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搅拌摩擦焊接过程的非稳态流场及影响因素
王快社1 ,2 , 王训宏1 , 沈洋1 , 徐可为2
(1. 西安建筑科技大学冶金工程学院,西安710055 ;2. 西安交通大学)
摘 要: 分析了搅拌摩擦焊洋葱圆环的非稳态流场形成过程和工艺参数对洋葱圆环的影响,在焊接过程中流入孔腔的金属流(特别是与焊针旋转方向相反的金属流) 破坏了焊针未运动时产生的原始流动场,形成了复杂的涡状流动,并且在纵向呈现不均匀性,叠加后最终形成洋葱状形貌. 实验表明搅拌工具的尺寸和焊接速度是影响洋葱圆环形貌的主要因素.
关键词: 搅拌摩擦焊;洋葱圆环;非稳态流场
搅拌摩擦焊是一种新型固相连接工艺,它为铝合金、镁合金等多种熔化焊接性差的轻质高强材料的有效连接提供了一条新的途径. 搅拌摩擦焊具有细化的锻造组织、无气孔、裂纹和元素烧损等熔焊缺陷,且焊缝质量高度一致;可适用于多种接头形式;连接工艺简单. 已广泛应用于航空航天、船舶、机械、汽车制造等领域.
洋葱圆环是搅拌摩擦焊接头最主要的一个特征,它是在特定的工艺参数下以复杂的流动规律所形成的一种接头形貌. 这个区域附近受到热循环和机械的共同作用,经历了高温、大的应变速度和应变,发生了强烈的塑性变形,通过动态再结晶形成了比较致密的微观组织,对材料的焊接性能有很大的影响. 因此研究洋葱圆环的形成过程及影响因素对优化焊接工艺、提高焊接质量具有重要意义.
1 洋葱圆环非稳态流场的形成过程
搅拌摩擦焊连接的过程中,塑性软化层的形成过程为轴肩与焊缝接触后两者产生摩擦热,并且热输入呈现出梯度效应,在靠近轴肩的部分区域具有大的应变和高的应变率,在搅拌头的作用下经历了动态再结晶,形成了精细的等轴动态结晶晶粒,晶界为大角晶界. L F2 铝合金搅拌摩擦焊接接头的焊核区组织如图1 所示,焊接工艺参数为转速n = 1500 r/ min、焊接速度v = 90 mm/ min. 同时在焊接区域由于热量的不断输入、搅拌头的机械作用造成了晶界的迁移,晶界间的迁移和塑性流动导致新晶粒呈链状形核和长大,形成的晶粒层在纵向不断扩展,形成了束形的晶粒带,此时塑性金属呈现出类似粘性流动的特征.
洋葱圆环是搅拌摩擦焊接头的一个重要特征,LD30 铝合金搅拌摩擦焊接接头所观察到的洋葱圆环形貌如图2 所示. 在这个区域材料经历了高温剧烈的变形,并且以非稳态流场的形式扩展而成.那么这种非稳态流场是怎样形成的呢? 这可以大致从两个阶段去分析,即在搅拌头插入待焊件,并且施加了一定的轴向压力第一阶段为作用下形成的原始流动场,此时搅拌头还未开始沿着焊缝运动;第二阶段为搅拌头在行进过程中填充空腔的金属流动场,与原始流动场相互作用并且产生叠加效应而形成新的非稳定流场.
搅拌摩擦焊接头的原始流动场如图3 所示. 图3 (a) 为X- Z 面内金属流场的一种近似速度梯度,当X- Y 面内还没有进行焊接,或者说搅拌头在开始行进的前期,搅拌头的周围区域的速度梯度,从图3 (b) 可以看出不同的塑性软化层间存在速度梯度,轴肩区域的金属流体速度梯度与搅拌头区域的金属流体速度梯度是不同的. Si 层附近的晶粒层界面处通过切应力将速度梯度传递到Si + 1层,与此同时搅拌针区域的Sj 层金属流体速度梯度也与此类似直到材料底部,但是值得注意的是搅拌头区域产生的金属流体速度梯度与轴肩区域的金属流体速度梯度共同作用形成一个叠加的流场. 这种流场在机械搅拌的作用下使晶粒发生了强烈的塑性变形,应变率大于102 ,应变随着距焊缝中心线距离而快速下降,这是因为随着距离的增加机械作用减弱,晶粒之间的相互作用主要离靠晶粒之间的剪切作用,但是这种理想的原始流场是不稳定或者说是暂时的,在Y 方向(即焊接方向) 进行连接时,前进方向的金属在挤压的作用下将向后移动形成了另外一个非稳定的流场与先期产生的近似理想稳定场相互作用,导致在形成焊接接头的动态再结晶过程中的不均匀现象. 即形成了一种涡流状非稳定流场,从得到的洋葱圆环图中可以看出,接头的形貌与这种动态再结晶的不均匀现象密切相关. 再结晶演变的形成过程中,虽然位错在其中起着很重要的作用,但是对于试样来说,如此剧烈连续的塑性变形仅从此方面来解释是比较困难的,既然搅拌过程是通过一个旋转的焊针来实现的,不仅通过晶界滑移(和旋转) 这种方式,而且通过剧烈的纯剪切过程.
