王 鑫孟 松康 旭武亨亮史清宇

(1 清華大學(xué)機(jī)械工程系,北京 100084) (2 中國(guó)空間技術(shù)研究院,北京 100094)(3 山西航天機(jī)電設(shè)備研究所,山西 030800)

1 引言

航天器上使用大型鎂合金鑄造結(jié)構(gòu)的應(yīng)用可減輕結(jié)構(gòu)重量從而增加有效載荷的配置。大型薄壁復(fù)雜鑄件的砂型鑄造不可避免地會(huì)產(chǎn)生如氣孔、疏松、裂紋等鑄造缺陷。影響了鎂合金鑄造結(jié)構(gòu)的質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢。鑄件缺陷修復(fù)非常困難,盡管國(guó)內(nèi)外都對(duì)鎂合金鑄造缺陷的修復(fù)開展了大量研究,但一直沒(méi)有獲得理想的修復(fù)方法,而對(duì)于航天器輕金屬焊接工藝則已經(jīng)發(fā)展了新的固態(tài)連接技術(shù)——攪拌摩擦焊[1]。

現(xiàn)有的鎂合金鑄件缺陷修復(fù),采用的是傳統(tǒng)氬弧焊方法。對(duì)于疏松、氣孔等缺陷的修復(fù)困難;另一方面,鎂合金氬弧焊過(guò)程本身也可能造成新的氣孔等缺陷,進(jìn)而影響使用性能。采用新的方法,對(duì)鎂合金鑄件進(jìn)行修復(fù),其研究結(jié)果對(duì)于提高航天制造技術(shù)有積極的作用。

攪拌摩擦焊技術(shù)于1991年在英國(guó)焊接研究所(TW I)發(fā)明以來(lái),在鎂合金、鋁合金等輕金屬材料的連接中,開展了廣泛的應(yīng)用研究[2-4]。攪拌摩擦焊這種固相連接技術(shù),其原理如圖1 所示。攪拌工具旋轉(zhuǎn)著緩慢插入被焊工件的待焊接處,攪拌工具和被焊材料之間的剪切摩擦產(chǎn)生熱,使材料軟化并塑性變形[5-6],釋放出塑性變形能。當(dāng)攪拌工具沿待焊界面前移時(shí),熱塑化的金屬在周圍金屬及攪拌工具的擠壓作用、軸肩面對(duì)材料向下的頂鍛作用下,由攪拌工具的前部向后部轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)工件之間的固相連接。接頭的材料在壓力作用下經(jīng)歷動(dòng)態(tài)的回復(fù)再結(jié)晶過(guò)程,形成細(xì)小的等軸晶。焊接后接頭具有變形小、組織及力學(xué)性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。其主要工藝參數(shù)包括旋轉(zhuǎn)速度、前進(jìn)速度、下壓量。

圖1 攪拌摩擦焊原理示意圖Fig.1 Scheme of the principle of FSW

本研究將攪拌摩擦焊的方法用于鑄造鎂合金結(jié)構(gòu)件的缺陷修復(fù)。通過(guò)設(shè)計(jì)攪拌工具、批量的工藝試驗(yàn)優(yōu)選適用的工藝參數(shù),來(lái)對(duì)鑄造鎂合金結(jié)構(gòu)件進(jìn)行修復(fù),并對(duì)焊后的修復(fù)效果進(jìn)行X 射線無(wú)損檢驗(yàn),以驗(yàn)證修復(fù)效果。進(jìn)而,在平板修復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,針對(duì)航天器鑄件中常見的T 形結(jié)構(gòu)、角形結(jié)構(gòu)進(jìn)行攪拌摩擦加工工藝可行性的初步探索。

2 帶缺陷鎂合金鑄件攪拌摩擦修復(fù)試驗(yàn)

對(duì)于特定材料,不同的攪拌工具型式、不同的工藝參數(shù)均會(huì)對(duì)攪拌摩擦加工結(jié)果造成影響。因此,要設(shè)計(jì)適用于缺陷修復(fù)的攪拌工具型式,并進(jìn)行參數(shù)匹配試驗(yàn)獲得相應(yīng)的適用參數(shù)。

攪拌工具與被加工件間的摩擦作用是核心影響因素,而這一摩擦作用的改變對(duì)攪拌摩擦加工工藝過(guò)程具有明顯的影響。鑄造結(jié)構(gòu)件表面粗糙度高,甚至出現(xiàn)起伏不平,攪拌摩擦過(guò)程中易出現(xiàn)摩擦作用不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)前的試驗(yàn)中,加大下壓量以保證充分的摩擦作用。同時(shí),足夠的下壓量也保證了缺陷處塑化金屬的充分填充。

試驗(yàn)材料為AZ91D 鑄造鎂合金在XT-900 攪拌摩擦焊專用數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行攪拌摩擦修復(fù)試驗(yàn)。攪拌針型式為帶螺紋錐臺(tái)型。

