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      Mg-1Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接試驗(yàn)研究

      2018-01-29 07:15:42徐安蓮
      世界有色金屬 2018年2期
      關(guān)鍵詞:焊接設(shè)備鎂合金高性能

      徐安蓮

      (1 廣東華中科技大學(xué)工業(yè)技術(shù)研究院,廣東 東莞:523808;2 華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,湖北 武漢:430074)

      攪拌摩擦焊接,作為一種固相焊接技術(shù),在鋁合金、鎂合金、銅等有色金屬焊接方面具有無可比擬的優(yōu)勢(shì),具有廣闊的應(yīng)用前景。鎂合金是一種極具應(yīng)用潛力的輕合金。Mg-Al-Sn系鎂合金由于具有較好的綜合性能且不含貴重的稀土元素,吸引了很多人的研究興趣。Mg-Al-3Sn鎂合金是一種備受業(yè)界關(guān)注的Mg-Al-Sn系鎂合金。我們都知道焊接對(duì)于輕合金大規(guī)模市場(chǎng)化至關(guān)重要。但是,目前關(guān)于Mg-Al-3Sn鎂合金焊接的研究還較少[1-3]。為此,筆者采用不同工藝參數(shù)進(jìn)行了Mg-1Al-3Sn鎂合金板材的攪拌摩擦焊接試驗(yàn)。

      1 試驗(yàn)材料與方法

      試驗(yàn)材料:擠壓態(tài)Mg-1Al-3Sn鎂合金板材,尺寸為200mm×100mm×3mm(長(zhǎng)×寬×高),板材室溫抗拉強(qiáng)度為236 MPa。

      采用的焊接設(shè)備為廣東柳泰焊接科技有限公司生產(chǎn)的LT-XJ16-1510-03型靜龍門攪拌摩擦焊接設(shè)備。攪拌頭由模具鋼制作而成,軸肩直徑10 mm,攪拌針長(zhǎng)度2.7 mm,焊接傾角2.5°,旋轉(zhuǎn)速度分別為800、900、1000、1100、1200 r/min,焊接速度分別為120、180、240、300、360 mm/min。

      焊接接頭的X光無損檢測(cè)采用CDZ-320ZD-A型工業(yè)探傷儀。力學(xué)性能參照國(guó)標(biāo)GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》[4],采用三思CMT-5105型材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試溫度為室溫,拉伸速度1mm/min。

      2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

      當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在800~1200 r/min、焊接速度在120~360 mm/min范圍時(shí),Mg-Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭都較為光亮,飛邊較少,表面無明顯的溝槽、孔洞等缺陷,接頭成型性較好。經(jīng)過X光無損檢測(cè)發(fā)現(xiàn),所有焊接接頭的內(nèi)部也無缺陷,較為致密。我們可以認(rèn)為在較寬的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi),可以獲得無缺陷的Mg-Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭。

      經(jīng)過室溫拉伸試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)Mg-1Al-3Sn鎂合金攪拌摩擦焊接頭的室溫抗拉強(qiáng)度在190~217 MPa之間,接頭效率(即焊接接頭抗拉強(qiáng)度與被焊母材抗拉強(qiáng)度的百分比)達(dá)到80.5~91.9%。拉伸試樣結(jié)果進(jìn)一步說明,可以在較寬的工藝參數(shù)范圍內(nèi),Mg-Al-3Sn鎂合金獲得較高性能的攪拌摩擦焊接頭,可以成功實(shí)現(xiàn)Mg-1Al-1Sn鎂合金無缺陷的對(duì)接焊。對(duì)于Mg-Al-3Sn鎂合金而言,攪拌摩擦焊接是一種較為適用的焊接方法。作為一種新型的固相焊接技術(shù),攪拌摩擦焊接對(duì)于鎂合金等輕質(zhì)有色金屬及其合金的焊接極具應(yīng)用價(jià)值。在攪拌摩擦焊接過程中,旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩直徑、攪拌頭傾角、攪拌針長(zhǎng)度等參數(shù)都會(huì)對(duì)攪拌摩擦焊接頭性能產(chǎn)生影響[5]。其中攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度是兩個(gè)極其重要的焊接工藝參數(shù)。

      攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于攪拌摩擦焊接過程中的產(chǎn)熱有著極其重要的影響。在其它工藝參數(shù)不變的情況下,適當(dāng)提高旋轉(zhuǎn)速度,有利于增大攪拌摩擦焊過程中產(chǎn)生的摩擦熱,從而促進(jìn)被焊母材內(nèi)部的熱塑性流動(dòng),提高焊接接頭的性能;但是如果旋轉(zhuǎn)速度過高,可能導(dǎo)致被焊母材的內(nèi)部溫度過高,引起組織粗化、焊核區(qū)局部軟化等問題[6-7]。但是,我們需要注意的是攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于焊接接頭性能的影響不是單一或者獨(dú)立的。

      因?yàn)榧幢闶窍嗤牟牧?,?dāng)我們采用焊接設(shè)備不一樣、或者采用的攪拌頭不一樣,都有可能使得最佳攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度不一樣。

      所以,在實(shí)際的工藝參數(shù)選擇過程中,我們需要綜合考慮攪拌摩擦焊接設(shè)備、攪拌頭、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度等因素來考慮焊接過程的產(chǎn)熱。

      確保被焊母材在焊接過程中有足夠的熱輸入,同時(shí)還要避免發(fā)生過熱情況,只有這樣才能獲得較佳的焊接接頭,獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭。

      焊接速度對(duì)于攪拌摩擦焊接過程中的生產(chǎn)效率有著極其重要的影響。

      在其它工藝參數(shù)不變的情況下,適當(dāng)提高焊接速度,有利于提高生產(chǎn)效率;但是如果焊接速度過快,可能導(dǎo)致摩擦熱不夠,不能形成有效的熱塑性流動(dòng)層,導(dǎo)致孔洞等缺陷的產(chǎn)生。

      另一方面,過快的焊接速度對(duì)焊接設(shè)備和操作人員都會(huì)提出更高的要求[8]。與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度一樣,焊接速度對(duì)于焊接接頭性能的影響也不是單一或者獨(dú)立的。因?yàn)榧幢闶窍嗤牟牧希?dāng)我們采用焊接設(shè)備不一樣、或者采用的攪拌頭不一樣,都有可能使得最佳焊接速度不一樣。

      所以,在實(shí)際的工藝參數(shù)選擇過程中,我們需要綜合考慮攪拌摩擦焊接設(shè)備、攪拌頭、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度等因素來考慮焊接過程的產(chǎn)熱,從而確保獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭。

      3 結(jié)論

      鎂合金焊接是一個(gè)極其重要的技術(shù)課題,有著極其重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。如何獲得高性能的鎂合金焊接接頭,是鎂合金商業(yè)化應(yīng)用過程中面臨的一個(gè)重要問題。通過不同工藝參數(shù)下的Mg-1Al-3Sn鎂合金平板對(duì)接攪拌摩擦焊接試驗(yàn),知道Mg-1Al-3Sn鎂合金在較寬的焊接工藝參數(shù)范圍內(nèi)都可以獲得無缺陷的高性能攪拌摩擦焊接頭,接頭效率高達(dá)91.9%。

      [1]F.S.Pan,A.L.Xu,D.A.Deng,et al.Effects of friction stir welding on microstructure and mechanical properties of magnesium alloy Mg-5Al-3Sn.Mater Des,2016,110:266-274.doi:10.1016/j.matdes.2016.07.146

      [2]F.S.Pan,A.L.Xu,J.H.Ye,et al.Effects of rotation rate on microstructure and mechanical properties of friction stir welded Mg-5Al-1Sn magnesium alloy.Int J Adv Manuf Technol,2017,91(1-4):389-397,doi:10.1007/s00170-016-9752-4.

      [3]A.L.Xu,F.S.Pan,X.Q.Jiang,et al.Microstructure and properties of friction stir welded Mg-1Al-xSn-0.3Mn magnesium alloys.Mater Sci Forum,2015,816:349-355.doi:10.4028/www.scientific.net/MSF.816.349.

      [4]GB/T2651-2008.焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.

      [5]王國(guó)慶,趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊接[M].北京:中國(guó)宇航出版社,2010:145-167.

      [6]劉國(guó)光,徐韋鋒,姬浩,等.旋轉(zhuǎn)速度對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊接頭彎曲性能的影響[J].電焊機(jī),2015,45(5):112-116.

      [7]姬書得,孟祥晨,黃永憲,等.攪拌頭旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)靜止軸肩攪拌摩擦焊接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律[J].焊接學(xué)報(bào),2015,36(1):51-54.

      [8]魏寶華,李寶華,唐眾民,等.焊接速度對(duì)攪拌摩擦焊縫組織及性能的影響[J].兵器材料科學(xué)與工程,2013,36(4):68-70.

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