由于搅拌头的高速旋转,搅拌针前方的金属也进入了塑性状态,根据阻力最小定理,在搅拌头向前运动过程中,这部分金属会流向后方填充空腔区域,在这部分金属产生的流动速度场作用下,原先建立的流场被破坏,使得X- Y 平面的流动速度场发生变化,形成了如图3 (b) 所示的流场,从这个流场可以看出填充空腔的这个金属流场对最终形成的非稳态流场有很大的影响. 特别是Y- Z 面右侧1处的金属流动使得沿搅拌头旋转方向的金属流动受阻, Y- Z 面左侧进入空腔的金属对非稳态流场的影响不大,这与洋葱圆环的根部相对于中心面( Y- Z 面) 有较大的偏移相吻合,此外这种流向空腔的金属对沿搅拌头旋转方向的金属阻碍作用γ,同样发生在搅拌针的根部或者说洋葱圆环的葱头部位,造成了洋葱圆环的葱头部位相对中心面也发生了部分偏移,但是由于流入空腔的金属在沿厚度方向的速度梯度比较大. 这种偏移并不是很明显.图4 给出了沿厚度方向Z = H、Z = H/ 2 处X- Y面的涡状流动形态. 在葱头部位是受到热影响和最强烈机械搅动的地方,这部分金属的流动方式是沿着Y 轴方向,以螺旋状运动直到连接过程结束.
2 影响洋葱圆环非稳定流场的因素
那么这种非稳态流场所形成的洋葱圆环形貌与哪些因素有关呢? 为此针对搅拌摩擦焊使用不同的工艺参数进行连接,通过不同的工艺参数来探索其对这种非稳定流场的影响. 在不同的工艺参数下对LD2 铝合金进行搅拌摩擦连接,由于热输入功率主要与旋转速度和轴肩与工件间的压力有关,选取旋转速度为1 500 r/ min ,焊接速度分别250mm/ min、350 mm/ min、500 mm/ min 对应于不同的工艺参数,焊核区的洋葱圆环的形貌也不同,图5 给出了焊接参数下洋葱圆环的形貌,可以看出随着焊接速度的增加,洋葱圆环的环状形貌越来越不明显. K. N. Krishnan 对搅拌摩擦焊接头“洋葱圆环”进行初步的分析,指出与焊头几何形状及工艺参数有关,由于两者均影响塑性流体的运动,圆环的生成本质取决于塑性流体的运动;圆环的中心比较密,往外围比较稀疏;圆环间隙与焊接工具每一转前进的距离相等[7 ] . 当旋转速度超过某一范围时,观察不到洋葱圆环,这可能是因为转速的增加使热输入功率大大增加导致焊核区的流动发生了较大的变化,关于这方面的研究工作国内外正在运用实验法、模拟法等进行深入的研究.
搅拌摩擦连接进行时,搅拌针连续地对材料进行搅拌和挤压,材料经历了极大的变形、应变量和应变率极高,晶粒发生反复的再结晶,满足材料进行塑性流动所需的条件,这种塑性流动形态的连续性与旋转速度有很大的关系,随着旋转速度的提高,金属的流动具有更好的稳定性和连续性,在其他工艺参数不变的情况下,随着焊接速度的增加,热输入减小,动态再结晶驱动力相应变化,导致搅拌针前进方向的金属软化层之间的粘滞作用加强,洋葱圆环的葱头部分发生动态再结晶的驱动力下降较快,使沿着Y方向金属的扩展变得越来越难,金属的流动转移能力下降,洋葱圆环的形貌发生变化,并且环与环之间的间距越来越大. 这一点与K.N. Krishnan 观察的结果相吻合.
由此可以看出焊接速度对洋葱圆环形成过程中的流动场和最终形貌有很大影响,除此之外不同的搅拌针形状对塑性材料的流动场有不同的作用形式,例如螺旋状焊针与圆柱形焊针相比,前者在连接过程中不但有搅拌挤压的作用,而且使材料产生一个向下的螺旋状流动场,这对接头的最终形貌和组织性能具有很大影响,因此焊接工具的形状尺寸影响也是不容忽视的. 此外洋葱圆环葱头的形态与搅拌头轴肩尺寸也有密切关系,这种影响主要体现在表面以下1/ 3 板厚的区域,因为这个区域的流动场主要受到搅拌头轴肩的搅拌作用.
3 结论
塑性软化区的金属流动质点由于速度和方向的不断变化流动,呈现出一种涡流状非稳定流场,连接过程中所形成的接头组织呈不对称形态,但是基本上保持了具有梯度特征的接头组织形貌.进行连接时,搅拌头端面附近的塑性流体后方留下的空腔时形成的流场与沿搅拌针方向的流场相互作用,并且这种相互作用沿着厚度方向迅速减弱,使得洋葱状形态(包括葱头到根部) 相对中心面发生了偏移,并且这种偏移程度从葱头到根部越来越明显.
涡流状非稳定流场的变化决定了接头的洋葱形貌特征,影响涡流状非稳定流场的主要因素是焊接速度和轴肩压入工件的深度(也是轴向压力的一种传递形式) ,焊接工具的形状尺寸影响也是不容忽视的.
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