針對異物夾雜類缺陷的雙道偏置補(bǔ)焊方法

石 璟 鄒 敏 黃小魯 黃舉近

(中國航天科技集團(tuán)公司長征機(jī)械廠，成都 610100)

針對異物夾雜類缺陷的雙道偏置補(bǔ)焊方法

石 璟 鄒 敏 黃小魯 黃舉近

(中國航天科技集團(tuán)公司長征機(jī)械廠，成都 610100)

文 摘 異物夾雜類缺陷是攪拌摩擦焊接過程中一類典型缺陷。一旦發(fā)生該類缺陷，只有對焊縫進(jìn)行挖排來去除異物后，才能實(shí)施補(bǔ)焊。針對挖排造成焊縫材料缺失，現(xiàn)有的方法是通過熔焊或賽填固體顆粒來進(jìn)行填充。上述方法不僅會(huì)在焊縫中引入有異于母材的材料，而且工藝過程繁瑣。特別是熔焊的焊接熱會(huì)對補(bǔ)焊區(qū)域周圍的母材造成影響，從而造成補(bǔ)焊接頭強(qiáng)度的削弱。針對現(xiàn)有補(bǔ)焊方法的不足，本文提出一種雙道偏置補(bǔ)焊方法，實(shí)施過程簡便，可實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度補(bǔ)焊。經(jīng)試驗(yàn)證明，該方法可獲得與原始焊縫具有相等強(qiáng)度的補(bǔ)焊焊縫。

攪拌摩擦焊接，焊接缺陷，補(bǔ)焊，多道焊接

0 引言

攪拌摩擦焊接技術(shù)在鋁合金焊接方面表現(xiàn)出的獨(dú)到優(yōu)勢，使得其在航天飛行器的結(jié)構(gòu)件制造方面得到了廣泛應(yīng)用[1]。但是在工程化的應(yīng)用過程當(dāng)中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷，其缺陷形式可簡單分為表面成形缺陷、材料缺失性缺陷和強(qiáng)度削弱類缺陷三大類。其中表面成型缺陷主要包括飛邊毛刺、魚鱗紋、焊縫起皮等[2]；材料缺失性缺陷主要包括孔洞、隧道、犁溝等；而強(qiáng)度削弱類缺陷主要有根部未焊透、S形線及異物夾雜等。對于后兩種缺陷，由于其直接影響焊縫的接頭強(qiáng)度，危害性更大。因此，目前針對攪拌摩擦焊缺陷的補(bǔ)焊研究，以消除影響焊縫接頭強(qiáng)度的缺陷為主。文獻(xiàn)[3-12]記錄的現(xiàn)有主要缺陷消除方法，均采用在焊接缺陷處進(jìn)行重復(fù)焊接來實(shí)現(xiàn)，其主要差別表現(xiàn)在針對焊縫材料缺失的補(bǔ)充手段上。但是，這些方法也暴露出一定的局限性，首先，現(xiàn)有方法主要針對以匙孔缺陷為代表的點(diǎn)狀缺陷；其次，對于以挖排方式去除的缺陷，其挖排方法和挖排量的大小并沒有統(tǒng)一的規(guī)范。并且在挖排后涉及焊縫材料缺失的情況下，其材料補(bǔ)充手段均借助外部添加。特別是利用熔焊方法進(jìn)行材料補(bǔ)充，其焊接熱必然對原有的焊縫及周邊母材組織造成影響；再者，攪拌摩擦焊接過中，如果遇到異物夾雜類的缺陷，并且夾雜深入焊縫程度較深，只能采用挖排去除的方法進(jìn)行去除。如果利用熔焊進(jìn)行材料填充外，除了引入異于母材的材料外，其在材料填充面高出的突起物不利于補(bǔ)焊工件的復(fù)位貼胎，整個(gè)補(bǔ)焊過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力。特別是在航天產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，由于材料和結(jié)構(gòu)的特殊性，對于某些攪拌焊結(jié)構(gòu)不適宜使用熔焊進(jìn)行補(bǔ)焊。因此，針對異物夾雜類缺陷，有必要開發(fā)一種簡單有效，切實(shí)可靠的補(bǔ)焊方法，這也是本文主要的研究內(nèi)容。1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料及工具

2219-T87鋁合金板材[13]，其規(guī)格為300 mm×150 mm×6 mm。采用的焊接工具見圖1，實(shí)驗(yàn)使用的攪拌針為自行研制，其參數(shù)見表 1。

