攪拌摩擦點(diǎn)焊金屬流動(dòng)研究現(xiàn)狀

褚強(qiáng)，李文亞，楊夏煒

(西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安 710072)

由于輕量化設(shè)計(jì)和制造已經(jīng)成為航空航天、汽車、船舶等工業(yè)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，輕質(zhì)合金正逐步地代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材成為重要的生產(chǎn)材料。鋁合金具有較高的比強(qiáng)度、斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度和優(yōu)良的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，是工業(yè)制造領(lǐng)域的理想材料之一[1—2]，因此，保證鋁合金連接技術(shù)的可靠性和高效性對(duì)制造領(lǐng)域的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展至關(guān)重要[3—4]。目前，鋁合金的連接方式主要有鉚接、電阻焊、激光焊和釬焊。然而，鉚接存在工藝復(fù)雜、浪費(fèi)材料等缺點(diǎn);電阻焊存在能耗大，電極損耗快和熱變形嚴(yán)重等缺點(diǎn);激光焊存在反射率高及易產(chǎn)生氣孔等問(wèn)題;釬焊則存在工件變形大，容易出現(xiàn)未焊透等缺陷[5—9]。

攪拌摩擦焊(FSW)是1991年由英國(guó)焊接研究所(TWI)研發(fā)的一種新型固相連接技術(shù)。FSW與傳統(tǒng)熔焊相比，焊接過(guò)程無(wú)飛濺、弧光和煙塵，無(wú)需焊絲和保護(hù)氣體，且接頭缺陷少、組織致密，綜合性能良好，是一種經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、環(huán)保的焊接技術(shù)[10—11]。攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)是在FSW基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種固相點(diǎn)連接技術(shù)，由于其具有FSW的一系列優(yōu)點(diǎn)，使得其在航天、航空、汽車、船舶等制造領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[12—14]。文中基于已發(fā)表的文獻(xiàn)，詳細(xì)綜述攪拌摩擦點(diǎn)焊的流動(dòng)模型及數(shù)值模擬等方面的研究進(jìn)展。

1 兩種常用的攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝方法

1.1 直插式

傳統(tǒng)FSSW的焊接過(guò)程如圖1所示，包括下壓、停留和回撤 3 個(gè)階段[5，13，15—17]，與 FSW 的技術(shù)原理相似，依靠旋轉(zhuǎn)下壓的攪拌頭與工件接觸摩擦產(chǎn)生熱量，在摩擦熱和機(jī)械力的作用下，使工件在低于材料熔化溫度下達(dá)到塑性流動(dòng)狀態(tài)，經(jīng)充分?jǐn)嚢韬蟪坊財(cái)嚢桀^，在工件上形成焊點(diǎn)。攪拌頭的旋轉(zhuǎn)作用和特殊形狀，不僅在攪拌頭軸向也在周圍使材料產(chǎn)生塑性流動(dòng)，這一區(qū)域在攪拌工具旋轉(zhuǎn)、擠壓、粉碎等機(jī)械力作用下，形成致密組織結(jié)構(gòu)，賦予摩擦點(diǎn)焊接頭優(yōu)異的力學(xué)性能。

圖1 FSSW焊接過(guò)程示意圖[17]Fig.1 Schematic illustration of the FSSW process

1.2 無(wú)針式

無(wú)針插入式FSSW是日本Bakavos等人于2009年研發(fā)的一種新型點(diǎn)焊技術(shù)，其最大特點(diǎn)是攪拌頭僅有軸肩，沒(méi)有攪拌針，但是在軸肩的底部加工成渦旋凹槽[19]。其成形原理與傳統(tǒng)的FSSW工藝有很大差別，僅依靠無(wú)針攪拌頭軸肩端面凹槽的熱力作用，把大部分軟化的金屬拘束在軸肩端面下方，并驅(qū)動(dòng)軟化的金屬在三維空間內(nèi)流動(dòng)，形成一個(gè)塑性金屬流動(dòng)區(qū)，從而使焊接界面消失，形成固相接頭，焊接過(guò)程如圖2所示[20]。該攪拌工具結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，焊縫成形美觀，可有效避免部分冶金結(jié)合缺陷和“匙孔”缺陷[18，21]。

圖2 無(wú)針插入式FSSW焊接過(guò)程[20]Fig.2 Schematic illustration of the pinless-FSSW process

