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[连接技术] 铝合金T形接头搅拌摩擦焊研究进展

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发表于 2020-10-20 13:43:05 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【汽车材料网】铝合金T形接头搅拌摩擦焊研究进展

来源:期刊-《焊接》;作者:杨海峰1, 许欣欣1, 郭孜颂1, 周利1,2, 赵慧慧3
(1. 哈尔滨工业大学(威海), 山东省特种焊接技术重点实验室;2. 哈尔滨工业大学, 先进焊接与连接国家重点实验室;3. 上海航天设备制造总厂有限公司)

摘要:铝合金广泛应用于航空航天、汽车、船舶以及化学工业等领域中,T形接头作为铝合金薄板结构组装中的重要连接形式,对其焊接质量的要求也逐渐提高。采用传统熔焊的方式焊接铝合金T形接头时会导致应力集中、焊后残余变形大、多孔性等一系列问题。传统的搅拌摩擦焊具有产热少、焊前不用开坡口、焊后残余变形小等优势,很好的解决了这一技术难点。但是,传统的搅拌摩擦焊在焊后会产生大量的飞边以及弧纹缺陷。静止轴肩搅拌摩擦焊技术作为一种新型的搅拌摩擦焊技术,在铝合金T形接头焊接中具有很大的优势。文中综述了铝合金T形接头焊接特点、传统搅拌摩擦焊以及静止轴肩搅拌摩擦焊在T形接头中的研究进展,并对搅拌摩擦焊技术在T形接头的应用前景进行了展望。
关键词: 铝合金; T形接头; 搅拌摩擦焊; 研究进展
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前言
铝合金具有低密度,高比强度,比优质钢更加优良的塑性,可以加工成各式各样的型材,同时具备优异的导热性、导电性和抗蚀性等优点,使其成为工业中应用最普遍的一类有色金属结构材料,在航空航天、机械制造、汽车、化学工业及船舶中大量应用。
T形接头作为铝合金薄板结构组装中的重要连接形式,在航空航天、汽车工业及高速客车车体轻量化结构制造等领域具有广泛的应用前景,它可以在不影响构件整体质量的情况下有效地改善壁板稳定性,但是T形接头在使用传统的熔焊方法焊接时会产生裂纹及气孔等缺陷,同时较大的热输入会降低焊接接头的质量,因此有必要对焊接技术进行改进,搅拌摩擦焊的出现及时的解决了这一技术难点。
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术是英国焊接研究所(The Welding Institute,TWI)于1991年发明的一种固相连接技术[1-2]。相对于传统的熔焊,其显著的特点是:焊接过程不需要提前准备坡口以及保护气体等、热输入较低、焊后残余变形小、接头质量高、不易产生缺陷、节能绿色环保、自动化程度高[3]。经过近几十年快速的发展,搅拌摩擦焊技术已经从实验室走向了生产线,同时还应用于异种金属之间的焊接,为异种金属连接开辟了新的路径。
传统搅拌摩擦焊技术的应用目前局限于简单对接或搭接接头形式,由于搅拌工具的轴肩形状限制以及轴肩转动产生大量摩擦热,使得搅拌摩擦焊技术在焊接T形接头时大多从底板背面插入搅拌针进行焊接,主要适用于薄底板焊接。为克服传统搅拌摩擦焊技术的局限性,英国焊接研究所在传统搅拌摩擦焊的基础上将轴肩与搅拌针分离,开发出静止轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)技术,将其应用于铝合金T形接头焊接中,它不仅能有效实现低热传导材料如钛合金等的焊接,而且在铝合金角焊缝及T形接头的制造中具有低热输入、低缺陷率等明显的优势[4-5],可以消除传统搅拌摩擦焊中经常出现的弧纹缺陷,具有广阔的应用前景。
文中综合铝合金T形接头焊接难点并对其焊接性进行了详细的分析,同时对搅拌摩擦焊在铝合金T形接头中的研究进展进行了综述。

