搅拌头形状对搅拌摩擦焊接性能的影响

搅拌头形状对搅拌摩擦焊接性能的影响

搅拌摩擦焊接是英国焊接研究所（tpm）在1991年开发的一种新型焊接工艺。由于它的出现，它引起了学术界的广泛关注和研究。搅拌摩擦焊接的本质是在焊接头和焊接头之间产生热力的，并形成焊接。在搅拌摩擦焊中，搅拌头直接承受热载、力载和摩擦磨损。因此，在焊接条件下，请提供抗焊接材料的焊接结构、焊接强度、硬度和耐腐蚀性。抗装配材料的耐候性、静态和动态力学性能以及其他物理特性的抗磨损材料。搅拌头是连接摩擦焊接的关键，其形状和大小对焊接过程中有重要影响，从而决定了搅拌摩擦焊过程中的发热、材料流动和焊接质量。目前国内外在这方面的研究开展顺利,何建军等对新型搅拌头的研制成功有力地促进了搅拌摩擦焊的发展.王大勇等分别用柱状和锥状光面搅拌头对搅拌摩擦焊接Al-Li合金接头的组织及力学性能做了研究.Buffa等基于FEM模型对搅拌头进行设计,并指出搅拌头几何形状对得到满意的焊缝和热影响区微观组织,从而改善接头的强度和抗疲劳性能起到至关重要的作用.Mustafa等研究了不同几何形状的搅拌头对2014和1018铝合金搅拌摩擦焊接头力学性能的影响.本文选用高温合金材料制作不同形状尺寸搅拌头对5mm厚的H62铜合金进行FSW试验,并对焊接过程中搅拌头温度及受力情况分别进行检测,分析不同形状尺寸搅拌头对焊接过程中搅拌头受力和搅拌头温度及焊缝成形质量的影响,为搅拌头的优化设计和寿命的提高提供实验依据.1试验材料及设备被焊材料选用H62铜合金,尺寸为200mm×70mm×5mm,对接焊接,材料力学性能为抗拉强度σb=540~590MPa,延伸率δ=3%,硬度为164HV.其化学成分见表1.试验设备为FSW-3LM-015型搅拌摩擦焊机,搅拌头形状选择平面、凹面轴肩配合圆柱、圆台搅拌针,搅拌头形状设计如图1所示,搅拌头尺寸组合见表2,搅拌针长度统一为4.6mm.焊接参数为转速630r/min,焊速70mm/min,下压速度4mm/min,预热保持5s,压入量0.3mm.温度检测采用雷泰3iLRL3红外测温仪.2结果与分析2.1搅拌针的下压力大,有更多空间纳图2是不同形状尺寸搅拌头在相同焊接参数下的受力检测结果,可以看出摩擦头几何形状会对下压力产生较大影响:凹陷型轴肩搅拌头比平面型轴肩搅拌头受到的下压力小,是由于同样压入深度下凹陷型轴肩内部有更多空间容纳塑性金属,另外其相对于平台型轴肩搅拌头的摩擦面积也更大,能保证产热充足,金属软化程度大;圆锥形搅拌针下压力比圆柱形搅拌针大,由于圆锥形搅拌针所具有的倾斜角度,使得搅拌针下压过程中的侧面也产生下压力;平锥形摩擦头的下压力最大但是其焊接成型时易出现缺陷,主要是因为这种形状摩擦头虽然有利于产热,但其对金属塑性流动不利,金属易流出焊缝区,而图1d凹锥摩擦头虽然下压力不是最大,但是其焊缝成型最好.2.2搅拌针形状对温度的影响搅拌摩擦焊过程摩擦温度的测量方法有接触式和非接触式.接触式是在被焊工件特定位置钻孔,放入热电偶元件,测得工件各部位焊接时的温度,然后根据温度场模拟出搅拌头的温度.非接触式是采用远红外辐射测温装置,测量搅拌头肩部温度.本试验选用第2种方法,每隔20s记录一次数据,共记录200s测量温度值.图3为不同搅拌头搅拌摩擦焊时的温度实时检测结果.在75s之前,温度为搅拌针压入工件并与工件金属摩擦时而产生的温度,75s时轴肩与工件接触,温度急剧上升,而后热量逐渐向工件扩散,进入行进阶段后达到平衡状态.搅拌针形状对75s前温度变化有一定影响,圆锥形搅拌针会使搅拌针柱面摩擦面积增加,产热多温度上升更快;75s后的温度来源主要是轴肩与工件的摩擦,凹陷型轴肩产热明显要高于平台型轴肩.搅拌摩擦焊接过程中最大温度为624℃,为凹锥型搅拌头在160s时的温度.这主要是因为在同样工艺条件和参数下,由于凹陷型轴肩摩擦产热面积比平台型轴肩大,所以总产热量大,锥形搅拌针产热增多也同样是由于摩擦面积比柱形搅拌针大.2.3凹陷型轴肩主要特点产热分析搅拌头形状尺寸的选择不但关系到搅拌头受力以及产热的大小,还对焊缝成型质量和金属流动有重要影响,图4为不同形状尺寸下搅拌摩擦焊焊缝外观.从图中可以看到,当搅拌头形状尺寸设计合理时能得到外观平整美观的焊缝,如4#搅拌头对应焊缝;由于接触面积的增加,凹陷型轴肩产热高于平台型轴肩产热,另外凹陷型轴肩的明显好处是能将塑化的工件金属收纳到内部空间内,产生较少飞边,比如同样焊接参数下3#搅拌头对应焊缝较1#搅拌头发生明显过热现象.在焊接工艺参数一定的情况下,搅拌头形状尺寸决定焊缝区宽度及形貌.图5为不同搅拌头对应的焊后接头剖面形貌,左侧为返回侧,右侧为前进侧.其中返回侧轮廓相对前进侧轮廓要平缓得多,这是因为在搅拌摩擦焊过程中,返回侧温度高于前进侧温度,返回侧焊接热量沿板厚方向扩展更多,而前进侧上下层受热变化明显.从图中还可以看出,在轴肩形状尺寸相同,搅拌针尺寸相近情况下,圆锥形搅拌针焊后接头热影响区轮廓较宽且过渡平滑,这是因为圆锥形搅拌针产热高于圆柱形搅拌针产热的缘故.并且凹陷型轴肩比平台型轴肩更有利于金属的塑性流变,使得焊缝区宽度较大.3凹陷型轴肩和平台型轴肩1)搅拌头形状对焊接过程中搅拌头受力产热及焊缝区金属成型都有很大的影响.2)同样工艺条件和参数下,凹陷型轴肩因容纳金属空间增大,下压力明显要低于平面型轴肩,锥形搅拌针因受力面积增大其下压力大于柱形搅拌针.3)同样工艺条件和参数下,凹陷型轴肩由于