轉速對異種材料攪拌摩擦焊界面微孔缺陷尺寸變化規律的影響

孫權　趙海山　倪冬

摘 要：近年來，國內外對異種金屬攪拌摩擦焊的研究現狀進行了總結。重點對異種材料攪拌摩擦的特點、應用及其組織演化特征進行歸納和分析。該文建立了異種材料攪拌摩擦焊界面缺陷演化模型，通過有限元模擬攪拌針不同轉速下異種材料攪拌摩擦焊界面微孔缺陷演化過程，闡述了轉速對異種材料攪拌摩擦焊界面微孔缺陷尺寸變化規律，特別是以2024與7050鋁合金模擬異種材料攪拌摩擦焊過程中界面微孔缺陷的演化過程以及尺寸變化規律。

關鍵詞：轉速 異種材料攪拌摩擦焊 微孔缺陷 規律

中圖分類號：TG453 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（a）-0101-02

文章以2024與7050鋁合金模擬異種材料攪拌摩擦焊過程中界面微孔缺陷的演化過程以及尺寸變化規律。用預制缺陷的方法建立攪拌摩擦焊界面缺陷演化模型。異種材料攪拌摩擦焊缺陷演化模型與同種材料攪拌摩擦焊模型相同，將微孔缺陷上半部分材料參數設為7050鋁合金，而下半部分設為2024鋁合金，整個模型尺寸為120μm×80μm，缺陷的尺寸為10μm ×2μm。模型總體單元數12 382，總節點為6 368，初始模型如圖1所示。

異種材料攪拌摩擦焊界面微孔缺陷的演化模擬中分別施加以下初始條件以及邊界條件。首先在模型下端施加零位移邊界條件保持模型的穩定；其次在模型頂端施加不同的剪切力作用。溫度初始條件由以下方法產生：在缺陷部位界面處施加相同的溫度邊界條件，通過兩種材料各自的熱傳導作用達到穩態平衡，然后模擬缺陷在相同溫度和壓力條件下微孔缺陷的演化過程以及尺寸變化。

在攪拌摩擦焊過程中，攪拌針的高速轉動既可以與被焊材料間產生摩擦生熱，也促使高溫塑性材料發生塑性變形和流動，對攪拌摩擦焊焊縫的形成至關重要。攪拌針與材料間的摩擦施加于材料上的剪切作用力促使材料的變形，轉速越高材料的變形速率越大，而材料變形速率越大其屈服強度也越高，換而言之，轉速越高即施加于材料上的剪切力也越大。因此，可以用施加剪切力的方法模擬轉速對界面微孔缺陷彌合過程的影響，其大小可依據不同變形速率下材料的屈服強度而定。

微孔缺陷在焊接壓力以及界面剪切力的作用下不斷發生塑性變形以及尺寸的變化，最終在0.234 s時達到彌合狀態。剪切力對微孔缺陷的作用主要是促進材料的剪切變形，特別是微孔缺陷處使缺陷上、下兩部分發生相對的剪切變形，使缺陷形狀由橢圓形向扁平狀缺陷轉變。當改變剪切力大小時缺陷的彌合狀態如圖2所示。

模擬結果顯示，當剪切力增加時微孔缺陷的彌合時間不短縮短，表明剪切力可以促進微孔缺陷的彌合。與2024鋁合金同種材料微孔缺陷的彌合相比，7050鋁合金與2024鋁合金異種材料攪拌摩擦焊界面微孔缺陷的彌合特點在于變形不均勻，彌合時間不同。由于異種材料攪拌摩擦焊接頭溫度分布不均、材料性質差異等因素導致兩種材料的變形能力不同，因此7050鋁合金變形相對較大；此外，相對于同種材料條件下微孔缺陷的彌合，上述兩種材料界面微孔缺陷彌合時間相對較短。微孔缺陷尺寸以及彌合系數隨焊接時間的變化規律如圖3所示。

界面微孔缺陷尺寸隨著焊接時間的增加逐漸下降，隨著剪切力的增加，微孔缺陷尺寸變化更快，在更短的時間內達到彌合狀態，其彌合時間從40 MPa時的0.234s減小到60 MPa時的0.144 s。微孔缺陷的彌合系數隨著焊接時間的增加而增加，當增加剪切力時，微孔缺陷的彌合系數增加。通過計算可得微孔缺陷彌合對剪切力的敏感系數為0.84～0.87。（見圖3）

此外，在攪拌摩擦焊中還有焊接速度等工藝參數對攪拌摩擦焊的焊接質量也起到一定的作用，焊接速度越高，焊接線能量越小，不利于材料的塑性變形以及塑性流動，而過低的焊接速度將導致材料過熱等現象，焊接速度的影響其實是影響到熱輸入，即材料變形的溫度。此外，在焊接過程中，攪拌針前進側以及后退測材料的變形不同，這是由于兩種情況下材料與攪拌針之間的相對速度不同引起的，前進側的相對速度小于后退側的相對速度，因此施加于材料的剪切作用必然不同，由于焊接速度與攪拌針的轉動速度相比可以忽略，因此前進側與后退側主要差別還是溫度的差別，從而可以利用材料溫度的不同模擬前進側與后退側微孔缺陷的彌合過程。

參考文獻

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