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铝合金T形接头的焊接性分析
1.1 铝合金的焊接性
铝及其合金在空气中焊接时易氧化,表面生成高熔点的氧化铝,很难清除,而且其比母材的重量大,难以浮出焊道表面,容易形成未熔合、夹渣等典型缺陷,在铝及铝合金的熔焊中,主要存在气孔、热裂纹以及软化等问题,其中2000及7000系铝合金采用熔焊方式进行焊接时,由于其具有较大的热裂敏感性,容易产生热裂纹,同时还有可能产生合金元素烧损、接头软化严重等问题;3000系铝合金的焊接性最好,可用于各种熔焊方法;5000铝合金熔焊性仅次于3000系铝合金,其产生热裂纹的倾向较小,焊后力学性能优良;6000系铝合金虽然在焊接过程中容易产生气孔缺陷,不过其熔焊性相对较好。随着T形接头在焊接结构中的广泛应用,铝合金T形接头的焊接方法也逐渐开发出来。常规的铝合金熔焊方法包括非熔化极气体保护焊(TIG)、高能束焊(激光焊、电子束焊)、熔化极气体保护焊(MIG)。采用熔焊进行T形接头焊接时,由于铝合金固有的焊接性差和T形结构特殊性等问题,容易造成接头成形质量不良,出现变形较大、气孔和裂纹等焊接缺陷。
1.2 铝合金T形接头的焊接难点
T形接头相对于对接或搭接接头而言,在接头没有拘束的情况下焊接时容易出现一系列的焊接难点。例如:TIG,MIG焊接铝合金时因热输入较大,而铝合金的线膨胀系数较大、导热性好,因此容易产生咬边、气孔以及裂纹等问题[6-10];激光焊的优点是热输入较低且焊后残余应力小,但是其成本较高、在焊缝中易出现气孔、裂纹等缺陷。近年来,研究人员将激光焊与TIG,MIG等方式相结合,形成了复合激光焊接,有效地改善了传统激光焊中出现的气孔裂纹等问题。
综上所述,传统熔焊虽然可以焊接铝合金T形接头,但是由于其容易产生较大的焊接缺陷,因此有必要对焊接方法做出进一步的改善。

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铝合金T形接头传统搅拌摩擦焊
为了解决铝合金T形接头熔焊所产生的一系列问题,TWI将搅拌摩擦焊技术应用于T形接头中。其原理是将搅拌针插入被焊工件,使搅拌针沿着被焊工件的待焊界面向前移动,通过搅拌摩擦作用使材料达到热塑性状态,在搅拌针的轴肩对焊缝金属的挤压作用以及热-力联合作用下,材料扩散连接形成致密的金属间固相连接[11]。
常见的T形接头连接方式包括:搭接(如图1a所示)、对搭接(如图1b所示)以及对接(如图1c所示)。传统FSW-T形接头的焊接将T形接头转换为对接接头或搭接接头通过穿透底板的焊接来实现[12],如图2所示。为了改善传统搅拌摩擦焊技术焊接T形接头过程中筋板与壁板之间的应力集中问题,L. Fratini等人[13]率先设计了FSW-T焊接的专用夹具,Zhao等人[14]在壁板与筋板的交汇处设置了圆弧倒角,该圆角一方面可以消除拐角处的缺陷,另一方面可以阻止塑化态金属发生滴漏,保证圆弧过渡区成形美观。


图1 接头示意图

图2 传统搅拌摩擦焊T形接头的焊接方式

杨新岐等人[15-17]系统地归纳了铝合金FSW-T焊接缺陷的种类,发现焊接缺陷主要包括“隧道”缺陷(Tunnel defect)如图3所示、“弱结合”缺陷(OJLwSPD defect)如图4所示、与“Z”线缺陷(Bonding line defect)如图5所示。


图3 “隧道”缺陷

图4 “弱结合”缺陷

图5 “Z”线缺陷
针对上述缺陷,国内外学者仅对焊接参数以及搅拌头形状尺寸等影响因素进行了一系列研究,还没有确提出如何同时消除上述三类缺陷。传统的搅拌明摩擦焊技术在焊接T形接头时极易出现上述缺陷,同时会形成大量的弧纹,导致接头成形差、力学性能下降等一系列问题。此外传统搅拌摩擦焊技术用于T形接头时受到结构限制,有必要进行进一步的改进。