2 FSSW接頭宏觀形貌及流動(dòng)行為

2.1 接頭宏觀形貌

與FSW一樣，傳統(tǒng)的FSSW接頭分為3個(gè)區(qū)域:焊核區(qū) (Stirred Zone，SZ)、熱機(jī)影響區(qū) (Thermo-Mechanically Affected Zone，TMAZ)和熱影響區(qū) (Heat Affected Zone，HAZ)[22—23]，如圖 3 所 示。Wang 等人[22]研究了6061-T6鋁合金FSSW接頭的宏觀形貌，結(jié)果表明點(diǎn)焊后，接頭存在“匙孔”。在攪拌頭的擠壓作用下，軸肩下方的上板厚度減小，軸肩外圍的上板材料發(fā)生膨脹，然而由于受到周圍材料的約束，上板發(fā)生彎曲，使上下板產(chǎn)生間隙，還可以發(fā)現(xiàn)被擠壓出的材料聚集在軸肩外環(huán)。

圖3 典型的FSSW接頭橫截面[22]Fig.3 A typical macrograph of the cross-section of a friction stir spot weld

在無(wú)針式FSSW接頭中，常觀察到以下區(qū)域:Hook缺陷、部分結(jié)合區(qū)和結(jié)合韌帶。如圖4所示，其中Hook呈倒V型，是一種較弱的冶金結(jié)合[23]，Yuan等人[24]將其解釋為界面鋁合金氧化物的破裂，也有學(xué)者將其歸于較差的材料流動(dòng)性和不足的下壓力。部分結(jié)合區(qū)為上下板結(jié)合較弱的區(qū)域，其通常是一條短的不均勻的直線;結(jié)合韌帶為帶狀結(jié)構(gòu)，這與材料流動(dòng)性和焊接下壓力有關(guān)，Shen等人[25]研究發(fā)現(xiàn)焊接時(shí)下板材料向上流動(dòng)，由于下板鋁合金存留在上板，從而形成了帶狀結(jié)構(gòu)。

FSSW接頭形貌因溫度場(chǎng)和材料塑性變形的變化而不同，主要受焊接參數(shù)(旋轉(zhuǎn)速度、焊接時(shí)間、下壓力、下壓速度)的影響。Li等人[26]在2024鋁合金無(wú)針插入式FSSW搭接接頭中同樣發(fā)現(xiàn)，焊核深度隨著焊接時(shí)間的延長(zhǎng)和下壓速度的增大而增大。Yuan等人[24]在6016-T4鋁合金FSSW接頭中發(fā)現(xiàn)，接頭結(jié)合區(qū)域隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大而減少，這是因?yàn)槟Σ翢犭S著旋轉(zhuǎn)速度的增大而增加，較大的摩擦熱提高了材料的流動(dòng)性，從而使焊核區(qū)材料減少。

圖4 典型的無(wú)針FSSW接頭橫截面宏觀圖像[23]Fig.4 Macrographs of a typical pinless FSSW connection cross section[23]

2.2 流動(dòng)行為

Fujimoto等人[28]在6061和5052異種鋁合金傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊研究中，提出了如圖5所示的流動(dòng)模型。在軸肩表面接觸區(qū)域，金屬沿著軸肩的凹面發(fā)生螺旋狀的塑性流動(dòng)，并且流向攪拌針根部附近，而后沿著攪拌針表面作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)并向下流向下板。在攪拌針螺紋的底部，向下流動(dòng)的金屬以右旋方向從攪拌工具的底部擠出，使得攪拌區(qū)不斷擴(kuò)大。而Yang等人[27]以銅箔作為追蹤材料，研究了AZ31鎂合金攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中的材料流動(dòng)，提出了如圖6所示的流動(dòng)模型，其流動(dòng)模型與Fujimoto提出的流動(dòng)模型大體相似，但在攪拌區(qū)的形成與擴(kuò)張方式上卻有所不同。Yang提出，攪拌區(qū)是由攪拌針表面上的混合材料在離心運(yùn)動(dòng)的作用下直接釋放到周圍區(qū)域形成的;而Fujimoto認(rèn)為攪拌區(qū)是由流動(dòng)到攪拌針尖端的材料被擠壓后向上和向外運(yùn)動(dòng)形成的，而不是在流向下板的過(guò)程中直接釋放到攪拌區(qū)。黃永德等人[29]以紫銅作為標(biāo)識(shí)材料研究了LY12鋁合金點(diǎn)焊過(guò)程金屬的流動(dòng)，指出厚度方向上塑化材料以螺旋狀運(yùn)動(dòng)到焊點(diǎn)底部且塑性區(qū)寬度逐漸減小，水平方向上塑化材料沿?cái)嚢栳樞D(zhuǎn)方向運(yùn)動(dòng)，且距焊點(diǎn)表面越遠(yuǎn)，運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)越弱。