2.1 修復(fù)試驗(yàn)所采用的攪拌工具

在攪拌摩擦焊過(guò)程中,攪拌工具具有與其周圍材料摩擦產(chǎn)生熱、破碎工件表面氧化層、轉(zhuǎn)移塑性流變材料等重要作用[5]。針對(duì)鎂合金攪拌摩擦修復(fù)過(guò)程壓入量較大的特點(diǎn),改進(jìn)了攪拌工具外形。開發(fā)了攪拌摩擦焊接及加工用攪拌針,如圖2 所示。采用該型式攪拌針可以用于鎂合金鑄件的攪拌摩擦加工修復(fù),還可以實(shí)現(xiàn)鎂合金的攪拌摩擦焊接。

2.2 攪拌摩擦參數(shù)

影響攪拌摩擦修復(fù)效果的重要參數(shù)是:攪拌工具的形狀尺寸、旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、下壓量以及焊接工具傾角[7-9]。對(duì)于一定的工具,攪拌工具旋轉(zhuǎn)速率和移動(dòng)速率最為重要,工具的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致攪拌針周圍的材料發(fā)生攪拌和混合,而沿給進(jìn)方向攪拌工具的移動(dòng)則將攪拌過(guò)的金屬?gòu)臄嚢栳樓岸宿D(zhuǎn)移到后部,實(shí)現(xiàn)缺陷修復(fù)、材料連接等加工過(guò)程。高的旋轉(zhuǎn)速度可以產(chǎn)生相應(yīng)較高的溫度并形成更強(qiáng)烈的材料攪拌混合,但由于材料高溫性能的變化,產(chǎn)熱量與轉(zhuǎn)速大小并非線性關(guān)系[6]。初步試驗(yàn)階段發(fā)現(xiàn)對(duì)帶有缺陷的鑄造鎂合金板材,必須加大壓入深度才能保證能夠形成良好的金屬填充,實(shí)現(xiàn)良好焊接。

圖2 試驗(yàn)中使用的自制的攪拌工具Fig.2 Self-made stir tools

2.3 攪拌摩擦加工程序算法流程

在XT-900 攪拌摩擦焊專用數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)上,采用編制的專用攪拌磨擦程序控制精度。程序的算法流程如圖3 所示。

圖3 數(shù)控機(jī)床程序算法流程Fig.3 Algorithm flow of NC machine tool program

在第二次修復(fù)準(zhǔn)備過(guò)程中,可調(diào)整運(yùn)行的參數(shù),包括旋轉(zhuǎn)速度、平移速度、下壓量以及多道次面修復(fù)時(shí)的偏移量。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

與塑性加工過(guò)程相似,攪拌摩擦加工過(guò)程中,會(huì)達(dá)到塑性變形溫度,同時(shí)具有很大的靜水壓應(yīng)力和大塑性應(yīng)變[5],因此起到改善材料組織和性能的作用。另一方面,相比于塑性加工,攪拌摩擦加工是被加工件形狀基本不變的局部塑性大變形過(guò)程,因此對(duì)于缺陷修復(fù)具有非常顯著的作用。

3.1 帶缺陷鎂合金鑄件攪拌摩擦加工工藝可行性的研究

已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)鎂合金的良好攪拌摩擦焊接。對(duì)于待焊焊縫可以看作是一種缺陷,攪拌磨擦加工過(guò)程中由于攪拌工具的攪拌破碎作用以及熱循環(huán)的影響,促使焊縫區(qū)域動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,晶粒為細(xì)小的等軸晶。同樣,對(duì)于鑄造鎂合金的缺陷,由于攪拌工具的攪拌、擠壓作用,均有利于去除金屬內(nèi)部縮孔、疏松等缺陷。

在試驗(yàn)平臺(tái)初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,獲得了適用于攪拌摩擦修復(fù)的工藝參數(shù)范圍。針對(duì)普通鑄造鎂合金與帶缺陷的鑄造鎂合金分別開展了攪拌摩擦加工工藝實(shí)驗(yàn),所選用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1 所示。對(duì)比研究表明,編號(hào)為G 的參數(shù)組合具有最佳修復(fù)效果,帶缺陷的鎂合金鑄件修復(fù)后照片及X 射線照片分別如圖4、圖5 所示。圖4 中所示為采用參數(shù)組合G 修復(fù)以后的外觀,中間平直部分為修復(fù)后的表面,可見攪拌摩擦方法典型的半環(huán)形。圖5 對(duì)比了修復(fù)前后的內(nèi)部缺陷情況,修復(fù)后原內(nèi)部鑄造過(guò)程中產(chǎn)生的疏松區(qū)域變得密實(shí)。

