動水平工作臺運動的電機(jī)的工作電流和工作電壓進(jìn)行測量，來計算焊接時攪拌針與被焊金屬之間的作用力。 在攪拌摩擦焊中，攪拌針與被焊板材之間的作用力通過產(chǎn)熱和塑性金屬流動兩個方面影響著整個焊接過程。隨著攪拌摩擦焊接技術(shù)的日益發(fā)展，越來越多的研究機(jī)構(gòu)與企業(yè)投身于研究攪拌摩擦焊焊機(jī)的設(shè)計與制造方面。根據(jù)以上要求選用2臺NSTH12稱重傳感器如圖 21 所示，使用鋼板將他們搭成焊接平臺，可以在上面進(jìn)行實際的攪拌摩擦焊工藝實驗。 測力裝置的裝配與使用采用2臺NSTH12稱重傳感器作為測量設(shè)備，并把其設(shè)計裝配成可用于焊接實驗的測力系統(tǒng)。2） 選定5mm板厚的鋁合金板，用同一攪拌頭改變不同的壓入量，其他參數(shù)不變，進(jìn)行實驗，觀察壓入量對焊縫受力以及焊縫成型的影響。把待焊的鋁合金板材固定好，先調(diào)整焊縫的中心軸線與對接線在同一直線上，保證焊縫的行進(jìn)方向與兩片鋁合金板的縫隙平行，焊縫恰好壓在縫隙上邊，否則會影響到焊縫的焊接質(zhì)量。 (a) 軸肩直徑13mm (b) 軸肩直徑18mm圖27 3mm板厚，不同軸肩直徑所焊焊縫的表面成型圖28是實驗代號31，32所焊出的焊縫受力曲線圖。這一方面由于摩擦生熱使金屬表面軟化，強(qiáng)度降低，另一方面，由于軸肩對金屬表面的塑性擠壓作用，使得表面金屬部分流失，所以壓力值到達(dá)最高點開始下降。觀察受力曲線，我們可以得到每條焊縫受力的平均值F。塑性金屬的流動情況直接
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