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铝合金T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊
静止轴肩搅拌摩擦焊的示意图如图6a所示,在焊接过程中,搅拌针与母材发生旋转摩擦,而轴肩相对搅拌针处于静止状态,仅沿焊接方向滑动。传统搅拌摩擦焊的产热方式主要是通过轴肩与被焊材料之间的摩擦,而静止轴肩搅拌摩擦焊由于轴肩不进行转动,因此,产热主要发生在搅拌针与被焊材料之间,轴肩的作用是抑制搅拌区域内的塑化材料被挤出以及保证焊缝表面成形[18-19],这在很大程度上降低了焊接过程的热输入,避免了大量能量的损失。静止轴肩搅拌摩擦焊在T形接头焊接中的优点是[20-21]:焊缝表面光洁度高、沿厚度方向的热传导均匀分布、焊后残余应力小、较高的抗疲劳性和力学性能等,其原理如图6b所示。


图6 焊接示意图

3.1 T形接头焊具设计
将静止轴肩搅拌摩擦焊技术应用于T形接头焊接方面,经过近几十年的发展,已经发开出了一些相应的焊具。
TWI为实现铝合金T形接头的焊接,设计了如图7所示的静止轴肩搅拌摩擦焊焊接工具,静止轴肩形状为直角,并且通过轴承与刀柄连接,搅拌针形状为光滑的圆柱状,其详细材料及相关尺寸并未公布,为实现轴肩与板材表面紧密接触,轴肩向外凸出大约1~2 mm。采用这种工具成功实现了铝合金T形接头的焊接,得到表面光滑的焊缝,为后续进行T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊的研究奠定了基础。


图7 SSFSW T形接头焊接工具[22]

S.J.Gascoyne等人[23]对5000,6000,7000系铝合金分别进行T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊试验,并设计了如图8所示的焊具。该焊具可对8 mm厚的铝板进行焊接。在焊接装夹过程中底板与筋板相接触的90°角位于工具下方,使其45°中点位置位于正下方。这意味着45°角焊接区域是垂直的,因此底板和筋板之间形成V形。此外在设计中使用了一个近似于工具销尺寸和深度的导孔,这有助于启动和执行相关焊接。焊后可以得到较为平整的焊缝表面,进一步研究发现在所有研究的铝合金中均发现了“blades”现象,力学性


图8 SSFSW T形接头焊接工具[23]

能方面研究表明经热处理沉淀硬化铝合金在搅拌区及周边出现一定程度的硬度下降,作者推测可能是由于焊接高温热循环导致沉淀相溶解的结果。
吉华等人[24]使用静止轴肩搅拌摩擦焊技术对6061-T6铝合金T形接头进行焊接,在对相关参数进行一系列试验后得出当搅拌头转速为1 600~2 200 r/min,焊接速度为40~80 mm/min时,T形接头表面成形美观,无表面刮伤、划伤、犁沟等缺陷。
李冬晓[25]在吉华等人的基础上,采用填丝静止轴肩搅拌摩擦焊对6061-T6/T4,7075-T651和5A03-H112这四种铝合金进行焊接研究,其设计的焊具如图9所示。其大致原理是在搅拌针前进侧的静止轴肩处开一个小孔,供填充焊丝进入,从而实现在焊接时进行填丝。同时还设计了无填充材料的焊具,将两者进行对比分析,发现在各种参数下,有填充材料的焊具所得到的焊缝质量要优于无填充材料的焊具。


图9 有填充材料焊具设计图[25]

3.2 焊缝成形及组织特征
国内外学者通过对T形接头进行组织分析,均发现了清晰的“洋葱环”状形貌组织。通常将“洋葱环”状形貌组织分为以下四个区域:母材(BM)、热影响区(HAZ)、热力影响区(TMAZ)、焊核区(WNZ)。进一步观察发现,焊核区由许多细小的等轴晶粒组成,这是因为焊核区金属在高温摩擦热以及搅拌头的机械搅动下发生了充分的再结晶;热力影响区位于母材和焊核区之间,既受到热影响也受到机械影响,在该区域内金属发生塑性变形,但由于没有足够的应力因此不能发生再结晶;热影响区晶粒绝大多数为粗大的等轴晶粒,这是因为该区域仅仅受到焊接热循环和轴肩下压,这些影响不足以使该区域发生再结晶;母材区远离焊接中心,几乎不受到焊接热循环的影响,因此组织成分不会发生较大的变化。
S.J.Gascoyne等人[23]对5083铝合金T形接头进行静止轴肩搅拌摩擦焊试验,如图10所示,试验发现,在1 000 r/min以及125 mm/min的参数下,接头处存在“blades”现象,并发现“叶片”条纹从前进侧一端横向穿过,并在后退侧突然停止,内部无明显缺陷。