表1 缺陷修復(fù)采用的典型參數(shù)Table 1 Typical parameters used for defect repair

圖4 含鑄造缺陷鎂合金采用參數(shù)組合G 修復(fù)后的宏觀照片F(xiàn)ig.4 Macro photos of magnesium alloy with casting defects after being repaired using parameters combination G

圖5 含缺陷鎂合金鑄件修復(fù)前后X 射線照片F(xiàn)ig.5 X-ray photos of magnesium alloy with castings defects before and af ter repair

從圖5 可以看出,修復(fù)后鎂合金鑄件成形良好,表面飛邊可以用簡(jiǎn)單的機(jī)械加工方法去除。而圖5中的(a)為鑄件修復(fù)前的X 射線照片,其中深色區(qū)域?yàn)榇嬖谌毕莸牟课恢械?a)。圖5 中的(b)為修復(fù)后的X 射線照片?？梢园l(fā)現(xiàn),修復(fù)區(qū)域呈均勻的深色,這是由于攪拌摩擦加工后加工區(qū)厚度變薄,因此整體顏色變深,但該區(qū)域的顏色非常均勻,說(shuō)明其中已無(wú)缺陷。而未加工區(qū)仍可見顏色斑駁,表明其缺陷的存在。上述研究結(jié)果表明:攪拌摩擦加工方法可以有效地修復(fù)鑄造鎂合金中的缺陷。

3.2 典型結(jié)構(gòu)攪拌摩擦加工工藝可行性研究

復(fù)雜的鑄造結(jié)構(gòu)也是由簡(jiǎn)單的邊、角、圓弧等形狀所組成。本文針對(duì)邊、角結(jié)構(gòu)中最常見的角形結(jié)構(gòu)和T 形結(jié)構(gòu),開展了攪拌摩擦加工工藝可行性研究。其核心是研究攪拌摩擦加工對(duì)空間角度相干性的適應(yīng)程度,進(jìn)而擴(kuò)展到具有相同空間角度相干性的真實(shí)結(jié)構(gòu)中。

T 形結(jié)構(gòu)攪拌摩擦加工過(guò)程中的裝夾與加工后試板照片分別如圖6 和圖7 所示。

對(duì)于T 形結(jié)構(gòu)而言,在T 形交角處最易出現(xiàn)缺陷。試驗(yàn)中另加工一塊工藝板,通過(guò)攪拌摩擦加工方法,將工藝板與原始T 形結(jié)構(gòu)焊接在一起,同時(shí)消除T 形交角處的缺陷,新的T 形結(jié)構(gòu)由一塊平板和兩塊立板組成,而未加工前,兩塊立板間并無(wú)冶金結(jié)合等原始T 型結(jié)構(gòu)的結(jié)合處等于存在平面裂紋,而加工后兩塊立板間形成了冶金結(jié)合,即消除了原來(lái)存在的缺陷,如圖7 所示。圖7 為T 形結(jié)構(gòu)攪拌摩擦加工后試件照片。

圖6 T 形結(jié)構(gòu)攪拌摩擦加工的裝夾Fig.6 Clamp of friction stir processing of T-shaped structure

圖7 T 形結(jié)構(gòu)攪拌摩擦加工后試件照片F(xiàn)ig.7 Sample of T-shaped structure af ter friction stir processing

角形結(jié)構(gòu)缺陷修復(fù)的模擬實(shí)驗(yàn)也具有相似的原理和過(guò)程,通過(guò)新加工藝板作為補(bǔ)充材料或滿足工藝適用性,實(shí)現(xiàn)缺陷的修復(fù)。其裝夾狀態(tài)和加工后的試件分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 角形結(jié)構(gòu)的裝夾狀態(tài)Fig.8 Clamping state of angular structure

4 結(jié)論

通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)分析,得出如下結(jié)論:

1)提出了采用攪拌摩擦加工方法修復(fù)鎂合金鑄造缺陷的新思路,并通過(guò)帶缺陷鎂合金板材攪拌摩擦加工工藝實(shí)驗(yàn),無(wú)損檢測(cè)實(shí)驗(yàn)證明:該方法原理上是可行的,攪拌摩擦加工方法修復(fù)鎂合金鑄件的缺陷在工藝上具有比較廣的適用范圍;

圖9 角形結(jié)構(gòu)攪拌摩擦加工后的試件Fig.9 Sample of angular structure after f riction stir processing

2)對(duì)于自制的螺紋錐臺(tái)形式的攪拌工具,在優(yōu)化的攪拌摩擦加工的參數(shù)組合(在旋轉(zhuǎn)速度500 r/min,前進(jìn)速度100mm/min,下壓量1.5mm)下,能夠有效地修復(fù)鎂合金鑄件中的缺陷;

3)T 形結(jié)構(gòu)和角形結(jié)構(gòu)的缺陷也適用于攪拌摩擦加工方法,但對(duì)工裝夾具的要求相對(duì)較嚴(yán)格。

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