圖5 金屬流動(dòng)示意圖[28]Fig.5 Schematic illustration of the material flow

圖6 金屬流動(dòng)示意圖[27]Fig.6 Schematic illustration of the material flow

通過(guò)對(duì)采用無(wú)針攪拌頭和傳統(tǒng)攪拌頭所得接頭的宏觀形貌及力學(xué)性能的對(duì)比，Tozaki等人[39]提出了如圖7所示的金屬流動(dòng)模型。當(dāng)采用傳統(tǒng)攪拌頭時(shí)(圖7a)，隨著攪拌針的插入，因摩擦熱而塑化的金屬按照箭頭所示先向下板流動(dòng)，然后向上流動(dòng)到焊核外緣，從而影響到上板的厚度tu及焊核尺寸dn，進(jìn)而影響接頭的力學(xué)性能和斷裂方式[31]。當(dāng)采用無(wú)針攪拌頭時(shí)(圖7b)，因摩擦熱而塑化的金屬在軸肩表面凹槽作用下先運(yùn)動(dòng)到焊核中心，然后受焊核中心金屬約束而向下板流動(dòng)，最后受下板未塑化金屬擠壓而流向焊核外緣。當(dāng)改變軸肩下壓量時(shí)，在焊核深度方向的金屬流動(dòng)將會(huì)增強(qiáng)。由于缺少攪拌針的熱力作用，采用無(wú)針攪拌頭時(shí)金屬在板厚方向的流動(dòng)相比于傳統(tǒng)攪拌頭要弱。Bakavos等人[32]發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果，其采用金箔及X射線層析成像技術(shù)研究了無(wú)針攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中金屬流動(dòng)行為，且認(rèn)為金屬的流動(dòng)受焊接時(shí)間及攪拌頭表面特征影響。

圖7 接頭結(jié)構(gòu)示意圖[30]Fig.7 Schematic illustration of joint macrostructure

Hirasawa等人[33]采用粒子法模擬了焊接過(guò)程的溫度分布及采用不同形貌的攪拌頭時(shí)金屬的流動(dòng)行為。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用平軸肩和圓柱攪拌針時(shí)，攪拌針外緣的金屬向上流動(dòng)而后在軸肩的擠壓作用下向下流動(dòng)，最終影響了Hook缺陷的形成，如圖8所示。另外，Hirasawa等人還模擬了采用三角攪拌針、圓錐攪拌針、反圓錐攪拌針、凸軸肩和凹軸肩時(shí)的金屬流動(dòng)行為，最終發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用三角攪拌針及凹軸肩時(shí)可以增強(qiáng)流動(dòng)趨勢(shì)并且抑制Hook缺陷向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。Zhang等人[34]為了解釋Hook缺陷的形成機(jī)理，研究了攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中的溫度分布及金屬流動(dòng)，由于快速加熱和冷卻使得接頭溫度分布不均勻，導(dǎo)致不同區(qū)域金屬流動(dòng)方式不同，如圖9所示。由于峰值溫度處于上板焊核中心，引起上板的塑性變形大于下板，導(dǎo)致兩板界面向上板移動(dòng)而形成Hook缺陷。Yin等人[35]也研究了AZ31攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程Hook缺陷形成機(jī)理，分析認(rèn)為軸肩及攪拌針的下壓使得下板材料上移，Hook缺陷形成以及連接區(qū)域的擴(kuò)大。同時(shí)，Yin等人實(shí)驗(yàn)得出當(dāng)停留時(shí)間超過(guò)1 s，接頭的失效載荷隨停留時(shí)間增加而降低，分析認(rèn)為當(dāng)停留時(shí)間超過(guò)1 s，Hook缺陷彎曲角度以及上板板厚降低引起的載荷降低效應(yīng)，要大于連接區(qū)域擴(kuò)大引起的載荷增加效應(yīng)。同時(shí)，Li等人[36]利用金屬流動(dòng)，采用新型的攪拌焊工藝(FSSW-FSW)成功地消除了Hook缺陷。

圖8 不同時(shí)刻金屬流動(dòng)行為示意圖[34]Fig.8 Schematic illustration of material flow at different dwell times

圖9 不同時(shí)刻金屬流動(dòng)行為示意圖[36]Fig.9 Schematic illustration of material flow at different dwell times

