旋转速度对航空高强铝合金搅拌摩擦焊缝性能的影响.pdf

- 飘企量蕊 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G l N E E R l N G d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．2 0 9 5 - 1 7 4 4 ．2 0 1 3 ．0 1 ．0 0 3 旋转速度对航空高强铝合金 搅拌摩擦焊缝性能的影响 圜夏罗生 张家界航空工业职业技术学院湖南张家界4 2 7 0 0 0 摘要航空材料7 0 2 2 高强铝合金因具备密度低、比强度高等优点常被用作飞机框架零件材料。采用搅拌摩擦 焊方法对7 0 2 2 铝合金进行焊接试验。结果表明，旋转速度是影响焊缝质量的关键因素，当旋转速度值为4 0 0r ／ r a i n 时，能获得细小的等轴再结晶晶粒．焊缝力学性能达到最佳状态，焊接速度为1 0 0m m ／m i n 时，抗拉强度％ 为6 0 4 ．7 9M P a ，已超过母材的抗拉强度5 9 8M P a ，达到母材的1 0 2 ．5 ％，屈服强度％为5 2 5 ．2 1M P a ，接近母 材的屈服强度5 3 0M P a ，达到母材的9 9 ．1 0 ％，平均延伸率约为3 ．4 5 ％，呈现出优异的力学性能。 关键词7 0 2 2 铝合金；搅拌摩擦焊；旋转速度；微观组织；力学性能 中图分类号T G 4 5 3 ．9文献标志码A 文章编号2 0 9 5 ．1 7 4 4 2 0 1 3 0 1 ．0 0 2 4 0 3 材料是航空工业发展的基础，好的航空材料应具有 质量轻、密度低、比强度高、导热性好等优点。7 0 2 2 高强 铝合金包含的主要合金元素是锌，其密度仅为钢的1 ／3 、比 模量接近于高强度钢、比强度超过高强度钢，若采用热处 理来强化，其强度还可显著提高，因此常被用作飞机结构 框架零件材料[ 1 - 3 ] 航空材料的常规连接方法是铆接，其局限性随飞机 性能的提高而越发明显。若改用一般焊接方法，因高强 铝合金的熔点低、失稳临界应力低、线膨胀系数大等特 点，存在焊后残余应力大及变形大的问题，严重影响焊缝 接头性能。搅拌摩擦焊技术是一种新的固相连接技术，解 决了低熔点合金焊接难题，具有无烟尘、无飞溅、不需要添 加焊丝和无需保护气体等优点，因而对环境污染小、节省 能源、并且焊后的残余应力和变形非常小、接头力学性能 好，是一项可持续发展的绿色环保清洁战略技术，已成功 应用于航空航天类飞行器 如民用飞机 、高速动车、装甲 车、大型舰船等结构件的制造，显示出优良的性能，并产 生了显著的经济效益[ 4 - 8 ] 。 国内对影响7 0 2 2 铝合金搅拌摩擦焊接性能工艺参数 研究还很少，通过对7 0 2 2 高强铝合金材料进行的搅拌摩 擦焊接试验，初步研究旋转速度对搅拌摩擦焊焊缝组织 和接头性能的影响。 1 实验方法 1 ．1 试验方案 研究搅拌头旋转速度度对7 0 2 2 铝合金焊缝焊接性 能的影响，寻找7 0 2 2 铝合金焊接的最佳焊接工艺参数， 以提高搅拌摩擦焊焊缝质量。在保证各项工艺参数相同 如工艺倾角、材料厚度、焊接速度、顶锻压力等 的情况下， 采用不同的搅拌头旋转速度对7 0 2 2 铝合金进行焊接，对 比分析焊缝组织和接头性能[ 9 - 1 2 ] o 1 ．2 试验设备 采用自制龙门搅拌摩擦焊设备对7 0 2 2 铝合金进行单 道对接搅拌摩擦焊，在焊接接口沿焊核区横向取样，制作 基金项目湖南省教育厅自然科学研究项目 1 1 C 1 2 9 0 收稿日期2 0 1 2 0 7 1 6 作者简介夏罗生 1 9 7 0 一 ，男，湖南益阳市人，副教授，硕士 主要从事搅拌摩擦焊技术和数控技术方面的研究。 2 4 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y 万方数据 成拉伸试样和金相试样，利用C S S ．4 4 1 0 0 电子试验机进行 拉伸试验，用P O L Y V A R - M E T 光学金相显微镜观察微观 组织。 1 ．3 试验材料 试验用材料为7 0 2 2 铝合金轧制板材，热处理状态为 T 6 ，加工成2 0 0m m x l 0 0m m x l 0m m 试样，7 0 2 2 高强铝 合金既可变形强化，又可热处理强化，主要化学成分如表 1 所示，力学性能如表2 所示。 