图10 5083-O铝合金SSFSW T形接头截面[23]

J.P.Martin等人[22]对8 mm厚的AA7075-T6和AA20-14-T6异质铝合金T形接头进行静止轴肩搅拌摩擦焊试验,如图11所示,试验结果表明,T形接头焊缝表面非常光滑并且截面没有减少,热影响区也相对较小。


图11 AA7075-T6/AA2014-T6 SSFSW T形接头截面[22]
总体来说,由于静止轴肩不参与产热过程,因此在焊接过程中想要获得较为良好的接头形貌,一般需要大幅度提高焊接速度,同时保持主轴转速的稳定。

3.3 焊接接头的力学性能
研究发现,相较于传统搅拌摩擦焊,同质或异质铝合金T形接头进行静止轴肩搅拌摩擦焊后,焊缝表面平滑洁净,内部微观组织致密且无明显缺陷,但在力学性能方面存在一定差异,多数学者研究焊接速度以及搅拌针旋转速度对铝合金的影响,同时还有部分学者研究如何改变搅拌头尺寸进而提高接头性能。
Li等人[26]对5 mm厚AA6061-T4铝合金分别进行了有填充物和无填充物的静止轴肩搅拌摩擦焊接试验并研究其疲劳特性,结果表明,在所研究的焊接参数下,有填充物时的疲劳特性要优于无填充物的情况,在不同的焊速下,其疲劳寿命也较长,然而无填充物的T形接头在1 500 r/min以及100 mm/min的参数下疲劳特性要明显高于1 500 r/min以及300 mm/min的参数条件。
吉华等人对6061-T6铝合金T形接头进行静止轴肩搅拌摩擦焊试验,分别研究搅拌针旋转速度与焊接速度对其力学性能的影响,其拉伸示意图如图12及图13所示,其中图12为腹板的拉伸示意图,图13为翼板的拉伸示意图。


图12 腹板力学性能测试侧拉(侧拉)


图13 腹板与翼板的连接强度测试(正拉)

表1为主轴旋转速度与接头抗拉强度之间的关系,由表可知,焊接速度为40 mm/min不变时,随着搅拌针旋转速度的增加,接头的正拉以及侧拉抗拉强度变化程度较小。

表1 6061-T6铝合金接头力学性能与主轴旋转速度之间的关系(焊接速度40 mm/min)

表2为焊接速度与接头抗拉强度之间的关系,由表可知,在保证获得成形良好的焊缝前提下,提高焊接速度可在一定程度上改善接头抗拉强度,部分原因是焊接速度的提高降低了热量输入,这会使接头软化程度减少,同时也会抑制热影响区中晶粒的长大,从而使接头的力学性能提高。

表2 6061-T6铝合金接头力学性能与焊接速度之间的关系(搅拌针旋转速度1 400 r/min)


综上,静止轴肩搅拌摩擦焊在T形接头中的可行性得到了充分地验证,然而目前关于静止轴肩搅拌摩擦焊在T形接头中的焊接工艺参数范围、接头组织特点以及接头性能评价体系等方面还没有系统深入的相关报道。

4
结论
近几十年焊接技术的不断完善,使得铝合金T形接头在军用航空、民用汽车等领域的应用也日趋完善。综合国内外对于铝合金T形接头的应用发现,传统的熔焊方式因气孔、裂纹等缺陷而逐渐淘汰,静止轴肩搅拌摩擦焊作为搅拌摩擦焊的前沿发展方向,在T形接头连接方面展现出独特的优势,但是目前对焊具以及微观组织、缺陷、力学性能方面只进行了少量的研究,而且对于T形接头连接机理以及自动化控制方面研究还不够深入,相信在不久的将来,静止轴肩搅拌摩擦焊技术在T形接头中的应用会更加成熟,相关技术也会步入一个新的高度。




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