6061-T4鋁合金攪拌摩擦焊焊接熱循環(huán)特性分析

徐鳳林 ，付寧寧 ，吉 華 ，汪 虎 ，張 騰

（1.南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司，江蘇南京210031；2.上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245；3.航天工程裝備（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215100；4.核工業(yè)西南物理研究院，四川 成都610041）

0 前言

6061鋁合金廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通車(chē)輛、艦船等大型運(yùn)載工具的裝備制造之中。攪拌摩擦焊接（FSW）作為新型綠色、高效固相焊接方法之一，能有效克服鋁合金熔化焊過(guò)程中易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋傾向性大、焊接應(yīng)力與變形較大等缺點(diǎn)，該技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于輕合金的生產(chǎn)制造之中。

焊接熱循環(huán)研究的主要指標(biāo)有五個(gè)：焊接起始溫度、焊接溫度上升速率、峰值溫度、高溫停留時(shí)間、下降速率。焊接熱循環(huán)特性中包含了焊接過(guò)程中不均勻溫度場(chǎng)的變化和材料在受熱狀態(tài)下組織及性能的變化等焊接過(guò)程的主要信息。對(duì)焊接接頭顯微組織演化機(jī)制的理解和分析攪拌摩擦的主要焊接熱循環(huán)參數(shù)信息，對(duì)推理攪拌焊焊接機(jī)理動(dòng)態(tài)演變的全過(guò)程、提高焊接接頭的質(zhì)量具有重要的意義。Tang等人[1]采用數(shù)值模擬等方法來(lái)研究6061鋁合金FSW焊接過(guò)程中的熱傳導(dǎo)和熱循環(huán)等焊接特性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度最高的區(qū)域?yàn)楸粩嚢韫ぷ髯饔玫暮负酥行膮^(qū)，焊接溫度峰值小于母材熔點(diǎn)的80%。王希靖等人[2]采用自制攪拌摩擦焊焊溫度場(chǎng)信息參數(shù)采集系統(tǒng)，獲得了鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭中主要位置采集點(diǎn)的溫度變化過(guò)程，獲取了焊縫峰值溫度，溫度變化特征等焊接熱循環(huán)特性的主要參數(shù)，此外通過(guò)該試驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了攪拌摩擦焊過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生金屬材料熔化的現(xiàn)象，獲得了焊接溫度分布的基本規(guī)律。

6061-T4鋁合金FSW焊接熱循環(huán)主要參數(shù)通過(guò)實(shí)測(cè)試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法進(jìn)行相互驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合鋁合金二元相圖圖譜分析焊接熱循環(huán)對(duì)FSW焊接接頭組織的影響，進(jìn)一步探討6061鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的時(shí)間、溫度和硬度之間的關(guān)系，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練建立時(shí)間-溫度-硬度曲線（TTP曲線）。

1 試驗(yàn)材料和設(shè)備

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為6061鋁合金，T4狀態(tài)（固溶處理+自然時(shí)效），能譜分析結(jié)果如表1所示。

表1 6061-T4鋁合金成分（實(shí)測(cè)） %

1.2 焊接設(shè)備和參數(shù)

采用自主研制的攪拌摩擦焊設(shè)備進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。攪拌工具基本尺寸為：軸肩24 mm，攪拌針長(zhǎng)5.6~5.8 mm，攪拌針端部直徑5 mm。在焊接過(guò)程中，設(shè)定設(shè)備主軸旋轉(zhuǎn)速度1200r/min，焊接速度200mm/min，實(shí)際焊接參數(shù)可通過(guò)倍率實(shí)施調(diào)節(jié)。

1.3 熱循環(huán)參數(shù)測(cè)試

熱循環(huán)測(cè)量點(diǎn)如圖1所示，試驗(yàn)設(shè)備采用自制的八通道熱循環(huán)采集箱，如圖2所示。熱電偶采用銅模包裹，并加入電源濾波器，有效防止設(shè)備電機(jī)的中頻干擾。

圖1 6061鋁合金熱電偶布點(diǎn)

圖2 熱電偶抗干擾措施和放大電路板

圖3 幾何模型及網(wǎng)格劃分

2 有限元計(jì)算參數(shù)

2.1 單元類(lèi)型和材料屬性

采用ANSYS分析軟件自帶單元庫(kù)中的SOLID70熱分析單元進(jìn)行計(jì)算。采用JMatpro軟件對(duì)6系鋁合金材料的熱物性和熱力學(xué)常數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果如表2所示。