表17 0 2 2 铝合金的主要化学成分 慌 状态鬻耀 弹性模量／密度／断后延伸 G P a g c m 。 率／％ 数值 5 9 85 3 07 02 ．77 ．1 4 2 试验结果与数据分析 2 ．1 焊缝微观组织 沿焊缝焊核区横向取样，用4 0 0 “～2 0 0 0 4 碳化硅砂纸 分别对断面进行打磨，再用抛光机将试样抛光至镜面水平。 然后进行化学腐蚀处理，制成金相试样，用P O L Y V A R - M E T 光学金相显微镜进行观察，其金相微观组织见图1 。 图】分别是旋转速度为3 0 0 ，4 0 0 ，6 0 0r ／m i n 下焊核区 同一位置的微观组织。焊核区是焊缝接头的关键位置，直 接影响焊缝性能。焊核区材料受机械搅拌和摩擦热综合 作用，经历了大的塑性变形及热循环作用，其组织发生动 态结晶、长大，形成粒度细小、形状饱满、晶界明显的晶粒， 已从母材的板条状晶粒变成细小的等轴再结晶晶粒。三个 图中晶粒的形状、大小及均匀性并不完全一致。图1 b 的 晶粒更细小、更均匀和连接更致密。图1 a 的晶粒比 图l b 要粗大些，均匀性也差一些，这是由于旋转速度较 低，机械搅拌作用不够及摩擦产热不够，流动不充分所致。 图1 c 的晶粒更加粗大，这是搅拌头旋转速度过高，单位 长度焊缝上获得的热量过多，晶粒组织在高温下不断膨胀 长大的结果。 2 ．2 焊缝强度 截取焊缝焊核区横断面，按照国家标准，加工成标准 拉伸试样，试样截面尺寸为1 5 ．0m m x 1 0 ．0m m 。每次试验 取5 个试样，用C S S - 4 4 1 0 0 电子万能试验机进行拉伸试验， 对所得数据取平均值进行分析。表3 是在旋转速度n 4 0 0 r ／m i n ，焊接速度v 1 0 0m m ／m i n 下测得的拉伸试验数据， 焊核区试样的抗拉强度以为6 0 4 ．7 9M P a ，已经超过母材 抗拉强度5 9 8M P a ，达到母材的1 0 2 ．5 ％，屈服强度盯。为 5 2 5 ．2 1M P a ，接近母材的屈服强度5 3 0M P a ，达到母材的 9 9 ．1 0 ％，平均延伸率约为3 ．4 5 ％。根据试验方案，在焊接 速度v 1 0 0m m ／m i n 条件下，不同旋转速度下的力学拉伸 数据平均值如表4 所示。 表3 力学拉伸试验数据 表4 不同旋转速度下的平均力学拉伸数据 从表4 可看出，当焊接速度为1 0 0m m ／m i n ，若将搅 拌头旋转速度从2 5 0r ／m i n 逐渐增大至6 0 0r ／m i n 时，则焊 核区焊缝的抗拉强度％从5 1 0 ．1 2M P a 渐渐增加到6 0 4 ．7 9 M P a ，然后开始逐步减小到5 3 0 ．5 6M P a ，显现出先增加后 减小变化趋势，如图2 0 所示，在n 4 0 0r ／m i n 时焊缝抗拉 强度最高，达到6 0 4 ．7 9M P a 。焊核区焊缝的屈服强度c r o 图l 不同旋转速度下焊核区微观组织对比 有色金属工程2 0 1 3 年第1 期 2 5 万方数据 _ 看否_ 企磊土程 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G 变化规律与抗拉强度变化规律基本相同，如图2 b 所示， 嘞2 也是从4 7 9 ．9 4M P a 渐渐增加到5 2 5 ．2 1M P a ，然后开始 逐步减小到4 5 2 2 9M P a ，在n 4 0 0r ／m i n 时焊缝屈服强度 c r 0 最大，达到5 2 5 ．2 1M P a 。经分析认为，在其余工艺参数 相同时，旋转速度过慢，会使机械搅拌作用不够显著，其 摩擦产热小，热循环不够，材料难以热塑化而流动性不够， 难以形成致密的组织。若逐渐增大旋转速度，搅拌轴肩及 搅拌针与焊缝区材料的摩擦逐渐加大，因摩擦而产生的热 量增加，同时机械搅拌作用也加剧，使焊缝区材料逐渐热 塑化从而形成热塑流动层，产生紧密而均匀的组织。然而， 若继续增大旋转速度，摩擦产生的热量进一步增加，会使 单位长度焊缝上获得的热量过多，导致与搅拌轴肩和搅拌 针接触区域材料的温度超过其溶点而熔化，以致焊缝强 度下降。由此可见，搅拌头旋转速度是影响焊缝强度的关 键因素。 旋转速度n ／ r ‘r a i n 一旋转速度n ／ rr a i n - 1 a 旋转速度与抗拉强度关系； b 旋转速度与屈服强度关系 图2 旋转速度与焊缝力学性能的关系 3结论 搅拌头旋转速度是影响焊缝性能的关键因素，当旋 转速度为4 0 0r ／m i n 时，焊核区形成形态细小、形状均匀 和连接致密的等轴再结晶晶粒。