異種金屬攪拌摩擦對接焊研究進展
在航空航天工業(yè)?交通運輸制造業(yè)?能源行業(yè)?輕工裝備業(yè)及核工業(yè)等領域,為了充分發(fā)揮不同金屬材料的優(yōu)異性能?實現(xiàn)輕量化?降低制造成本以及滿足不同工況的需求,異種金屬材料結(jié)構(gòu)得到越來越多的運用?異種金屬材料一般在熔點?硬度?力學性能和化學活潑性等方面差異較大,所以使用傳統(tǒng)熔焊難以獲得良好的焊接接頭?固相連接技術的出現(xiàn)較好地解決了異種金屬材料連接的難題,攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術在研究和工程中獲得了很好的使用效果?與傳統(tǒng)的熔焊相比,攪拌摩擦焊過程中熱輸入小,無需焊絲,符合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的理念[1]?此外,攪拌摩擦焊的接頭部分晶粒細小,使得接頭在疲勞性能?拉伸性能和彎曲性能上都表現(xiàn)良好?現(xiàn)在攪拌摩擦焊在航空航天?造船?汽車?鐵路等行業(yè)有非常廣泛和出色的應用[2]?作者閱讀整理了很多國內(nèi)外文獻,主要介紹近10年來異種金屬材料攪拌摩擦對接焊的研究進展,希望可以給相關領域的研究人員提供一定的參考?
1 研究進展
1.1 攪拌摩擦焊的發(fā)展
攪拌摩擦焊(FSW)是一種固態(tài)熱剪切連接工藝?如圖1所示,一個帶有軸肩的攪拌頭和攪拌針,沿著2個剛性夾具夾持的對接表面移動?軸肩部與工件的表面牢固接觸,有一定的軸向力,由軸肩和工件表面摩擦產(chǎn)生的熱量和在攪拌針表面產(chǎn)生的熱量(小于軸肩摩擦)軟化被焊接的材料?當攪拌頭沿著焊接方向移動時,攪拌區(qū)域會產(chǎn)生嚴重的塑性變形,塑化的金屬會流動填充縫隙?圖1展示的是對接接頭,也可以用攪拌摩擦焊制造其它類型的接頭,如搭接接頭和圓角接頭?
攪拌摩擦焊自1991年[3]發(fā)明以來已經(jīng)發(fā)展為連接鋁部件的常規(guī)技術選擇；在連接一些難以用普通熔焊焊接的金屬和其他非鋁金屬上的應用也日益增加?如今攪拌摩擦焊可以用于大部分合金材料的連接,如鋁合金?鎂合金?銅合金?鋼-鈦合金及鋯合金等[4],還能用于異種金屬材料的連接?
1.2 異種鋁合金對接
Prime等[5]研究了7050-T7451和2024-T351厚鋁合金板攪拌摩擦對接焊后的殘余應力,采用的方法為輪廓法和中子衍射法?研究表明異種高強鋁合金攪拌摩擦焊接后殘余應力水平較低,殘余應力的峰值為43MPa,小于母材屈服應力的20%?
王斌等[6]采用攪拌摩擦焊對6mm厚的5052和6061異種鋁合金板進行了對接焊,測試了焊接接頭的室溫拉伸性能和顯微硬度?結(jié)果表明,焊核區(qū)的硬度高于5052鋁合金母材而略低于6061合金,其主要原因是焊核區(qū)晶粒細化和存在均勻分布的第二相；接頭的最大抗拉強度為225MPa,伸長率為5.77%；接頭斷裂位置位于5052合金側(cè)熱影響區(qū),為韌性斷裂?
孫甲堯等[7]對6mm厚的A356-T6和6061-T6鋁合金板攪拌摩擦焊進行了研究,發(fā)現(xiàn)接頭強度隨焊接速度的增加先增加,后趨于平緩；無論A356-T6還是6061-T6,放置在前進側(cè)時,接頭的斷口均位于A356-T6側(cè)熱影響區(qū)；接頭的硬度分布呈典型的“W”形,A356-T6側(cè)的組織軟化區(qū)域較6061-T6側(cè)大,斷口位置恰為硬度最小值處?
Silva等[8]研究了2024-T3和7075-T6鋁合金攪拌摩擦對接焊時的材料流動,2種鋁合金材料接合面的混合程度主要取決于攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度?高轉(zhuǎn)速會在攪拌區(qū)形成洋蔥環(huán)狀的特征但表面形貌很差；低轉(zhuǎn)速下異種材料的混合不明顯?
