于運(yùn)錄 張珊珊

摘 要：科技在不斷的發(fā)展，社會(huì)在不斷的進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)異種鋁合金環(huán)形構(gòu)件的高精度裝配與連接，文中設(shè)計(jì)一種臥式串聯(lián)型軸向移動(dòng)轉(zhuǎn)徑向伸縮的攪拌摩擦焊接工裝。結(jié)果表明，采用此工裝成功實(shí)現(xiàn)鋁銅系/鋁鎂系異種鋁合金環(huán)形構(gòu)件的高精度裝配與高質(zhì)量焊接，接頭內(nèi)部質(zhì)量達(dá)到了I級(jí)接頭要求，接頭的抗拉強(qiáng)度高于245MPa，延伸率高于16%，且所有接頭均斷裂在鋁鎂系鋁合金母材一側(cè)，說(shuō)明該接頭的整體性能要優(yōu)于鋁鎂系鋁合金母材性能，解決了鋁銅系/鋁鎂系異種鋁合金熔焊易出現(xiàn)焊接裂紋的工程難題。

關(guān)鍵詞：異種鋁合金環(huán)形構(gòu)件;臥式串聯(lián)型工裝機(jī)構(gòu);楔盤結(jié)構(gòu);運(yùn)動(dòng)時(shí)序;攪拌摩擦焊

引言

在航空航天工業(yè)、交通運(yùn)輸制造業(yè)、能源行業(yè)、輕工裝備業(yè)及核工業(yè)等領(lǐng)域，為了充分發(fā)揮不同金屬材料的優(yōu)異性能、實(shí)現(xiàn)輕量化、降低制造成本以及滿足不同工況的需求，異種金屬材料結(jié)構(gòu)得到越來(lái)越多的運(yùn)用。異種金屬材料一般在熔點(diǎn)、硬度、力學(xué)性能和化學(xué)活潑性等方面差異較大，所以使用傳統(tǒng)熔焊難以獲得良好的焊接接頭。固相連接技術(shù)的出現(xiàn)較好地解決了異種金屬材料連接的難題，攪拌摩擦焊作為一種新型的固相連接技術(shù)在研究和工程中獲得了很好的使用效果。與傳統(tǒng)的熔焊相比，攪拌摩擦焊過(guò)程中熱輸入小，無(wú)需焊絲，符合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的理念。此外，攪拌摩擦焊的接頭部分晶粒細(xì)小，使得接頭在疲勞性能、拉伸性能和彎曲性能上都表現(xiàn)良好?，F(xiàn)在攪拌摩擦焊在航空航天、造船、汽車、鐵路等行業(yè)有非常廣泛和出色的應(yīng)用。作者閱讀整理了很多國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，主要介紹近10年來(lái)異種金屬材料攪拌摩擦對(duì)接焊的研究進(jìn)展，希望可以給相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供一定的參考。