類型錐角/(°)根部直徑/mm針長/mm軸肩直徑/mm軸肩內(nèi)凹角/(°)預(yù)焊用1832．0127正式焊用1865．8207

1.2 思路及流程

實(shí)驗(yàn)過程主要包含以下步驟。

(1)采用固定軸肩式攪拌針，通過預(yù)焊、正式焊接兩步來制備合格的攪拌摩擦焊縫。事后將其中一塊用于補(bǔ)焊試驗(yàn)，另一塊用于接頭性能對比。其中預(yù)焊工藝參數(shù)為：攪拌針轉(zhuǎn)速800 r/min，進(jìn)給速度400 mm/min，攪拌針傾角為2.5°，焊前停留時(shí)間為5 s。正式焊工藝參數(shù)為：攪拌針轉(zhuǎn)速600 r/min，進(jìn)給速度200 mm/min，攪拌針傾角為2.5°，下壓量為0.2 mm，焊前停留時(shí)間為8 s。

(2)模擬焊縫中存在夾雜物的情況，沿焊接方向在焊縫背面對的預(yù)定區(qū)域進(jìn)行材料挖排。

(3)以正式焊接攪拌針為工具，采用雙道偏置補(bǔ)焊方法對挖排后的焊縫進(jìn)行補(bǔ)焊，消除由挖排造成的空隙。其焊接過程所采用的工藝參數(shù)與正式焊接一致。

(4)對比補(bǔ)焊前后的焊縫宏觀和微觀特征，檢驗(yàn)補(bǔ)焊方法的有效性。

由于該工藝針對焊接過程中的異物夾雜缺陷展開，而造成夾雜的原因除焊縫預(yù)處理不完善外，攪拌針扎傷背部墊板也是重要的原因。上述因素造成夾雜物一般分布在焊縫的背部，多集中于焊縫中心，其彌散范圍一般不超過攪拌針的針尖的直徑范圍，其分布的深度范圍不超過板厚的一半。鑒于上述分析，在模擬材料挖切的過程中，由于所采用的正式焊攪拌針直徑為6 mm，因此焊縫背部的溝槽寬度選用6 mm。為模擬不同的挖切深度，本文采用1、2、3 mm三種挖切深度，構(gòu)造三段彼此相鄰的溝槽，每條溝槽長度80 mm，如圖 3所示。

在雙道偏置補(bǔ)焊過程中，采用與正式攪拌焊相同的攪拌針，攪拌針尖距離墊板距離依然為0.2 mm。以原始焊縫中心為對稱線，分別向兩側(cè)偏置距離p后，進(jìn)行補(bǔ)焊。在本文中，由于攪拌針針尖直徑為5 mm，因此選擇偏置距離p=2.5 mm。包括攪拌針轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、傾角、下壓量等工藝參數(shù)均與正式焊接相同。其不同之處在于第一道補(bǔ)焊軌跡位于原始焊接軌跡的前進(jìn)側(cè)，第二道補(bǔ)焊軌跡位于原始焊接軌跡的后退側(cè)。這是由于在焊接過程中，材料在攪拌針的帶動(dòng)下，會(huì)在后退側(cè)形成堆積，可以起到填充材料挖切處空腔的目的。其補(bǔ)焊軌跡的分布情況如圖4所示。

1.3 試樣測試

首先采用X光探傷與相控陣超聲波檢測補(bǔ)焊接頭是否存在焊接缺陷。合格后沿垂直于補(bǔ)焊接頭方向截取金相試樣，用混合酸(1 mL HF+1.5 mL HCl+2.5 mL HNO3+95 mL H2O)溶液對拋光后的試樣進(jìn)行腐蝕，在萊卡DMI3000M型光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行典型區(qū)域金相組織分析。在焊接試片上截取拉伸試驗(yàn)，在CMT5305型拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，測試補(bǔ)焊后的拉伸力學(xué)性能。其取樣方式如圖 5所示。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 補(bǔ)焊接頭宏觀形貌

如圖6所示，經(jīng)雙道偏置補(bǔ)焊工藝完成的攪拌摩擦焊縫通過X光和相控陣技術(shù)進(jìn)行檢測后正式未出現(xiàn)焊接缺陷。

攪拌摩擦焊接作為典型的固相連接結(jié)束，一般認(rèn)為攪拌摩擦焊接過程中材料體積不發(fā)生變化。由于在本補(bǔ)焊方法過程中，采取了材料外切的處理方法，因此在本文的研究過程中，對補(bǔ)焊前后焊縫厚度的變化情況以及焊縫的收縮量進(jìn)行關(guān)注與測量。如圖 7所示，在每個(gè)挖切區(qū)域內(nèi)，布置兩個(gè)測量點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)距區(qū)域邊界的距離均為40 mm。

為了體現(xiàn)是否進(jìn)行補(bǔ)焊，以及補(bǔ)焊前后焊縫厚度的變化情況，本文對補(bǔ)焊試片在補(bǔ)焊前后的厚度，以及未進(jìn)行補(bǔ)焊試片的補(bǔ)焊進(jìn)行了測量和分析，其結(jié)果如表 2所示，可以看出補(bǔ)焊前后其焊縫減薄量隨著挖排深度的增加而增大。

