铝合金搅拌摩擦焊接抗拉拔力的影响因素--中国期刊网

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铝合金搅拌摩擦焊接抗拉拔力的影响因素

发表时间：2020/8/12 来源：《基层建设》2020年第10期作者：倪春洲

[导读] 摘要：搅拌摩擦焊接（FSW）技术由于其固相焊接特征，在焊接铝合金方面具有显著优势。随着铝合金FSW接头在工业领域的应用越来越广，其腐蚀疲劳性能成为人们的关注重点。

        中车长春轨道客车股份有限公司吉林省长春市 130000
        摘要：搅拌摩擦焊接（FSW）技术由于其固相焊接特征，在焊接铝合金方面具有显著优势。随着铝合金FSW接头在工业领域的应用越来越广，其腐蚀疲劳性能成为人们的关注重点。综合评述了铝合金FSW接头腐蚀疲劳的最新研究进展，介绍了铝合金FSW接头腐蚀疲劳研究的必要性及未来发展趋势。
        关键词：红松；木榫焊接；旋转焊接；抗拉拔力；木材纹理
        引言
        搅拌摩擦焊（FSW）工艺相比于传统焊接方法具有高效优质、焊接变形小、环保等优点，特别是在薄板焊接方面有较大的优越性，并且因其焊缝组织好、接头力学性能优异等优点，被广泛应用在航空航天、船舶、汽车、高速列车等制造领域。在实际研究或生产制造过程中，FSW接头内可能存在飞边、沟槽、S线、隧道型孔洞、根部未焊合等缺陷。在不破坏FSW焊缝的条件下，为了实现对焊接接头质量的有效评估，需利用无损检测技术对焊缝中存在的缺陷进行准确的定性、定位和定量。FSW焊缝区缺陷具有紧贴、细微和取向复杂的特点，而超声检测技术具有灵敏度高、成本低、可以有效地对材料内外部缺陷定位和定量的优点，所以超声检测方法在对接头内部微小缺陷的评价表征方面具有良好的应用前景，FSW接头缺陷的超声检测评价也因此成为了国内外学者的研究热点。文中讨论了目前FSW接头常用检测方法即超声A信号分析、超声C扫描和超声相控阵的检测能力，为以后的研究工作和工程应用提供参考。
        1铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀原因及特点
        铝合金搅拌摩擦焊接过程中接头各个区域所经历的热循环和力的作用与熔焊过程不同，因此FSW接头各个区域的显微组织演变与熔焊接头存在明显差异，接头腐蚀行为和腐蚀机制也存在明显差异。此外，FSW过程的温度低于母材熔点，将不易出现强化相偏析聚集形成的“贫铜”现象。针对2219-T87铝合金的FSW接头强化相演变进行研究，并与用2319焊丝的熔化极气体保护焊接头作了对比，研究发现，接头沉淀相θ在两种焊接接头中的块状聚集现象呈现出不同特征，以此提出了通过θ相来表征接头中的共晶化合物在焊接过程中是否因为焊接温度的高低达到共晶温度而成为液化损伤的起源。FSW接头各个区域经历的热和力的作用不相同，各个区域呈现的腐蚀行为存在差异。FSW过程中铝合金表面的包铝层将会被搅拌头破坏形成碎片弥散分布在接头内部，使得接头失去保护。FSW接头不同区域之间显微组织的不同将会形成局部电偶腐蚀，且由于FSW焊后接头内部存在残余压应力，而会造成应力腐蚀现象。铝合金FSW接头的腐蚀行为及特点通常通过浸泡试验和电化学腐蚀来解释。针对2024铝合金FSW接头进行了晶间腐蚀实验发现，靠近TMAZ的HAZ在焊接过程中晶间化合物粗大、沉淀相细小，且处于硬度弱区，故该区域最易发生点蚀和晶间腐蚀。研究了7075高强铝合金FSW焊缝表面在中性盐雾试验中的腐蚀行为，结果发现，焊缝区晶粒和第二相粒子细化，但第二相粒子在接头各个区域分布不均匀，母材不经历搅拌焊作用，其表面的包铝层可以保护母材免受腐蚀，因此焊缝区的耐蚀性低于母材的，随着盐雾试验的延长，焊缝腐蚀从局部点蚀演化为晶界腐蚀、最终为剥落腐蚀。