1總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為達(dá)到異種材料圓筒型結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊接裝配要求，鑒于結(jié)構(gòu)件裝配操作空間的開場(chǎng)性要求，需將軸向移動(dòng)轉(zhuǎn)換為徑向伸縮運(yùn)動(dòng)形式的內(nèi)支撐機(jī)構(gòu)，現(xiàn)采用一種基于臥式串聯(lián)軸向平移轉(zhuǎn)徑向伸縮運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)零件的攪拌摩擦焊接裝配工裝的機(jī)構(gòu)傳動(dòng)要求。基于臥式串聯(lián)軸向平移轉(zhuǎn)徑向伸縮機(jī)構(gòu)的構(gòu)型，為能夠較好的實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊的焊前裝配，該機(jī)構(gòu)主要由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，軸向壓盤機(jī)構(gòu)，盤式螺旋解耦機(jī)構(gòu)、徑向撐緊機(jī)構(gòu)和軸向支撐機(jī)構(gòu)組成，其主要工作目標(biāo)為，將異種材料圓筒型結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)對(duì)接面的對(duì)中對(duì)接，能夠?qū)崿F(xiàn)焊縫背部的徑向撐緊和軸向壓緊作用。原動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)整套機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)副R1及P4實(shí)現(xiàn)與基體的連接支撐;手動(dòng)旋轉(zhuǎn)螺旋副H1，H1的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞給旋轉(zhuǎn)副R2的外層構(gòu)件，H1的軸向運(yùn)動(dòng)傳遞給旋轉(zhuǎn)副R2的內(nèi)層構(gòu)件，該內(nèi)層構(gòu)件通過(guò)移動(dòng)副P1的導(dǎo)向作用實(shí)現(xiàn)楔盤機(jī)構(gòu)平行移動(dòng)，楔盤機(jī)構(gòu)的平移帶動(dòng)P3在楔盤斜面上移動(dòng)，由于P2將撐緊機(jī)構(gòu)導(dǎo)向，因此撐緊機(jī)構(gòu)將楔盤的斜面運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為了撐緊機(jī)構(gòu)的徑向伸縮運(yùn)動(dòng)，從而將被焊接工件徑向撐緊，為更好的實(shí)現(xiàn)被焊工件的軸向夾緊，通過(guò)機(jī)架本體和螺旋副H2帶動(dòng)的軸向壓緊機(jī)構(gòu)的相對(duì)夾緊完成焊接件的對(duì)接夾緊。

2異種金屬攪拌摩擦對(duì)接焊研究進(jìn)展

2.1鋁合金-鋼對(duì)接

小組研究了3mm厚5052鋁合金和低合金高強(qiáng)度鋼的攪拌摩擦對(duì)接焊時(shí)，在不同工藝參數(shù)下金屬間化合物（IMC）的生成情況。研究表明在其它參數(shù)不變的情況下：①攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度越高，金屬間化合物層越厚，在轉(zhuǎn)速600r/min時(shí)最厚約為5.792μm。②焊接速度越慢，金屬間化合物層越厚，在35mm/min時(shí)最厚約為3.896μm。③軸向力越大，金屬間化合物層越厚，在9kN時(shí)最厚約為3.254μm。④攪拌頭主軸傾斜角度為0.5°時(shí)，金屬間化合物層最厚約為2.282μm。研究了6181-T4鋁合金和HC260LA及DP600高強(qiáng)鋼的攪拌摩擦焊。從圖2微觀結(jié)構(gòu)方面看，用較軟的鋼（HC260LA）產(chǎn)生的接頭界面顯示出稍大的變形，并且有較多數(shù)量和較大尺寸的高強(qiáng)鋼分離顆粒進(jìn)入鋁合金一側(cè)。接頭硬度分布也能觀察到這種差異，高強(qiáng)鋼一側(cè)HC260LA比DP600顯示出更大的硬度梯度，而這正是由于不同程度的熱變形引起的。

2.2鹽霧腐蝕

6005A-T6鋁合金型材的母材及攪拌摩擦焊接頭酸性鹽霧試驗(yàn)失重率隨腐蝕時(shí)間的變化如圖1所示：試樣失重均隨腐蝕的進(jìn)行而逐漸增加，呈現(xiàn)快-慢-快-慢的規(guī)律，這是因?yàn)殡S著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，由腐蝕產(chǎn)生的氧化物等逐漸堆積在試樣的表面，這使腐蝕介質(zhì)越來(lái)越難接觸到鋁合金表面，從而產(chǎn)生位阻效應(yīng)，阻止了腐蝕的進(jìn)一步進(jìn)行，其后速率的恢復(fù)推測(cè)為內(nèi)部的腐蝕及膨脹使附著在表面的大塊腐蝕產(chǎn)物皸裂，進(jìn)而重新形成了腐蝕介質(zhì)接觸金屬表面的通道;對(duì)比母材和焊接接頭，發(fā)現(xiàn)在前120h內(nèi)，失重率的變化過(guò)程基本一致;后120h，焊接接頭的失重速率最慢，推測(cè)為腐蝕產(chǎn)物在金屬表面的覆蓋趨于穩(wěn)定，能夠有效阻隔腐蝕介質(zhì)接觸到金屬表面，而母材的失重速率卻沒有明顯減緩，推測(cè)為母材的腐蝕產(chǎn)物依然不穩(wěn)定，一直處于增厚-脫落的狀態(tài);從圖中還可以看出：與攪拌摩擦焊接頭相比各試驗(yàn)周期母材的失重率均稍高，說(shuō)明焊接接頭耐蝕性優(yōu)于母材.