当旋转速度从2 5 0r ／m i n 逐渐增大至6 0 0r ／m i n 时，焊缝的强度显现出先增加后减 小变化趋势。当旋转速度为4 0 0r ／m i n 、焊接速度为1 0 0 m m ／m i n 时，抗拉强度％为6 0 4 ．7 9M P a ，已超过母材的 抗拉强度5 9 8M P a ，达到母材的1 0 2 ．5 ％，屈服强度c r 0 为 5 2 5 ．2 1M P a ，接近母材的屈服强度5 3 0M P a ，达到母材的 9 9 ．1 0 ％，平均延伸率为3 ．4 5 ％，呈现出优异的力学性能。 参考文献 [ 1 】柯黎明，邢丽，刘鸽平 接技术，2 0 0 0 ，2 9 2 7 - 8 ． 【2 ] 刘会杰，陈迎春，冯吉才 焊接，2 0 0 4 1 2 5 - 9 ． 搅拌摩擦焊工艺及其应用【J 】．焊 中国搅拌摩擦焊技术的研究[ J ] 【3 ] 任淑荣，马宗义，陈礼清．搅拌摩擦焊接及其加工研究现状 与展望【J 】材料导报，2 0 0 7 ，2 1 1 8 6 9 2 ． [ 4 ] 董鹏，孙大干，李洪梅，等．6 0 0 5A T 6 组织与力学性能 特征【J 】．材料工程，2 0 1 2 4 2 7 ．3 1 ． [ 5 】夏罗生，朱树红．2 5 1 9 铝合金搅拌摩擦焊工艺研究【J ] 热 加工工艺，2 0 1 0 ，3 9 11 1 4 4 ．1 4 6 ． 【6 ] R h o d e sCG ，M a h o n e yMw B i n g e lWH ．E f f e c to ff r i c t i o n s t i rw e l d i n go nm i c r o s t r u c t u r eo f7 0 7 5a l u m i n i u m [ J 】． S c r i p t aM a t e r i a l i a ，1 9 9 7 ，3 6 1 6 9 7 5 ． [ 7 ] 夏罗生．搅拌摩擦焊工艺倾角研究[ J 】热加工工艺，2 0 1 l ， 4 0 1 5 1 3 5 - 1 3 7 ． [ 8 】于勇征，罗宇，栾国红．影响搅拌摩擦焊金属塑性流动的 因素[ J 】．焊接学报，2 0 0 4 ，2 5 5 1 1 7 1 2 0 ． [ 9 ] 王希靖，阿荣，郭瑞杰，铝合金搭接接头搅拌摩擦焊工艺 研究【J 】热加工工艺，2 0 0 4 ，3 3 4 1 2 1 6 ． [ 1 0 ] 李宝华，柯黎明，邢丽，等．搅拌摩擦焊工艺参数对 L Y l 2 铝合金焊缝金属流动形态的影响[ J ] ．机械工程材料， 2 0 0 9 ，3 3 1 5 5 5 8 ． [ 11 】C o l e g r o v ePA ，S h e r c l i f fHR ．T w o d i m e n s i o n a lC F D m o d e l l i n go f f l o wr o u n dp r o f i l e dF S Wt o o l i n g 【J 】S c i e n c ea n d T e c h n o l o g yo f W e l d i n ga n dJ o i n i n g ，2 0 0 4 ，9 6 4 8 3 4 9 2 ． 【1 2 】F e n gZ ，G o u l dJE ，L i e n e r tTJ ．Ah e a tf l o wm o d e l f o rf r i c t i o ns t i rw e l d i n go fa l u m i n u ma l l o y s [ c ] ／／H o t d e f o r m a t i o no fa l u m i n u ma l l o y s1 1 ．T r o d b r i d g e ．UK T h e m i m e r a l s ．m e t a l s m a t e r i a l ss o c i e t y , 1 9 9 8 1 4 9 ．1 5 8 ． 2 6 工程技术E n g i n e e r i n gT e c h n o l o g y O O 0 O 0 O 舛 观 如 蚓 拍 ￡I_∈HoD越黑苍唾 O O O O O O 们 ∞ “ 鲫 ” n ￡苫舌越骠迥堰 万方数据