铝合金摩擦焊接界面力学性能的研究.pdf

丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌丌保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报保山学院学报铝合金摩擦焊接界面力学性能的研究赵渊博1,2（1、黑龙江科技大学，黑龙江 哈尔滨 150020；2、江苏安全技术职业学院 培训部，江苏 徐州 221011）摘要通过热电偶检测五组不同的摩擦压力焊接过程中的温度变化数据，研究该五组不同摩擦压力下温度变化规律，分析温度场分布及变化的原因，并对焊后接头进行力学性能测试；结果表明，焊接试样接头摩擦界面的最高温度与摩擦压力有关，摩擦压力越大，达到预设进给量时需要的摩擦时间越短，摩擦界面的最高温度越低；随摩擦压力增大，焊缝区的宽度变窄冲击吸收功增加，焊缝区宽度最小值为418.3 um，吸收功最大值为 12.65 J；接头组织区域硬度值按大到小排序为焊缝区热机影响区热影响区。关键词 摩擦焊；温度场；摩擦压力；接头；力学性能中图分类号 TG4文献标识码 Adoi:10.3969/j.issn.1674-9340.2023.02.012文章编号 1674-9340（2023）02-0075-06收稿日期：2022-03-28项目基金：2020年度江苏省高等教育教改研究重点课题“职业院校焊接专业教学改革研究”（项目编号：20ZC-56）。作者简介：赵渊博（1985），男，汉族，安徽宿州人，讲师，研究方向为焊接技术及工艺。引言摩擦焊接作为固态焊接方法，结合面不发生熔化，熔合区金属组织为锻造组织，因此晶粒较为细化、组织致密1，接头质量好。在摩擦阶段，两个部件的接触界面在压力的作用下相互摩擦，在摩擦面产生热量，摩擦面的温度一般在熔点附近，此时材料的变形抗力降低、塑性提高，接头接触界面发生软化达到黏塑性状态并产生宏观塑性变形，最后在顶锻压力作用下，通过接触面两侧材料分子扩散再结晶等过程实现固态焊接2-3。其中，焊接过程中的温度场对于焊件的质量和精度有重要影响，温度场的形成又与摩擦压力、摩擦时间、摩擦变形量等不同焊接参数有关4-5。关于摩擦焊温度场研究方面主要通过模拟和实验相互验证的方法进行分析，且主要关于铝合金的搅拌摩擦焊，对于铝合金连续驱动摩擦焊温度场方面的研究较少6。本文采用试验研究与理论分析相结合的方法，以7075铝合金为研究对象，分析了不同摩擦压力下（25 Mpa、40 Mpa、55 Map、70M pa和85 Mpa）的温度曲线变化，研究了摩擦压力对焊接接头界面温度的影响，并分析焊后接头不同摩擦压力下的冲击韧性及断口形貌，观察焊接接头的金相组织及焊后接头的焊缝区、热机影响区（HMAZ）、热影响区（HZA）及近热影响区母材的硬度分布。为优化焊接工艺参数，选择合理的摩擦压力，研究摩擦焊摩擦界面温度场变化规律，提高焊件接头的焊接质量具有重要意义。1 材料和方法1.1 材料与设备高强度铝合金由于其强度高、质量轻的优点在航天航空、军工、民用等领域应用广泛，但是其焊接性能一般较差，有较大的开裂倾向7，难以通过常规的焊接方法获得较好的焊接接头，一般使用摩擦焊的方法进行焊接。因此，本文选用7075-T651铝合金。本试验设备为Y150-A的摩擦压力机（摩擦压力范围为0100 Mpa，淄博市博山区东栩压力第 42 卷第 2 期保山学院学报2023 年 4 月机械厂），TD-8U多路温度测试仪（分辨率0.1，常州立优立特机电有限公司），K型热电偶（上海士业自动化仪表有限公司），CMT4000冲击试验机（美特斯工业系统有限公司），GMM-220金相显微镜（上海光学仪器厂），EVO15扫描电子显微镜（蔡司股份公司），HV-1000显微硬度计（昆山市顺诺仪器有限公司），PG-2B型机械抛光机（上海标恒电子科技有限公司）。