1.3 鋁合金-鋼對接
Ramachandran[9]小組研究了3mm厚5052鋁合金和低合金高強度鋼的攪拌摩擦對接焊時,在不同工藝參數(shù)下金屬間化合物(IMC)的生成情況?研究表明在其它參數(shù)不變的情況下：①攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度越高,金屬間化合物層越厚,在轉(zhuǎn)速600r/min時最厚約為5.792μm?②焊接速度越慢,金屬間化合物層越厚,在35mm/min時最厚約為3.896μm?③軸向力越大,金屬間化合物層越厚,在9kN時最厚約為3.254μm?④攪拌頭主軸傾斜角度為0.5°時,金屬間化合物層最厚約為2.282μm?
Coelho等[10]研究了6181-T4鋁合金和HC260LA及DP600高強鋼的攪拌摩擦焊?從圖2微觀結(jié)構(gòu)方面看,用較軟的鋼(HC260LA)產(chǎn)生的接頭界面顯示出稍大的變形,并且有較多數(shù)量和較大尺寸的高強鋼分離顆粒進入鋁合金一側(cè)?接頭硬度分布也能觀察到這種差異,高強鋼一側(cè)HC260LA比DP600顯示出更大的硬度梯度,而這正是由于不同程度的熱變形引起的?
DEHGHANI等[11]研究了3003-H18鋁合金和低碳鋼的攪拌摩擦對接焊,通過簡化模型得到計算熱量輸入因子(HIF)的公式,并且將實驗結(jié)果和相應得出的熱量輸入因子的值比對,發(fā)現(xiàn)當HIF值介于0.2~0.4之間時,焊接接頭強度主要受Al/Fe界面接合強度的控制；當HIF值介于0.4~0.8之間時,其強度受鋁合金側(cè)熱力學影響區(qū)強度的控制；當HIF值大于0.8時,其強度由金屬間化合物層和接頭焊接缺陷控制?
1.4 鋁合金-鎂合金對接
Mclean等[12]通過FSW方法對12mm厚的AZ31B鎂合金和5083鋁合金板材進行對接試驗,當5083鋁合金置于前進側(cè),AZ31B鎂合金放在后退側(cè)時,容易得到無明顯缺陷的接頭?相比于鋁合金,鎂合金一般較軟,容易塑化,塑化后的材料流入攪拌針前進后形成的空腔內(nèi)；也有人認為鎂合金有著更好的流動性能,所以放在后退側(cè)可以很好地填充焊縫?Mclean觀察到攪拌區(qū)域會形成薄的脆性的金屬間化合物層(IMC),其物質(zhì)組成主要為Al12Mg17,與離異共晶的形態(tài)一致?
金屬間化合物層的存在導致焊縫的延伸性很差,難以達到工程應用的要求?
宋波等[13]采用“切片法”,對3mm厚AZ31鎂合金和2024鋁合金板材在最佳參數(shù)下獲得的攪拌摩擦焊對接接頭逐層切片,觀察2種材料在對接后的位置和形態(tài),并且通過二維流動情況進行三維重構(gòu)?通過研究,他發(fā)現(xiàn)同一層面前進側(cè)和后退側(cè)材料流動具有不對稱性；鋸齒間距與進給速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速的比值相關；塑化后的金屬材料遷移主要發(fā)生在水平層面,在垂直方向金屬并沒有顯著流動?
Fu等[14]在研究6061-T6鋁合金和AZ31鎂合金攪拌摩擦對接焊時,將K型熱電偶嵌入距攪拌頭軸線2.5mm?母材上表面1.1mm深的20mm×2mm×2mm的溝槽內(nèi)來測量FSW過程中的溫度?其研究表明：①同樣的工藝參數(shù)下,前進側(cè)的溫度要略高于后退側(cè)；②同種材料焊接時的溫度峰值要高于異種材料?Liu等[15]研究3mm厚6061-T6鋁合金和AZ31B鎂合金攪拌摩擦焊接接頭,發(fā)現(xiàn)焊接速度對接頭形成有很大的影響,低焊接速度容易造成材料溢出?材料粘連在攪拌針上,導致空腔缺陷；高焊接速度增加了塑性材料的流動應力,使得接頭很難形成?無論是前進側(cè)還是后退側(cè)都會形成連續(xù)的金屬間化合物層,但后退側(cè)要遠多于前進側(cè)?在最佳焊接參數(shù)(旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min,焊接速度為60mm/min)下獲得的焊接接頭極限抗拉強度和伸長率最大分別為107MPa和1.2%?接頭斷口位于攪拌區(qū)和熱機影響區(qū)界面的金屬間化合物層,呈解理特征,表明其為典型的脆性斷裂?