表2 6061-T4鋁合金的主要熱物理參數(shù)

2.2 熱源模型

對(duì)攪拌摩擦焊的熱源模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，攪拌摩擦熱量可以歸結(jié)為兩部分組成：一類(lèi)是攪拌軸肩與母材的摩擦熱，該熱量占了整個(gè)摩擦熱的80%；另一類(lèi)熱量是攪拌針與母材的摩擦，這部分熱量占整個(gè)摩擦熱量的少部分。根據(jù)文獻(xiàn)[3]可計(jì)算得出軸肩面的實(shí)際熱流密度為1.26×107J/（m2·s），攪拌針圓錐柱面產(chǎn)熱為3.2×106J/（m2·s）。

2.3 幾何模型、邊界條件和求解條件

幾何模型如圖3所示。在實(shí)際焊接時(shí)，采用琴鍵式壓板熱傳導(dǎo)用強(qiáng)制對(duì)流來(lái)進(jìn)行模擬。模擬時(shí)設(shè)置環(huán)境溫度為20°，焊接步長(zhǎng)0.2 s，冷卻步長(zhǎng)2 s。設(shè)置輸出選項(xiàng)為每一步最后一子步的節(jié)點(diǎn)溫度，采用Full-Raphson求解，再計(jì)算更新總體剛度矩陣。

3 試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果

圖4為圖1中攪拌摩擦焊焊接過(guò)程中，熱電偶測(cè)點(diǎn)處溫度變化曲線。由圖4可知，整個(gè)焊接面上，測(cè)點(diǎn)所測(cè)得的溫度先上升，當(dāng)達(dá)到峰值溫度后再緩慢下降，溫度場(chǎng)的分布與熔焊溫度分布趨勢(shì)類(lèi)似。由圖4還可知，4#測(cè)量點(diǎn)峰值溫度約為180℃，5#測(cè)量點(diǎn)峰值溫度約為160℃。前進(jìn)側(cè)溫度與后退側(cè)溫度分布不對(duì)稱(chēng)，前進(jìn)側(cè)峰值溫度比后退側(cè)略高20℃，這主要與FSW過(guò)程中材料的流動(dòng)特性有關(guān)系。

圖4 溫度場(chǎng)測(cè)量結(jié)果

在FSW過(guò)程中，前進(jìn)側(cè)材料流動(dòng)的阻力主要來(lái)自于焊接前方溫度較低的未焊金屬，同時(shí)該側(cè)攪拌工具的旋轉(zhuǎn)方向與前進(jìn)方向相同，材料所受的摩擦阻力更大，產(chǎn)生的熱量較多；在攪拌工具的作用下，材料從前進(jìn)側(cè)轉(zhuǎn)移到后退側(cè)，溫度較高的材料向溫度較低的材料轉(zhuǎn)移時(shí)移動(dòng)阻力較大，而且焊接前進(jìn)方向與攪拌工具旋轉(zhuǎn)切向方向相反，材料所受的摩擦阻力和抵抗前進(jìn)的阻力相對(duì)于前進(jìn)側(cè)較小，摩擦熱量相對(duì)較小，因而溫度相對(duì)較低。這主要與焊縫材料的流動(dòng)阻力和塑形變形功有關(guān)[4-5]。

攪拌摩擦焊焊接溫度場(chǎng)有限元計(jì)算云圖如圖5所示。由圖5可知，焊核區(qū)溫度最高，母材溫度最低，溫度從焊核區(qū)往外呈由高到低的趨勢(shì)，這與測(cè)量結(jié)果基本吻合。圖6為圖1中4#和6#測(cè)試點(diǎn)焊接熱循環(huán)曲線與數(shù)值模擬結(jié)果曲線對(duì)比圖。由圖6可知，測(cè)試結(jié)果和模擬結(jié)果溫度變化趨勢(shì)基本吻合，但數(shù)值大小略有不同。通過(guò)計(jì)算也可以發(fā)現(xiàn)，前進(jìn)側(cè)溫度稍高于后退側(cè)溫度，這與測(cè)量結(jié)果基本吻合。