1.2 样品制备1.2.1 试样尺寸形状设计根据摩擦焊压力机夹具的尺寸，将旋转端的直径尺寸设计为20 mm的圆柱状凸台；移动端试样尺寸形状设计为两端长35 mm，直径20 mm的圆柱状，中间部分直径尺寸设计为10 mm，长度为70 mm，具体尺寸如图1所示。图1 焊接试样夹具示意图为了便于试验过程中温度测量，将测温孔设计在距离摩擦界面35 mm处，不容易受接头塑性变形的影响。测温孔设计为4个，均匀分布在移动端试验上。孔的尺寸设计为通孔，方便热电偶穿过，测温孔位置如图1所示。1.2.2 接头金相试样制备金相试样的制备包括以下3个过程：（1）粗磨和细磨。试样依次使用400#、600#、800#、1000#4种磨粒不同的砂纸，磨粒的大小按照砂纸的型号逐渐变细；（2）机械抛光。使用抛光机进行抛光，转速为600 r/min，金刚石抛光膏颗粒度0.5 um；（3）腐蚀。清洁试样表面光亮无污垢时使用Keller试剂腐蚀试样2030 s，使用净水冲洗，然后使用酒精清洗，吹风机吹干后使用电子显微镜观察金相组织。1.2.3 冲击试样制备冲击韧性8指的是材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧度可以用来衡量材料的抗冲击性能和脆性倾向。本实验冲击试样尺寸按照国家标准GB/T229-2007金属夏比（V型缺口）冲击试验方法中规定的尺寸加工。试验时的温度条件为室温条件，摆锤角度为150.7，摆锤能量为300 J，V口开的位置在焊缝中心处。1.3 摩擦焊界面和接头检测1.3.1 温度测量实验过程中采用不同摩擦压力对试样进行焊接，测量不同摩擦压力下温度曲线的变化情况。本试验采用五组不同的摩擦压力，试样编号分别命名为R1、R2、R3、R4和R5摩擦压力见表1。表1 摩擦焊相关参数表进给量摩擦压力R110 mm25 MpaR210 mm40 MpaR310 mm55 MpaR410 mm70 MpaR510 mm85 Mpa1.3.2 硬度测量选择R2为测试对象，本次试验使用显微维氏硬度计，施加载荷为4.94 N，试验时分别对焊缝-76赵渊博：铝合金摩擦焊接界面力学性能的研究区、热机影响区、热影响区、近焊区母材和原始母材五个不同组织区域进行硬度测试，每个组织区域内测试三组硬度值，然后取平均值，分析不同区域内的硬度变化情况。2 结果分析2.1 试样接头宏观形貌分析图2 焊后试样接头宏观形貌如图2为焊后试样宏观形貌，从左到右依次R1、R2、R3、R4、R5试样。从图2中可以看出，R1、R2两组试样在施加摩擦压力较小的情况下，焊接接头的飞边外观形变变形良好，外观美观，卷曲度比较小，挤出的飞边金属层也比较均匀。当摩擦压力增大为55 Mpa时，飞边组织开始出现明显的开裂情况，飞边外观不均匀，且没有明显地挤出金属层。当摩擦压力增大为85 Mpa时，接头飞边开裂情况最为严重。主要是因为7075-T651高强铝合金焊接时的摩擦压力较低时，要达到预设的进给量所需要的摩擦时间大大增加，接头温度升高的速率较为缓慢。当摩擦压力逐渐增加，要达到预设的进给量所需要的摩擦时间减少，接头摩擦界面单位时间产生的热输入也较大，此时再施加较大的顶锻压力接头就容易产生开裂现象。2.2 摩擦焊界面温度分析采用五组不同摩擦压力进行面对面的焊接并记录各组的温度情况，结果如图3所示。