1.5 鋁合金-銅合金對接
Sinha[16]545,Tan[17],Liu[18],Galvao[19-20]等的研究表明鋁合金-銅合金攪拌摩擦焊接頭界面處主要有Al4Cu9,AlCu,Al2Cu2和Al2Cu4種金屬間化合物?
Sinha等[16]546研究了旋轉(zhuǎn)速度對不同鋁合金-銅合金攪拌摩擦焊接接頭金屬間化合物的形成和力學性能的影響,他們發(fā)現(xiàn)金屬間化合物層的厚度隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加?
Sahu等[21]的實驗結(jié)果表明當較硬的銅合金放置在前進側(cè)時,可以獲得良好的無缺陷的焊接接頭；當鋁合金放置在前進側(cè)時,焊接接頭會有很多焊接缺陷?
Muthu等[22]的研究表明,鋁合金-銅合金焊接接頭的力學性能受攪拌針輪廓形狀影響很大,不同形狀的攪拌針使材料流動模式不同,而材料流動的模式?jīng)Q定了攪拌區(qū)有無缺陷和金屬間化合物的形成?在鋁-銅異種合金攪拌摩擦焊過程中,熱輸入量會影響金屬間化合物形成的量?
Bisadi[23],Pishevar[24]和Chen[25]等在研究中指出攪拌摩擦焊接中熱輸入量與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度有關?
Argesi等[26]做了5754-H114鋁合金和純銅的攪拌摩擦對接焊試驗,研究了不同焊接參數(shù)下鋁合金-銅焊接接頭的顯微硬度?通常,鋁合金-銅焊接接頭的顯微硬度取決于晶粒尺寸?金屬間化合物的成分和數(shù)量以及細小的銅顆粒的分布[27]?鋁合金-銅焊接接頭的顯微硬度分布是不均勻的,由于晶粒細化?較多金屬間化合物和細小銅顆粒的存在,攪拌區(qū)的顯微硬度一般較高?當旋轉(zhuǎn)速度為1000r/min,焊接速度為100mm/min時所得的焊接接頭在攪拌區(qū)的顯微硬度值最高,維氏硬度約為120,非常接近銅的顯微硬度值?
1.6 鋁合金-鈦合金對接
Aonuma等[28]對鋁合金和鈦合金薄板攪拌摩擦焊接作了一定研究,其主要采用2024和7075高強度硬鋁合金與純鈦和Ti-6Al-4V鈦合金進行對接焊試驗?
試驗結(jié)果表明：①純鈦與2024鋁合金的可焊性要比純鈦與7075鋁合金的好?②焊接時較快的焊接速度會提高鈦合金和鋁合金焊接接頭的抗拉強度?③母材的硬度差是影響鈦合金和鋁合金可焊性的主要因素?
陳玉華等[29]研究了LF6鋁合金和TC1鈦合金攪拌摩擦對接焊,發(fā)現(xiàn)鈦合金和鋁合金焊接時,攪拌頭有很嚴重的磨損,在焊核和鋁合金母材的邊界存在攪拌頭磨損后脫落的顆粒?
Dressler等[30]研究Ti-6Al-4V鈦合金和2024-T3鋁合金攪拌摩擦對接焊時,將鈦合金放置在前進側(cè),鋁合金放置在后退側(cè),且攪拌針偏置在鋁合金一側(cè),僅剩攪拌針直徑的十分之一在鈦合金一側(cè)?這樣做可以避免攪拌針的嚴重磨損和鋁合金一側(cè)過熱導致材料溢出形成飛邊?當攪拌頭轉(zhuǎn)速為800r/min,焊接速度為80mm/min時獲得的焊接接頭最好,其極限抗拉強度達到2024-T3母材極限抗拉強度的73%?
張振華等[31]研究TC4鈦合金和5A06鋁合金攪拌摩擦焊時,采用的復合接頭結(jié)構(gòu)和攪拌針偏置扎入設計,如圖3所示?該方法可以避免軸肩的磨損及根部未焊透的缺陷?采用最佳工藝條件獲得的鋁合金-鈦合金對接接頭抗拉強度可以達到母材5A06鋁合金抗拉強度的88.3%,斷口在鋁側(cè)焊核區(qū)內(nèi)?在熱-機耦合效應作用下,較低的攪拌頭轉(zhuǎn)速以及攪拌針在鈦合金側(cè)較小的偏置量,可有效減少金屬間化合物的產(chǎn)生,提高對接界面的結(jié)合強度?
