摘 要 搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接方法,在异种材料连接方面有广阔的应用前景。本文从搅拌摩擦的工艺、性能及组织三方面分别介绍了铝-钢搅拌摩擦焊的研究进展,为其深入研究提供了依据。采用搅拌摩擦焊,异种金属铝-钢可以实现连接,但工艺参数选择范围较小,钢置于前进边时,铝-钢更易连接。由于铝-钢物理性能的差异,二者流动状态不同,焊核两侧呈现不同结构,接头的力学性能由于脆性金属间化合物的存在而降低。通过改变热输入或添加第三组元等微量元素的办法可以改善接头的力学性能。 搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一种新型的固相连接方法,具有高效、环保、热变形和残余应力小等综合优点[6]。它是利用搅拌头和工件之间的摩擦热,一般低于母材的熔点,因此焊接过程中工件没有熔化,与传统的焊接方法相比,能够有效避免气孔、裂纹等组织缺陷。此外,搅拌摩擦焊基本不受材料物理化学性能、机械性能及晶体结构等因素的影响,对克服不同材料性能差异带来的焊接困难具有极大的优势[7],因此在异种金属连接中具有广阔前景,相关机理研究也越来越受到重视。本文将从工艺、组织、性能三分面分析铝-钢搅拌摩擦焊的研究现状。 1铝-钢工艺过程及参数1.1搅拌头 工艺参数能够为焊件提供适当的热输入,得到表面成形良好,内部无缺陷的焊接接头。由于铝-钢的物理性能相差太大如表1所示,因此选择合适参数实现铝-钢的可靠连接是非常困难的,尤其是厚板的参数选择,因为厚板搅拌摩擦焊温度分布、塑性流动及成形机理与薄板有很大不同。搅拌摩擦焊中,在忽略搅拌头与工件的摩擦热的情况下,热输入可表示[14]: 其中,q:焊接热输入量,μ:摩擦系数,P:垂直压力,r:轴肩半径,n:旋转速度,v:行进速度。其中热量的输入主要取决于旋转速度(n)和行进速度(v)的比值。 一般来讲,在适当范围内提高旋转速度或者降低行进速度时,增加焊缝的热输入量,有利于焊缝材料塑化, 在少的下压量就可以得到质量良好的接头。但如果n/v的值过大,热输入接近材料的熔点,易致焊缝金属过于塑化,影响了焊缝金属的流动,不能形成良好接头。研究结果表明,提高热输入时会增加铝钢金属间化合物层厚度,明显降低焊接接头性能[14]。另外,当旋转速度较低或者行进速度较大时,焊缝区热输入较小,搅拌针周围材料(尤其钢侧)没有充分塑化,无法实现铝-钢的搅拌摩擦焊接,可能出现“吻接”缺陷。目前铝-钢搅拌摩擦焊研究中,主要的工艺参数如表2。可以看到,在对接焊中,随焊件厚度的增加,工艺参数选择范围变窄,n/v 的值一般取10左右。相比于对接接头, 搭接接头的工艺参数范围选择较宽。
与此不同,南昌航空大学邢丽教授[12]进行了铝-钢的搅拌摩擦焊研究,发现钢在返回边,铝在前进边更能得到质量良好的接头,分析认为搅拌摩擦焊过程中,返回边探针周围塑化金属的变形方向与焊核区金属流动一致,前进边探针周围塑化的母材金属的变形方向与焊核区金属受压的变形方向相反。对于搭接接头,一般是把钢置于铝的下侧[10,19]。 总之,采用搅拌摩擦焊技术,物理、化学性能差异较大的铝-钢能够焊接,但可选工艺参数范围较小。对接接头中,通过改变旋转速度、焊接速度、偏移距离以及材料的放置位置, 可以提高接头的质量,铝-钢搅拌摩擦焊所需n/v在10左右,钢置于前进边时, 铝-钢更易连接,搭接接头中,采用合适的工艺参数可以得到质量良好的接头。 