图3 不同摩擦压力下摩擦界面温度曲线变化图从图3可知，该温度曲线的总体趋势是随着摩擦压力的增加，试样摩擦界面的最高温度降低，焊接时间逐渐减少。摩擦压力越大时，焊接完成需要的时间也就越短；随着摩擦压力增加，温度上升的速度总体呈上升趋势，R4和R5试样的温度曲线速率最大，R1试样温度曲线速率最小。摩擦压力为25 Mpa时，该条温度曲线的温度变化速率最慢，温度上升较为缓慢，且完成焊接时间最长。在进给量相同的情况下，当摩擦压力为25 Mpa时，R1试样的温度最高，达到524.6，且焊接时间最长，达到50 s。而当摩擦压力为85 Mpa时，此时接头的最高温度最低，只有380.4，所需要的焊接时间也是最短的，在14 s左右，该组试样摩擦界面的温度即可达到最高值。2.3 摩擦压力对接头微观组织及力学性能影响2.3.1 接头显微组织图4是由7075-T651高强铝合金摩擦焊接头在物镜放大倍数为50 X下不同组织区域的金相显微照片拼接而成。-77第 42 卷第 2 期保山学院学报2023 年 4 月图4 接头焊缝及近焊区金相组织50倍拼接图按照组织晶粒形状、大小和试样焊接接头焊缝处的特点，该接头可以分为如下几个区域。中心部分颜色较深，晶粒组织致密，尺寸较小的等轴晶粒为焊缝区（WZ），焊缝两边晶粒明显呈流线型形状的组织区域为热机影响区（HMAZ），该处晶粒组织由于受到摩擦界面处的摩擦压力而发生变形，因此该处晶粒组织较为致密，形状呈现出流线状。紧邻热机影响区的晶粒组织明显比焊缝处的晶粒尺寸要大，晶粒受到摩擦热的作用长大，该区域为热影响区（HAZ）。从图4中可以看出右侧移动端的热机影响区要大于左侧固定端的热机影响区，右侧固定端的热机影响区处的晶粒的流线型更加地细长，晶粒也更为细小。原因在于旋转端试样在焊接时一直在作高速旋转运动，热量散失得比较多，移动端一直往前作进给运动，热量散失小，温度高，因此移动端试样焊接时变形程度较高，热机影响区的流线型更明显、细长。2.3.2 摩擦压力对焊合区宽度的影响一般来说，试验时采取的压力不同，焊合区的宽度也会发生改变。为了验证猜测的结论，在物镜倍数为50 X下测量5组不同摩擦压力下试样接头的焊缝区的宽度值，每组焊缝的宽度测量5次，然后取平均值，结果如表2所示。表2 不同摩擦压力下的焊合区长度与冲击功焊合区长度/m冲击功/JR1589.03.12R2726.406.45R3522.508.35R4483.508.99R5418.3012.65从表2可以发现，R2试样焊合区的宽度值明显要大于其他4组试样接头焊合区的宽度。分析其原因，可能是由于在试验过程中受于试验条件的限制，进给量的误差范围没有控制在合理的范围内，导致该组试样的摩擦进给量要远大于其他4组试样的摩擦进给量，该组试样接头焊缝区的宽度要宽得多。2.4 接头力学性能测试及分析2.4.1 冲击韧性实验结果测得焊缝处的冲击功及冲击韧性值如表2所示。根据表2中数据可以发现，在摆锤角度及摆锤的能量不变的条件下，总体上冲击试样的冲击功AKV及冲击韧性值akv都随着摩擦压力的增大而增大。摩擦压力为20 Mpa时，冲击功和冲击韧性值最小，当摩擦压力增大为120 Mpa时，冲击功及冲击韧性值最大。2.4.2 断口形貌观察分析不同摩擦压力下的5组试样R1、R2、R3、R4和R5使用冲击试验机做完冲击后，使用扫描电子显微镜对V形缺口试样的断口形貌进行宏观和微观扫描分析。图5为冲击试样宏观断口形貌图。图5 冲击试样端口宏观形貌从5组冲击试样的宏观断口形貌，可以发现有明显的纤维区，剪切唇不明显。5组试样的冲击-78赵渊博：铝合金摩擦焊接界面力