1.7 異種金屬攪拌摩擦對接焊數(shù)值模擬
江旭東等[32]對6061-T6鋁合金和T2紫銅對接攪拌頭偏置攪拌摩擦焊溫度場進行模擬,在熱源模型的建立過程中忽略2種材料之間的混合情況,提出簡化的熱源模型?模擬結(jié)果顯示：①高溫區(qū)出現(xiàn)在軸肩后側(cè),銅側(cè)高溫區(qū)的溫度梯度較鋁合金側(cè)大；②焊縫截面處橫向最高溫度分布呈現(xiàn)由中心到邊緣下降趨勢,且銅側(cè)的下降趨勢較鋁合金側(cè)快；③攪拌頭轉(zhuǎn)速是攪拌摩擦焊溫度場的主要影響因素,轉(zhuǎn)速增加,溫度上升明顯?
Kishore等[33]使用FLUENT軟件對AA6061-AA5082與AA2024-AA7075鋁合金攪拌摩擦對接焊的過程進行了數(shù)值模擬,將FSW過程構(gòu)建成一個二維穩(wěn)態(tài)黏塑性層流模型?通過不同的二維穩(wěn)態(tài)黏塑性層流模型分析了材料位置?工藝參數(shù)和攪拌針形狀對溫度分布和材料流動的影響?分析得出：①峰值溫度產(chǎn)生在較硬的材料一側(cè)；②5082鋁合金放置在前進側(cè)能獲得更好的混合效果；③截面為三角形的攪拌頭更適合于攪拌,因為它可以減少焊接橫向力?
Padmanaban等[34]采用基于CFD的傳熱和材料流動模型對2024鋁合金和7075鋁合金攪拌摩擦焊過程進行模擬,發(fā)現(xiàn)焊縫兩側(cè)溫度分布不對稱,峰值溫度大約為材料熔點的80%~90%；溫度分布受攪拌針旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度影響,峰值溫度隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加而上升,隨著焊接速度的增加而下降；攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加還會降低焊核區(qū)的黏度,增強材料的流動性能?
攪拌摩擦焊在異種金屬材料對接焊上表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢,通過試驗不斷優(yōu)化工藝參數(shù),可以獲得無明顯缺陷的對接接頭,接頭的力學性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熔焊,而且接頭的殘余應力水平也較低?目前異種金屬攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)主要是依靠前期大量的試驗及技術人員的經(jīng)驗確定,效率較低?研究人員通過構(gòu)建數(shù)學模型,就能通過計算機進行模擬試驗?數(shù)值模擬技術可以實現(xiàn)對異種金屬攪拌摩擦焊過程的應力場?溫度場和材料流場的模擬[35]?同時數(shù)值模擬技術還可以用在異種金屬攪拌摩擦焊對接接頭的動態(tài)力學性能,裂紋形成和擴展機理,摩擦磨損行為等方面,對提高接頭質(zhì)量有著巨大的幫助?
但是,在異種金屬材料攪拌摩擦焊數(shù)值模擬方面的研究比較少,還存在很多不足之處?諸如在數(shù)值模擬方法?材料本構(gòu)模型?熱源模型和邊界摩擦模型構(gòu)建等方面,由于異種金屬材料物理化學性質(zhì)的不同,攪拌摩擦焊接過程中異種材料塑化程度不同,攪拌區(qū)域的混合情況復雜,在模型建立時考慮的問題要比同種材料時更多?現(xiàn)在關于異種金屬攪拌摩擦焊的數(shù)值模擬研究中,大多都是采用計算流體力學(CFD)和計算固體力學(CSM),而這2種模擬方法都不能完全模擬真實的攪拌摩擦焊接過程?在熱源模型的建立中也大多只考慮軸肩摩擦生熱和攪拌針摩擦生熱,簡化的熱源模型使得模擬結(jié)果誤差較大?希望有更多的研究人員提出更加完善的模型,使得攪拌摩擦焊數(shù)值模擬技術更加成熟可靠,從而使得攪拌摩擦焊技術能在工業(yè)上獲得更大的推廣使用?
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來源：期刊—輕工機械
作者：殷凱,曹麗杰,王楠楠
(上海工程技術大學機械與汽車工程學院)
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