Lin等人[37]研究發(fā)現(xiàn)，攪拌針上螺紋位置對(duì)焊接過(guò)程中材料流動(dòng)及攪拌區(qū)的形成有重要的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)螺紋位置不同時(shí)隨下壓深度變化，下板材料均向上板流動(dòng)，但是當(dāng)螺紋位置靠近軸肩時(shí)，下板材料更早地向上板流動(dòng)，且流動(dòng)程度更為劇烈。宋驍?shù)热薣38]通過(guò)改變工藝參數(shù)觀察塑化金屬在板厚方向的流動(dòng)行為，其認(rèn)為在焊接過(guò)程中由于螺紋向下的作用力，使得塑化金屬向下流動(dòng)，從而在攪拌針根部及下板未塑化金屬區(qū)域分別形成了抽吸區(qū)和擠壓區(qū)，然后塑化金屬就在擠壓區(qū)和抽吸區(qū)的作用下作循環(huán)往復(fù)的環(huán)形流動(dòng)。Yuan等人[39]采用帶有圓錐攪拌針的攪拌頭，通過(guò)改變轉(zhuǎn)速研究金屬流動(dòng)行為及其對(duì)微觀結(jié)構(gòu)演變的影響，通過(guò)觀察Hook缺陷形貌，發(fā)現(xiàn)材料流動(dòng)受轉(zhuǎn)速影響顯著，轉(zhuǎn)速提高時(shí)下板材料向上板的流動(dòng)增強(qiáng)并且向攪拌區(qū)的流動(dòng)程度也有所提高，從而使得Hook缺陷更為顯著。

劉少潔等人[40]采用FLUENT軟件分析了軸肩底面輪廓及攪拌針形狀對(duì)2A14鋁合金攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程中材料流動(dòng)的影響。研究發(fā)現(xiàn)，采用凹面軸肩時(shí)，由于軸肩與上板表面接觸面積大，摩擦產(chǎn)熱多，材料流動(dòng)更加劇烈，并且軸肩底部材料受向外的分力而導(dǎo)致流動(dòng)范圍增大。同時(shí)，材料流動(dòng)的最大速度不是在軸肩底部最外緣，而是靠近軸肩外緣的內(nèi)側(cè)。分析攪拌針形貌發(fā)現(xiàn)，三角形及方形攪拌針對(duì)周圍材料的攪拌作用更大，使得金屬受到更強(qiáng)烈的擠壓，材料變形更大，流動(dòng)更強(qiáng)烈。此結(jié)論與Elangovan K等人[41]所得結(jié)論相近。Ji等人[42]采用ANSYS軟件分析了軸肩及攪拌針形貌對(duì)材料流動(dòng)行為的影響，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)攪拌針附近的材料向下流動(dòng)，而熱力影響區(qū)附近的材料則向上流動(dòng)，且隨著遠(yuǎn)離焊接表面及攪拌針，材料的流動(dòng)速度逐漸降低，而減小攪拌針的錐度及螺紋凹槽的寬度，材料的流動(dòng)速度將有所增加。另外，分析發(fā)現(xiàn)采用同心圓凹槽的軸肩時(shí)，材料的流動(dòng)程度要優(yōu)于凹軸肩及平軸肩。Reilly等人[43]通過(guò)觀察異質(zhì)合金攪拌摩擦點(diǎn)焊接頭宏觀形貌，研究了軸肩形貌及工藝參數(shù)對(duì)金屬流動(dòng)行為的影響，另外其提出了一種運(yùn)動(dòng)學(xué)流動(dòng)模型，對(duì)異質(zhì)接頭中金屬流動(dòng)后的分布情況進(jìn)行了準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

3 結(jié)論

攪拌摩擦點(diǎn)焊作為一種新型的固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)的電阻點(diǎn)焊等工藝相比，在航空航天及汽車等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。在焊接過(guò)程中，金屬的流動(dòng)行為主要受熱輸入的影響。由于接頭不同區(qū)域溫度分布并不均勻，在焊核中心溫度最高，金屬塑性變形程度最大，焊接過(guò)程中金屬首先流動(dòng)到焊核中心然后向下板流動(dòng)，最后在未變形金屬的約束下向焊核外緣流動(dòng)。與傳統(tǒng)攪拌摩擦點(diǎn)焊相比，無(wú)針攪拌摩擦點(diǎn)焊由于缺乏攪拌針的熱力作用，在焊接過(guò)程中板厚方向的金屬流動(dòng)較弱。

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