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FSW焊接的温度分布和焊缝金属组织

2022-07-29 09:58:16

 
    搅拌摩擦焊时,由机械旋转的搅拌头与被焊金属摩擦产生的热能传输给被焊金属,焊缝金属在搅拌力的驱动下产生塑性流动。焊缝组织受到强塑性流动的影响,导致焊缝结晶的微细化,也许局部伴有粗大化。搅拌摩擦焊接头组织和其温度分布密切相关,因此必须要注意搅拌指棒的形状,对焊缝热循环的影响。
 
(一)焊缝区的温度分布
 
    搅拌摩擦焊的温度分布的测定是不容易的。因为,在采用热电偶测量焊接接头温度分布时,焊缝中金属的强塑性流动,使得热电偶端头易产生损坏。目前多是在焊缝区附近或热影响区进行测量。
 
    搅拌指棒的温度是一个很重要的问题,至今还没有实测数据。因为搅拌指棒要在焊缝金属内旋转,测量十分困难。有人在被焊金属固定的情况下,将旋转的搅拌指棒压入到板厚为12.7mm的6061-T6铝中,测量距搅拌指棒的端部0.2mm处的温度,并根据这个温度,用计算机仿真的方法仿真出搅拌指棒外围的温度。
 
    根据搅拌指棒压入的速度可以推定,约24秒搅拌指棒全部压入到被焊金属中。


 
(二)仿真计算结果
 
    由于焊缝内搅拌区的温度是很难测量的,因而有人在研究残余应力分布时,用仿真的方法计算出其温度。
 
    焊接速度对温度分布有相当大的影响。对于FSW焊接来说,由于热源在固体中移动,在焊缝中心部最高温度的上限不会超过母材的固相线温度。
 
    在低速焊接和高速焊接下,虽然焊缝的最高温度温差并不大,但在实际搅拌摩擦焊时高速焊接是困难的,因为母材热输入低,焊缝金属塑性流动性不好,易造成搅拌头破损。最佳焊接规范的制定,是以在适当的摩擦热的作用下焊缝金属发生良好的塑性流动为依据。
 
(三)焊接时的热量计测
 
    日本有人对板厚为4mm的6N01铝合金的搅拌摩擦焊过程中的热量进行了测量。其方法是把在焊接过程中产生的热用水吸收,用温度计测量水温来进行测量搅拌摩擦焊过程中的热量,测量中不考虑焊缝背面垫块等的热损失。
 
    在搅拌摩擦焊焊接时,分别测量搅拌指棒和肩部的温度,然后由测得的温度循环换算为热量。也可以采取简单的方法计算,即在最高温度下组织变化的截面积与比热容、密度相乘。
 
    搅拌指棒形状以及肩部直径对总的热输入量也有很大的影响,搅拌头的搅拌指棒及肩部直径越大,使总的热输入量变大。这样的趋势在焊接6000系及2000系铝合金时是一样的。
 
    最近,带有螺纹的搅拌指棒已经用于生产,这种搅拌指棒对产热的影响特别明显。
 
(四)焊缝区的组织
 
    搅拌摩擦焊焊缝由于是在摩擦热和搅拌指棒的强烈搅拌共同作用下形成的,焊缝金属组织与其它焊接方法的焊缝相比有很多特点。
 
    搅拌摩擦焊焊缝的宏观断面经腐蚀后进行观察,其断面形状可分为2种,一种断面形状为圆柱状;另一种为熔核状(焊点)。大多数FSW焊接焊缝为圆柱状或它的变形的绕杯状;而焊点状的断面多发生于高强度和轧制加工性不好的如7075A、5083铝合金合金的搅拌摩擦焊焊缝中。
 
    对于FSW来说,由于对焊缝给予摩擦热加之旋转搅拌,产生强烈的塑性流动,其焊缝为非熔化状态,所以归类为固相焊接。但Bjorneklett等研究发现,在搅拌头的肩部正下方温度高,对于7030铝合金搅拌摩檫焊来说,焊缝为固液共存状态。由于搅拌头肩部正下方焊缝金属的温升为330oC/s,造成局部熔化现象也是可能的。