圖5 t=50 s時(shí)上表面溫度場(chǎng)云圖

4 FSW組織和TTP曲線分析

利用焊接熱循環(huán)測(cè)試所獲得的相關(guān)參數(shù)，并結(jié)合文獻(xiàn)[6]編制Al-Mg合金二元相圖與焊接接頭組織關(guān)系圖譜，如圖7所示。溫度在400℃以上的區(qū)域?yàn)楹负酥行膮^(qū)，焊核區(qū)的晶粒一般呈細(xì)小的等軸晶，微觀組織結(jié)構(gòu)均勻，晶粒的方向性不明顯。強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用和軸肩連續(xù)擠壓頂鍛作用使得該區(qū)域的金屬材料處于較高的應(yīng)變速率狀態(tài)下，呈現(xiàn)較細(xì)的等軸狀晶。位于前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）的晶粒由于靠近焊核區(qū)，既受到強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，還承受焊接熱循環(huán)的熱作用，在熱/機(jī)雙重作用條件下，部分晶粒發(fā)生形變，沿著焊接方向呈長(zhǎng)粒狀，受到熱循環(huán)的作用的晶粒尺寸明顯大于焊核區(qū)的。FSW熱影響區(qū)（HAZ）晶粒由于只受到熱循環(huán)的作用，且峰值溫度沒(méi)有焊核區(qū)高，該區(qū)溫度為310℃～380℃，晶粒相對(duì)粗化。

參照文獻(xiàn)[7-8]，并結(jié)合熱循環(huán)曲線，建立的TTP關(guān)系曲線如圖8所示。由圖8可知，6061鋁合金在溫度為300℃～450℃時(shí)，接頭硬度下降的時(shí)間最短，表明在該溫度范圍內(nèi)處于軟化的時(shí)間最短。當(dāng)焊縫溫度在360℃時(shí)，材料的硬度值下降速率最大（約2 s），硬度值下降最明顯（約降30%）。當(dāng)焊接溫度在200℃以下或者高于450℃時(shí)，硬度值下降緩慢，約15 min后下降幅度為30%。攪拌焊縫區(qū)域在只受攪拌頭熱循環(huán)作用的情況下，接頭的薄弱區(qū)域是經(jīng)受300℃～450℃焊接熱循環(huán)作用的區(qū)域。

圖6 不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

圖7 Al-Mg二元合金相圖與FSW焊接接頭關(guān)系示意

圖8 6061鋁合金焊接溫度-時(shí)間-硬度曲線（TTP曲線）

有限元計(jì)算結(jié)果表明，熱機(jī)影響區(qū)（TMAZ）停留在350℃以上的時(shí)間較長(zhǎng)，該區(qū)域經(jīng)歷的溫度區(qū)域最敏感，焊接孕育區(qū)最短，接頭組織相變驅(qū)動(dòng)力和擴(kuò)散速率較大，Al-Mg合金接頭中的Mg2Si強(qiáng)化相在熱的作用下長(zhǎng)大傾向嚴(yán)重，同時(shí)，長(zhǎng)大的第二相與接頭焊接區(qū)界面形成半共格或完全非共格的界面，使得焊縫的硬度下降。

由FSW熱循環(huán)特性分析可知，焊核區(qū)溫度為400℃~460℃，處于熱不敏感區(qū)，由于攪拌工具的機(jī)械攪拌作用，能夠有效抑制第二相粒子的增長(zhǎng)，力學(xué)性能下降幅度較小。

5 結(jié)論

（1）熱循環(huán)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，焊核區(qū)溫度最高，溫度隨離焊核區(qū)距離的增大而逐漸降低，前進(jìn)側(cè)溫度高于后退側(cè)；FSW焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)基本吻合，但數(shù)值有一定的差異。

（2）攪拌工具軸肩摩擦區(qū)域峰值溫度約450℃，接近6061鋁合金的再結(jié)晶溫度，而焊核區(qū)下表面的最高溫度約400℃，熱機(jī)影響區(qū)的最高溫度為300℃～360℃，熱影響區(qū)的最高溫度為250℃～300℃，熱機(jī)影響區(qū)和熱影響區(qū)的溫度峰值均低于再結(jié)晶溫度。溫度梯度較大的區(qū)域?yàn)楹负酥行膮^(qū)，而遠(yuǎn)離焊核中心區(qū)域的溫度梯度相對(duì)較小。

（3）TTP曲線表明，F(xiàn)SW中TMAZ區(qū)處于溫度最敏感區(qū)，焊縫孕育區(qū)最小，第二相粒子長(zhǎng)大嚴(yán)重，該區(qū)綜合性能最差。

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