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        2219鋁合金攪拌摩擦焊“弱連接”缺陷的制備及表征

        2014-10-27 12:04:24陳華斌鄭德根
        無損檢測(cè) 2014年7期
        關(guān)鍵詞:跡線核區(qū)試板

        危 荃,陳華斌,鄭德根,王 飛,林 濤

        (1.上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201600;2.上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

        2219鋁合金屬于Al-Cu-Mn系可熱處理強(qiáng)化合金,由于其低溫和高溫力學(xué)性能、斷裂韌性、焊接性能以及抗應(yīng)力腐蝕等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì),被廣泛應(yīng)用于航空、航天領(lǐng)域[1-2]。2219鋁合金焊接熱裂傾向較低,氣孔敏感性較強(qiáng),傳統(tǒng)的熔焊方法容易產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷。攪拌摩擦焊(Friction stir welding,F(xiàn)SW)作為一種快速發(fā)展的新型固相焊接方法,與傳統(tǒng)的熔焊方法相比,F(xiàn)SW在輕合金材料連接方面具有諸多優(yōu)點(diǎn):固相連接(無氣孔、凝固裂紋,無合金元素?zé)龘p、偏析,接頭性能優(yōu)異);焊接接頭殘余應(yīng)力低、變形??;節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保及屬于綠色焊接技術(shù)[3-4]。

        目前針對(duì)FSW的研究主要集中在以下幾個(gè)方面:FSW產(chǎn)熱機(jī)理與模型精度描述;焊縫金屬塑性流動(dòng)相、離散相、強(qiáng)化相的動(dòng)態(tài)恢復(fù)和再結(jié)晶精確理論模型;FSW接頭弱連接缺陷形成機(jī)制和有效表征,如“焊核區(qū)洋蔥環(huán)”、“S”線物理學(xué)和冶金學(xué)基礎(chǔ)理論。顯然,F(xiàn)SW焊縫缺陷在一定程度上會(huì)對(duì)產(chǎn)品的安全性和服役的性能產(chǎn)生較大影響[5-7]。因此,針對(duì)FSW焊縫缺陷的有效檢測(cè)和判定的研究必將推進(jìn)FSW工藝在航空、航天領(lǐng)域的深度應(yīng)用。筆者以2219鋁合金為研究對(duì)象,通過“示蹤銅箔”方法揭示攪拌摩擦焊塑性金屬在接頭內(nèi)的遷移行為,并進(jìn)一步分析2219鋁合金表面氧化膜在FSW接頭形成黑色“S”線缺陷OM形貌和超聲相控陣檢測(cè)扇掃圖譜特征。

        1 缺陷制備及試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)材料為6mm厚、T62狀態(tài)的2219鋁合金試板,焊接試板尺寸為300mm×90mm×6mm,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為92.1%Al,6.48%Cu,0.32%Mn,0.23%Fe,0.06%Ti,0.08%V,0.04%Zn,0.49%Si,0.2%Zr;主 要 力 學(xué) 性 能 分 別 是Rp0.2:410MPa,Rm:290MPa,A:10%。FSW采用的攪拌頭軸肩直徑為16mm,攪拌針直徑為6mm,長度為5.8mm,旋轉(zhuǎn)速度為600~1500r/min,前進(jìn)速度為60~100mm/min,攪拌頭傾角為2.5°~3.5°。

        由圖1可見,當(dāng)焊接參數(shù)即前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)速度和下壓量不匹配時(shí),尤其是攪拌頭下壓量不夠時(shí),如軸肩空腔內(nèi)塑性金屬填充不足,會(huì)在焊縫前進(jìn)側(cè)或焊縫近表面下方形成溝槽、隧道孔等大尺度缺陷。進(jìn)一步對(duì)焊縫成形良好的焊縫和焊接參數(shù)匹配不好、焊縫成形較差的焊縫進(jìn)行RT檢測(cè),發(fā)現(xiàn)理想焊縫底片未出現(xiàn)隧道孔、氣孔及裂紋等大尺度缺陷,而在焊接參數(shù)匹配,成形較差的FSW接頭內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一條貫穿型黑線,即隧道孔。

        圖1 2219鋁合金FSW焊縫成形及RT檢測(cè)結(jié)果

        1.1 “示蹤銅箔”試驗(yàn)

        采用預(yù)制好的厚度為100μm紫銅箔嵌入至2219鋁合金對(duì)接試板側(cè)面,考慮到FSW塑性金屬流動(dòng)行為和特征,嵌入焊接試板正面的紫銅箔必將在軸肩高速攪拌作用下,在近焊縫表面形成破碎、離散顆粒狀的軌跡線,而嵌入側(cè)面的紫銅箔在攪拌針和軸肩共同作用下,發(fā)生強(qiáng)烈滑移、摩擦和塑性變形,進(jìn)入FSW焊核區(qū),形成貫穿于整個(gè)焊核區(qū)、部分熱機(jī)影響區(qū)的“S”形流動(dòng)跡線。

        沿拉伸試樣橫截面截取典型斷口試樣,經(jīng)磨、拋后,制備成金相試樣,采用體積分?jǐn)?shù)為氫氟酸(1%)、鹽酸(1.5%)、硝酸(2.5%)和水(95%)的腐蝕液進(jìn)行腐蝕。通過光學(xué)顯微鏡觀察紫銅箔在焊核區(qū)的微觀形貌和分布特征,并在SEM下觀察試樣斷口形貌特征。