2.3鋁合金-鎂合金對(duì)接

通過(guò)FSW方法對(duì)12mm厚的AZ31B鎂合金和5083鋁合金板材進(jìn)行對(duì)接試驗(yàn)，當(dāng)5083鋁合金置于前進(jìn)側(cè)，AZ31B鎂合金放在后退側(cè)時(shí)，容易得到無(wú)明顯缺陷的接頭。相比于鋁合金，鎂合金一般較軟，容易塑化，塑化后的材料流入攪拌針前進(jìn)后形成的空腔內(nèi);也有人認(rèn)為鎂合金有著更好的流動(dòng)性能，所以放在后退側(cè)可以很好地填充焊縫。Mclean觀察到攪拌區(qū)域會(huì)形成薄的脆性的金屬間化合物層（IMC），其物質(zhì)組成主要為Al12Mg17，與離異共晶的形態(tài)一致。金屬間化合物層的存在導(dǎo)致焊縫的延伸性很差，難以達(dá)到工程應(yīng)用的要求[1]。采用“切片法”，對(duì)3mm厚AZ31鎂合金和2024鋁合金板材在最佳參數(shù)下獲得的攪拌摩擦焊對(duì)接接頭逐層切片，觀察2種材料在對(duì)接后的位置和形態(tài)，并且通過(guò)二維流動(dòng)情況進(jìn)行三維重構(gòu)。通過(guò)研究，他發(fā)現(xiàn)同一層面前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)材料流動(dòng)具有不對(duì)稱性;鋸齒間距與進(jìn)給速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速的比值相關(guān);塑化后的金屬材料遷移主要發(fā)生在水平層面，在垂直方向金屬并沒有顯著流動(dòng)[2]。在研究6061-T6鋁合金和AZ31鎂合金攪拌摩擦對(duì)接焊時(shí)，將K型熱電偶嵌入距攪拌頭軸線2.5mm、母材上表面1.1mm深的20mm×2mm×2mm的溝槽內(nèi)來(lái)測(cè)量FSW過(guò)程中的溫度。其研究表明：①同樣的工藝參數(shù)下，前進(jìn)側(cè)的溫度要略高于后退側(cè);②同種材料焊接時(shí)的溫度峰值要高于異種材料。

結(jié)語(yǔ)

攪拌摩擦焊在異種金屬材料對(duì)接焊上表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)試驗(yàn)不斷優(yōu)化工藝參數(shù)，可以獲得無(wú)明顯缺陷的對(duì)接接頭，接頭的力學(xué)性能也明顯優(yōu)于傳統(tǒng)熔焊，而且接頭的殘余應(yīng)力水平也較低。目前異種金屬攪拌摩擦焊的工藝參數(shù)主要是依靠前期大量的試驗(yàn)及技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)確定，效率較低。研究人員通過(guò)構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，就能通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行模擬試驗(yàn)。數(shù)值模擬技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)異種金屬攪拌摩擦焊過(guò)程的應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)和材料流場(chǎng)的模擬。同時(shí)數(shù)值模擬技術(shù)還可以用在異種金屬攪拌摩擦焊對(duì)接接頭的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能，裂紋形成和擴(kuò)展機(jī)理，摩擦磨損行為等方面，對(duì)提高接頭質(zhì)量有著巨大的幫助。

參考文獻(xiàn)：

[1]邢麗，柯黎明，黃春平.鋁合金與鋼的攪拌摩擦焊焊縫成形及接頭性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（1）：29.

[2]王斌，朱加祥，周翠，等.5052與6061異種鋁合金攪拌摩擦焊接頭的組織和力學(xué)性能[J].金屬熱處理，2015，40（1）：59.