另一方面，為了反映補(bǔ)焊對焊縫收縮量的影響，針對補(bǔ)焊試片，在補(bǔ)焊前在試片表面刻劃兩條間距為100 mm的基準(zhǔn)線，在補(bǔ)焊后測量不同挖切區(qū)域的刻線間距離，來測量焊縫的收縮量。經(jīng)實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，焊后挖排深度為1 mm的區(qū)域內(nèi)焊縫收縮量約為1.0 mm；挖排深度為2 mm的區(qū)域內(nèi)焊縫收縮量約為1.12 mm；挖排深度為3 mm的區(qū)域內(nèi)焊縫收縮量約為1.36 mm。其焊縫的收縮量同樣隨著挖排深度的增大而增加。通過對補(bǔ)焊前后焊縫宏觀形貌的對比分析中可以發(fā)現(xiàn)，其焊縫的外形特征變化趨勢符合攪拌摩擦焊中材料體積不變的假設(shè)。但是值得注意的是，雖然焊縫材料的最大挖排深度達(dá)到了試片厚度的50%，但是焊縫厚度、焊縫寬度等并沒有減少至原來的一半，這說明本文所采用攪拌針對其周圍材料具有良好的搬運(yùn)能力，將周邊母材的材料搬運(yùn)至焊縫區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對缺失材料的有效填充，以維持焊縫機(jī)構(gòu)的基本形貌一致，這一特點(diǎn)有助于提升該技術(shù)在實(shí)際補(bǔ)焊過程中的應(yīng)用價(jià)值。

表2 焊縫厚度

2.2 焊縫X光透視結(jié)果

通過X光射線對經(jīng)雙道偏置補(bǔ)焊工藝處理的焊縫[圖8(a)]進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，其焊縫組織致密，且沒有焊接缺陷。與正常焊縫[圖8(b)]進(jìn)行對比，經(jīng)雙道偏置補(bǔ)焊工藝處理的焊縫區(qū)域較寬。

2.3 補(bǔ)焊接頭微觀金相組織

圖9為補(bǔ)焊后三個(gè)不同挖切深度區(qū)域內(nèi)的焊縫橫截面宏觀金相照片，其焊縫區(qū)域包含典型的攪拌摩擦焊縫組織特征，如焊核區(qū)(NZ)、熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(TAZ)等。而補(bǔ)焊焊縫的最大特點(diǎn)在于先后形成的兩條補(bǔ)焊焊縫的焊核區(qū)域存在一定的重疊，但是各自又獨(dú)立保留了攪拌摩擦焊典型的“洋蔥環(huán)”焊核特征。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，在三個(gè)不同挖排深度的區(qū)域內(nèi)，其焊核的大小，形狀基本一致。并且在焊縫中只包含兩個(gè)焊核，沒有出現(xiàn)孔洞、溝槽等材料缺失型缺陷。這說明攪拌針焊接過程中，原始焊縫周圍的金屬在攪拌針與軸肩的旋轉(zhuǎn)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的帶動(dòng)下，經(jīng)過充分軟化后對挖排部位進(jìn)行了有效的填充，其結(jié)果與文獻(xiàn)[14]的分析吻合。

圖10為經(jīng)材料挖排后通過雙道偏置補(bǔ)焊所形成接頭的微觀形貌。圖 10(a)為2219鋁合金母材的微觀組織，主要由一系列長條狀晶粒組成，且具有方向一致的特征，這與板材在制備過程中的軋制工藝有密切的關(guān)系。圖 10(b)顯示出焊核區(qū)在攪拌針帶動(dòng)下發(fā)生劇烈的變形與塑性流動(dòng)，碾壓緊實(shí)后所形成的致密鍛造組織，其晶粒組織主要為由再結(jié)晶過程所形成的細(xì)小等軸晶粒。圖 10(c)、(d)分別為補(bǔ)焊接頭頂部的前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)的微觀組織。補(bǔ)焊后的接頭熱機(jī)影響區(qū)組織發(fā)生了一定程度的變化，主要體現(xiàn)在該區(qū)域由于在補(bǔ)焊的過程中，將原始焊縫中的熱影響區(qū)帶入了新的焊縫中,組織發(fā)生了不同程度的粗化長大,并逐漸喪失了原始母材軋制晶粒邊界形貌，但依然具有典型的攪拌摩擦焊組織的特征。

