搅拌摩擦焊接过程的非稳态流场及影响因素(下)

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　　2 　影响洋葱圆环非稳定流场的因素

　　那么这种非稳态流场所形成的洋葱圆环形貌与哪些因素有关呢?为此针对搅拌摩擦焊使用不同的工艺参数进行连接,通过不同的工艺参数来探索其对这种非稳定流场的影响.在不同的工艺参数下对LD2铝合金进行搅拌摩擦连接,由于热输入功率主要与旋转速度和轴肩与工件间的压力有关,选取旋转速度为1 500 r/ min ,焊接速度分别250mm/ min、350 mm/ min、500 mm/ min对应于不同的工艺参数,焊核区的洋葱圆环的形貌也不同,图5给出了焊接参数下洋葱圆环的形貌,可以看出随着焊接速度的增加,洋葱圆环的环状形貌越来越不明显. K. N. Krishnan对搅拌摩擦焊接头“洋葱圆环”进行初步的分析,指出与焊头几何形状及工艺参数有关,由于两者均影响塑性流体的运动,圆环的生成本质取决于塑性流体的运动;圆环的中心比较密,往外围比较稀疏;圆环间隙与焊接工具每一转前进的距离相等[7 ] .当旋转速度超过某一范围时,观察不到洋葱圆环,这可能是因为转速的增加使热输入功率大大增加导致焊核区的流动发生了较大的变化,关于这方面的研究工作国内外正在运用实验法、模拟法等进行深入的研究.

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　　搅拌摩擦连接进行时,搅拌针连续地对材料进行搅拌和挤压,材料经历了极大的变形、应变量和应变率极高,晶粒发生反复的再结晶,满足材料进行塑性流动所需的条件,这种塑性流动形态的连续性与旋转速度有很大的关系,随着旋转速度的提高,金属的流动具有更好的稳定性和连续性,在其他工艺参数不变的情况下,随着焊接速度的增加,热输入减小,动态再结晶驱动力相应变化,导致搅拌针前进方向的金属软化层之间的粘滞作用加强,洋葱圆环的葱头部分发生动态再结晶的驱动力下降较快,使沿着Y方向金属的扩展变得越来越难,金属的流动转移能力下降,洋葱圆环的形貌发生变化,并且环与环之间的间距越来越大.这一点与K.N. Krishnan观察的结果相吻合.

　　由此可以看出焊接速度对洋葱圆环形成过程中的流动场和最终形貌有很大影响,除此之外不同的搅拌针形状对塑性材料的流动场有不同的作用形式,例如螺旋状焊针与圆柱形焊针相比,前者在连接过程中不但有搅拌挤压的作用,而且使材料产生一个向下的螺旋状流动场,这对接头的最终形貌和组织性能具有很大影响,因此焊接工具的形状尺寸影响也是不容忽视的.此外洋葱圆环葱头的形态与搅拌头轴肩尺寸也有密切关系,这种影响主要体现在表面以下1/ 3板厚的区域,因为这个区域的流动场主要受到搅拌头轴肩的搅拌作用.

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　　3 　结论

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　　塑性软化区的金属流动质点由于速度和方向的不断变化流动,呈现出一种涡流状非稳定流场,连接过程中所形成的接头组织呈不对称形态,但是基本上保持了具有梯度特征的接头组织形貌.进行连接时,搅拌头端面附近的塑性流体后方留下的空腔时形成的流场与沿搅拌针方向的流场相互作用,并且这种相互作用沿着厚度方向迅速减弱,使得洋葱状形态(包括葱头到根部)相对中心面发生了偏移,并且这种偏移程度从葱头到根部越来越明显.

　　涡流状非稳定流场的变化决定了接头的洋葱形貌特征,影响涡流状非稳定流场的主要因素是焊接速度和轴肩压入工件的深度(也是轴向压力的一种传递形式) ,焊接工具的形状尺寸影响也是不容忽视的.