2接头的力学性能2.1拉伸性能 此外, 接头强度与微观组织间也存在很大关系,晶粒越细小,强度越高。铝-钢搅拌摩擦焊搅拌针主要偏向铝侧,焊核区铝侧受到搅拌摩擦焊的热机作用,发生动态再结晶,形成细小等轴晶粒, 强度很高,而钢侧导热率低且熔点较高,固相线较铝高很多,因此在接头处只进行了元素的扩散和金属元素之间的反应,生成脆性物,强度较低,如图4所示。 铝-钢搅拌摩擦焊接头强度因金属间化合物的存在而降低,如何减少化合物的含量或者采用韧性较好的金属间化合物已成为学术界关注的焦点。根据脆性化合物的形成特点和性能,一方面可通过控制热输入量,使得温度在铝-钢共晶温度之下,但可能会影响焊件的塑性流动。另一方面可在焊件间添加第三种材料或合金元素来改善接头的强度[24]。 在钢侧TMAZ区的硬度比母材要高,铝侧母材的TMAZ硬度比铝合金要低,而热影响区硬度较母材有所降低,具有软化趋势,其原因可能是焊接过程中热循环作用下组织发生了变化[20],铝-钢硬度峰值出现在焊接接头中部。搭接接头硬度还没有相关研究。 3微观组织焊接过程伴随着热量的传导,焊接接头及母材由于输热量的不同而发生着组织的变化。对接接头中,根据组织成分的不同,铝-钢搅拌摩擦焊接头可以划分7个区域,即钢母材(BM)、钢侧热影响区(HAZ)、钢侧热机影响区(TMAZ)、焊核(WNZ)、铝侧热机影响区(TMAZ)、铝侧热影响区(HAZ)、铝母材(BM)[19],如图6所示。 在铝-钢搅拌摩擦焊对接接头横截面铝侧存在明显的洋葱环流动形式,钢在焊核区不规则分布,有着明显的界面。搭接接头没有明显的洋葱环和热机影响区,由细小等轴晶粒组成。热机影响区由于受塑性流动和热的双重作用,铝侧热机影响区晶粒铝母材晶粒拉长旋转90°,而钢侧由牙尖型拉长晶粒组成,热影响区的晶粒相对焊核区较大些。无论是在对接还是在搭接中,铝-钢搅拌摩擦焊母材与焊核之间都发生了元素的迁移。由于铝原子活性比铁原子相对活跃,铝向钢侧迁移相对充分。受搅拌针的激烈搅拌挤压力,焊核中存在很多钢的碎片,钢在铝中溶解度极小,室温下几乎不溶于铝中,但钢和铝不但能形成固溶体,还可以形成金属间化合物,在铁中的铝都形成了金属间化合物FeAl3 等[18],因此这对接头性能产生不利影响,而搭接接头,使用镀锌钢和铝焊接能减少铝铁之间的反应,提高接头的性能[16]。 在对接接头中,由于铝-钢熔点的差异,在不同搅拌头搅拌力和热输入作用下,焊核两侧呈现不同的结构。钢侧与焊核有明显的界限且界面为曲线型,而铝侧则在搅拌针作用下完成动态结晶,焊核与铝母材没有明显的界限,对接接头焊核主要在铝侧,焊核中心由再结晶的铝和断碎的钢组成, 还观察到了漩涡状的流动形态[20]。铝-钢的搅拌摩擦搭接接头焊核区两侧,钢在铝合金母材形成了形似“钳子”或弯钩状的分布,钢如同钳子紧抓住焊核铝合金[12],如图7。 焊核区主要是层状接头,在焊核纵截面可观察到 “锯齿”形状[18],如图8。 在温度和搅拌力的作用下,铝沿着搅拌头向后迁移,而塑化的钢沿着搅拌头向上运动, 随着搅拌头向前移动,塑性状态的铝钢就会向后填充空腔,与铁形成金属间化合物,形成“锯齿”条纹。 4结束语4.1 异种金属铝-钢通过搅拌摩擦焊能够焊接,但铝-钢搅拌摩擦可选的工艺参数选择范围较小,搭接接头较对接接头参数范围要宽些,对接接头中,通过调整旋转速度、焊接速度、偏移距离以及材料的放置位置,可以提高接头的质量,铝-钢搅拌摩擦焊所需n/v 在10附近,钢置于前进边时,铝-钢更容易连接。搭接接头中,采用合理的工艺参数可以得到质量良好的接头。 来源:自动化在线 |
|