圖 10(e)為補(bǔ)焊過程中兩焊核區(qū)重疊區(qū)域的微觀組織形貌，可以看到起焊核組織在攪拌針劇烈的帶動(dòng)下材料形成上下流動(dòng)的特征，這主要由于攪拌針表面的螺紋特征帶動(dòng)材料運(yùn)動(dòng)所造成。圖10(f)為焊縫底部前進(jìn)側(cè)的熱機(jī)影響區(qū)，其焊核晶粒與母材晶粒之間形成明顯的界限，從而使得該區(qū)域成為整個(gè)補(bǔ)焊接頭的薄弱環(huán)節(jié)。在接頭拉伸試驗(yàn)中，試件的斷裂位置均分布在補(bǔ)焊后的前進(jìn)側(cè)，也證實(shí)了這一點(diǎn)。

2.4 補(bǔ)焊接頭力學(xué)性能

表3為采用雙道偏置補(bǔ)焊工藝的焊縫接頭強(qiáng)度與普通攪拌焊接頭拉伸性能對比結(jié)果?？梢钥闯鲅a(bǔ)焊接頭的抗拉強(qiáng)度為325 MPa，接頭的抗拉強(qiáng)度系數(shù)為73.86%，其抗拉強(qiáng)度平均值與未經(jīng)補(bǔ)焊的無缺陷攪拌焊接頭基本等強(qiáng)，且略微有所提升。但是其接頭的延伸率從5%變?yōu)?%，有較為明顯的改善。

表3 雙道偏置補(bǔ)焊接頭拉伸性能對比

文獻(xiàn)[12]認(rèn)為通過多道補(bǔ)焊形成的焊縫，特別是其補(bǔ)焊次數(shù)不超過三次，其焊縫強(qiáng)度并不會(huì)發(fā)生明顯的降低。通過本文的實(shí)驗(yàn)，再次證明上述結(jié)論的有效性，并且可以發(fā)現(xiàn)，該結(jié)論在偏置多道焊接的情況下同樣適用。而對于接頭延伸率的顯著提升，其主要原因是通過偏置攪拌針軌跡進(jìn)行兩次攪拌摩擦的焊接，由于其焊核區(qū)域存在重疊，晶粒組織發(fā)生細(xì)化的區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，從而有助于提升整個(gè)接頭的延伸率。3 結(jié)論

(1)本文所研究的雙道偏置補(bǔ)焊方法，針對以異物夾雜為代表的缺陷，是一種切實(shí)有效的補(bǔ)焊方法。該方法具有無需額外添加材料，無需特制補(bǔ)焊工具與工藝條件就可以實(shí)施補(bǔ)焊的優(yōu)點(diǎn)。且可沿焊縫實(shí)現(xiàn)大深度挖切(最多可達(dá)母材厚度的50%)，具有良好的工程應(yīng)用價(jià)值。

(2)采用雙道偏置補(bǔ)焊的方法，對挖切后的焊縫可實(shí)現(xiàn)等強(qiáng)度補(bǔ)焊。雖然其焊縫厚度會(huì)存在一定的減薄，并會(huì)進(jìn)一步造成焊縫收縮，但是均在工程應(yīng)用的可接受范圍之內(nèi)，有效避免了因局部缺陷造成整件零件報(bào)廢的問題。

(3)通過多次攪拌摩擦焊補(bǔ)焊后，對焊縫晶粒尺寸進(jìn)一步細(xì)化，并且由于雙道偏置的原因使得焊核區(qū)域?qū)拵ё兇?，晶粒?xì)化的范圍增加，從而進(jìn)一步提高了補(bǔ)焊后焊縫接頭的延伸率。

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Repairing Inclusion Defect by Dual-Pass Friction Stir Welding Method

SHI Jing ZOU Min HUANG Xiaolu HUANG Jujin

(Changzheng Machinery Factory of China Aerospace Science and Technology Corporation,Chengdu 610100)

Inclusion of foreign bodies is a typical kind of defect in friction stir welding. The included foreign bodies must be eliminated before performing the joint repairing. By using some fused material, or that one in solid-state, some additional material with the same volume as the removed one must be compensated into the eliminated area in the joint. This process is cumbersome, and would bring in some elements which is not existing in the base material. Furthermore, the thermal treatment induced by the fusion in the joint which need to repair would affect the microstructure in the joint. And, it would weaken the strength of the repaired joint. All above are the shortages in existing repairing methods. In this paper, we proposed a dual-pass friction stir welding method, which can repair the joint after removing inclusion of foreign bodies.Without additional material addition, this method can produce the repaired joint that has the same strength as the original one. And it is convenient in application. Especially, the repaired joint has improved elongation.It can be conclude that the proposed repairing method is practical, and has a great application prospect. It has been proved by experiments that the proposed method can make a repairing joint with the same strength as the original one.

Friction stir welding,Welding defect,Joint repairing,Multi-pass welding

2016-01-07

石璟，1984年生，工程師，博士，主要從事攪拌摩擦焊工藝開發(fā)與相關(guān)焊接自動(dòng)化技術(shù)研究。E-mail：lzrocking@163.com

TG4

10.12044/j.issn.1007-2330.2017.01.013