        1.2 “S線”弱連接缺陷制備

        鑒于鋁合金FSW實(shí)際焊接過程中,接頭形成的弱連接缺陷大部分實(shí)質(zhì)來源于焊接過程中的氧化膜在焊核區(qū)、熱機(jī)械影響區(qū)形成的Al2O3界面,因此采用示蹤銅箔方法存在一定局限性,接下來結(jié)合前面對(duì)側(cè)面紫銅箔在攪拌針和軸肩共同作用機(jī)制下,形成的“S”形流動(dòng)跡線,對(duì)2219鋁合金試板進(jìn)行陽極化處理,在焊縫側(cè)面形成一定厚度的致密氧化膜,采用焊前不對(duì)工件表面進(jìn)行清理的方式,對(duì)其進(jìn)行FSW試驗(yàn)。進(jìn)一步模擬和制備2219鋁合金FSW過程中形成的黑色“S線”弱連接缺陷,并對(duì)其進(jìn)行超聲相控陣檢測(cè)和判定。

        2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

        通過對(duì)FSW接頭的微觀形貌特征及其焊接過程中塑性金屬的遷移行為進(jìn)行分析,進(jìn)一步揭示FSW焊縫缺陷的形成機(jī)制。從圖2中可以看出,紫銅箔在焊核區(qū)產(chǎn)生了劇烈滑移、摩擦和塑性變形過程,形成了一條焊核區(qū)、部分熱機(jī)械影響區(qū)的流動(dòng)跡線,即S線,英國焊接研究所(TWI)把此歸類為未焊合缺陷范疇。另外,從圖中還可以看出焊核區(qū)塑性金屬受到來自攪拌針剪切力,在軸肩下方發(fā)生了自上而下的塑性金屬流動(dòng)、攪拌,形成渦旋狀的“年輪”跡線。紫銅箔攪拌、破碎后分布于焊核區(qū)的尺寸大小大于50μm,這也是便于先前的RT檢測(cè)需要。

        圖3是側(cè)面嵌入紫銅箔的FSW接頭拉伸試樣斷口形貌,從圖中可以看出,整個(gè)斷面有明顯的分層現(xiàn)象,而且各層的性能有較大差別,接頭韌性很差。由于在焊核區(qū)形成“S”形結(jié)合界面,造成該界面兩側(cè)焊縫金屬性能差異很大,“S”形結(jié)合面演化成了裂紋源,并沿該結(jié)合面斷裂。

        圖2 “S”形流動(dòng)跡線及焊核區(qū)微觀形貌

        對(duì)側(cè)面保留氧化膜的FSW試樣進(jìn)行微觀分析,從圖4可以看出,側(cè)面保留氧化膜的試樣同樣符合嵌入紫銅箔的流動(dòng)跡線特征,黑色“S”線始于焊縫后退側(cè),經(jīng)過前進(jìn)側(cè)逆向延伸至熱機(jī)影響區(qū)。由圖中還可以觀察到“S”線實(shí)際上是存在于焊接方向上的結(jié)合面,尺度大小為20μm左右,呈彌散分布。

        圖3 “S”形結(jié)合面斷口形貌特征

        圖4 “S”線弱連接缺陷微觀形貌特征

        顯然,“S”線弱連接缺陷存在多種取向及方位,使用超聲相控陣系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行S掃,探頭頻率選用10MHz,圖5是對(duì)尺度大于20μm弱連接結(jié)合面進(jìn)行了有效檢測(cè),圖中A掃信號(hào)在每個(gè)掃查角度均接近,“S線”在扇掃圖譜上表現(xiàn)出較強(qiáng)的顯示信號(hào),中部亮度較高。

        圖5 FSW接頭“S”線弱連接缺陷相控陣檢測(cè)結(jié)果

        3 結(jié)論

        (1)FSW接頭典型大尺度缺陷,如溝槽、近表面下方的隧道孔等可以采用傳統(tǒng)的RT檢測(cè)方式,進(jìn)行有效檢測(cè)和判定。

        (2)嵌入到焊接試板側(cè)壁的可視化示蹤材料紫銅箔,在FSW接頭內(nèi)的焊核區(qū)和部分熱機(jī)影響區(qū)發(fā)生劇烈滑移、摩擦和塑性變形,形成了一條自焊縫后退側(cè),并在前進(jìn)側(cè)發(fā)生逆向延伸的流動(dòng)跡線。

        (3)黑色“S線”弱連接缺陷,在焊接方向形成了未焊合結(jié)合面,尺度大于20μm的弱連接缺陷,可采用超聲相控陣進(jìn)行有效檢測(cè)。

        [1]THOMAS W M,NICHOLAS E D,NEEDHAM J C,MURCH M G,TEMPLE-SMITH P,DAWES C J.Friction stir butt welding[P].International Patent Application No.PCT/GB92/02203,1991,12.

        [2]NANDAN R,DEBROY T.Recent advances in friction stir welding process,weldment,structure and properties[J].Progress in Materials Science,2008,53:980-1023.

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