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综合国内外关于铝合金FSW接头耐蚀性的研究现状，铝合金FSW接头腐蚀机制分为：①铝合金FSW接头第二相粒子中Mg和Li活泼元素较多时，例如Al-Li合金，其相对周围铝合金基体电位较低，自身优先遭受腐蚀介质攻击而发生阳极溶解；②FSW接头中富Cu等不活泼元素构成第二相粒子时，如Al-Cu合金，该第二相相比铝合金接头基体电位较高不易被腐蚀，使得该第二相粒子边缘基体优先被腐蚀；③同时包含富Cu和富Mg、Li元素的第二相粒子的铝合金FSW接头，如Al-Cu-Mg合金，活泼元素选择优先被腐蚀溶解，致使不活泼元素富集，从而使第二相粒子和铝合金FSW接头基体的电位发生改变，进而改变局部腐蚀机制；④铝合金FSW接头各个区域显微组织存在差异，以2024铝合金FSW接头为例，焊核区经历了        较高的温度和塑性流动，其晶粒呈细小的等轴晶，且大角度晶界比例高，而TMAZ和HAZ经历了较低的温度使得回复占主导，使得大角度晶界比例分数与母材相当，TMAZ晶粒变形较大，HAZ晶粒稍长大，母材保持原始的轧制状态。
        2超声检测
        工件缺陷的超声检测过程是缺陷对超声波传播的反馈过程，探头发射超声波，声波经耦合剂入射到接头，超声波遇到缺陷时，原来的传播特性发生改变，产生反射、折射和波形转换，这时的超声信号携带缺陷信息，然后被探头接收。超声波遇到传播介质变化或缺陷时，传播的能量会重新分配，并被超声信号记录。超声检测考虑检测参数如探头频率和声波入射角度与缺陷特征的匹配性。对于FSW接头，缺陷具有紧贴性且缺陷取向明显，当缺陷的取向厚度小于1/4波长时，声波在母材/缺陷界面的反射还与缺陷的取向厚度和声波频率有关。当检测声波频率一定时，声压反射系数与缺陷取向厚度成正比；当取向厚度一定时，频率越高，反射系数越大，紧贴型缺陷也越有利于被检出。声波传播方向垂直于缺陷表面时可以获得最大的缺陷回波，为此，在检测过程中通常希望入射声波与缺陷表面垂直或接近垂直。而FSW焊缝中的实际缺陷，壁面粗糙，呈现出复杂而随机的取向，根据FSW接头缺陷的特点，均采用斜入射的方法检测。使用横波模式入射角度16°喷水耦合点聚焦的检测工艺研究了FSW接头缺陷的检测能力。采用水浸聚焦的方式进行超声检测，用实验说明采用的检测工艺为工件内45°横波折射，可以有效提高检测灵敏度。采用收发双探头模式检测，选用发射探头角度为25°，通过改变检测入射角来检测不同类型的缺陷，当入射角为0°时，可以检出隧道型缺陷；当波入射角为20°时，可以检出未焊透缺陷。FSW缺陷的复杂和多样性也要求检测过程探头调整具有一定的灵活性。
        3被焊材料不同热处理状态对焊缝成形及接头微观组织的影响
        同种材料不同热处理后进行搅拌摩擦焊，焊缝塑性金属流动行为和结晶结构都呈现出差异性。7075-O和7075-T6对接焊接对比发现，同种材料不同热处理后，强度和硬度不高的热处理状态的焊接材料的对接焊接，焊核的表面积和宽度相对于硬度和强度高较高的热处理状态同种金属大。焊缝周围的冷金属会对焊接产生约束作用，同种材料不同热处理状态下，这种约束力不一样，影响焊缝的成形。
        4焊缝成形及接头微观组织中预热温度对它的影响
        搅拌摩擦焊接前的预热扩大焊接高温区变宽，把焊接温度的厚度均匀降低到焊接温度。对接焊接焊缝的横截面形貌。随着预热温度的升高，轴肩影响区的深度变大。焊核面积、宽度随着预热温度的升高，先增大后减少。与室温对应的预热温度相比，焊接的高温区变宽，焊接缝的塑料变形面积更广，增加了焊接缝的塑料。塑化金属的挤压效应增强，焊缝焊核的面积和宽度增大。预热至250℃，焊缝的过高温度使材料发生明显软化，塑性金属粘度下降，搅拌针表面较滑，塑料金属不能有效地向下移动，塑性金属降低焊接垂直方向的大小，有效地填补焊接缝内产生的空腔，从而导致焊缝出现了蠕虫孔洞缺陷。
        结语
        铝合金FSW结构件在航空航天领域广泛应用，其服役过程中会遭受腐蚀介质和载荷的共同作用，因此开展铝合金FSW腐蚀疲劳研究意义重大。有必要深入开展铝合金FSW接头腐蚀疲劳性能的研究，综合所查阅的文献，应从以下两个方面开展研究：1）深入研究铝合金FSW接头显微组织和腐蚀疲劳的相关性，包括焊接工艺参数对接头腐蚀疲劳的影响规律，用以指导实际工程。2）结合铝合金FSW接头的力学性能和腐蚀疲劳行为，进行焊接冷却方式、搅拌头设计、焊后热处理等研究，提高接头的综合性能。
        参考文献：
        [1]杨亚楠，刘振邦，仪家良.搅拌摩擦焊技术应用现状与发展趋势[J].冶金丛刊，2017（2）：57—58.
        [2]侯振国，钮旭晶，李充，等.搅拌摩擦焊技术在高速列车制造中的应用[J].电焊机，2018，48（3）：32—36.