搅拌摩擦焊接过程的非稳态流场及影响因素(上)

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　　搅拌摩擦焊是一种新型固相连接工艺,它为铝合金、镁合金等多种熔化焊接性差的轻质高强材料的有效连接提供了一条新的途径.搅拌摩擦焊具有细化的锻造组织、无气孔、裂纹和元素烧损等熔焊缺陷,且焊缝质量高度一致;可适用于多种接头形式;连接工艺简单.已广泛应用于航空航天、船舶、机械、汽车制造等领域.

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　　洋葱圆环是搅拌摩擦焊接头最主要的一个特征,它是在特定的工艺参数下以复杂的流动规律所形成的一种接头形貌.这个区域附近受到热循环和机械的共同作用,经历了高温、大的应变速度和应变,发生了强烈的塑性变形,通过动态再结晶形成了比较致密的微观组织,对材料的焊接性能有很大的影响.因此研究洋葱圆环的形成过程及影响因素对优化焊接工艺、提高焊接质量具有重要意义.

　　1 　洋葱圆环非稳态流场的形成过程

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　　搅拌摩擦焊连接的过程中,塑性软化层的形成过程为轴肩与焊缝接触后两者产生摩擦热,并且热输入呈现出梯度效应,在靠近轴肩的部分区域具有大的应变和高的应变率,在搅拌头的作用下经历了动态再结晶,形成了精细的等轴动态结晶晶粒,晶界为大角晶界. L F2铝合金搅拌摩擦焊接接头的焊核区组织如图1所示,焊接工艺参数为转速n = 1500 r/ min、焊接速度v = 90 mm/ min.同时在焊接区域由于热量的不断输入、搅拌头的机械作用造成了晶界的迁移,晶界间的迁移和塑性流动导致新晶粒呈链状形核和长大,形成的晶粒层在纵向不断扩展,形成了束形的晶粒带,此时塑性金属呈现出类似粘性流动的特征.

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　　洋葱圆环是搅拌摩擦焊接头的一个重要特征,LD30铝合金搅拌摩擦焊接接头所观察到的洋葱圆环形貌如图2所示.在这个区域材料经历了高温剧烈的变形,并且以非稳态流场的形式扩展而成.那么这种非稳态流场是怎样形成的呢?这可以大致从两个阶段去分析,即在搅拌头插入待焊件,并且施加了一定的轴向压力第一阶段为作用下形成的原始流动场,此时搅拌头还未开始沿着焊缝运动;第二阶段为搅拌头在行进过程中填充空腔的金属流动场,与原始流动场相互作用并且产生叠加效应而形成新的非稳定流场.

 

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　　搅拌摩擦焊接头的原始流动场如图3所示.图3 (a)为X- Z面内金属流场的一种近似速度梯度,当X- Y面内还没有进行焊接,或者说搅拌头在开始行进的前期,搅拌头的周围区域的速度梯度,从图3 (b)可以看出不同的塑性软化层间存在速度梯度,轴肩区域的金属流体速度梯度与搅拌头区域的金属流体速度梯度是不同的. Si层附近的晶粒层界面处通过切应力将速度梯度传递到Si + 1层,与此同时搅拌针区域的Sj层金属流体速度梯度也与此类似直到材料底部,但是值得注意的是搅拌头区域产生的金属流体速度梯度与轴肩区域的金属流体速度梯度共同作用形成一个叠加的流场.这种流场在机械搅拌的作用下使晶粒发生了强烈的塑性变形,应变率大于102 ,应变随着距焊缝中心线距离而快速下降,这是因为随着距离的增加机械作用减弱,晶粒之间的相互作用主要离靠晶粒之间的剪切作用,但是这种理想的原始流场是不稳定或者说是暂时的,在Y方向(即焊接方向)进行连接时,前进方向的金属在挤压的作用下将向后移动形成了另外一个非稳定的流场与先期产生的近似理想稳定场相互作用,导致在形成焊接接头的动态再结晶过程中的不均匀现象.即形成了一种涡流状非稳定流场,从得到的洋葱圆环图中可以看出,接头的形貌与这种动态再结晶的不均匀现象密切相关.再结晶演变的形成过程中,虽然位错在其中起着很重要的作用,但是对于试样来说,如此剧烈连续的塑性变形仅从此方面来解释是比较困难的,既然搅拌过程是通过一个旋转的焊针来实现的,不仅通过晶界滑移(和旋转)这种方式,而且通过剧烈的纯剪切过程.

　　由于搅拌头的高速旋转,搅拌针前方的金属也进入了塑性状态,根据阻力最小定理,在搅拌头向前运动过程中,这部分金属会流向后方填充空腔区域,在这部分金属产生的流动速度场作用下,原先建立的流场被破坏,使得X- Y平面的流动速度场发生变化,形成了如图3 (b)所示的流场,从这个流场可以看出填充空腔的这个金属流场对最终形成的非稳态流场有很大的影响.特别是Y- Z面右侧1处的金属流动使得沿搅拌头旋转方向的金属流动受阻, Y- Z面左侧进入空腔的金属对非稳态流场的影响不大,这与洋葱圆环的根部相对于中心面( Y- Z面)有较大的偏移相吻合,此外这种流向空腔的金属对沿搅拌头旋转方向的金属阻碍作用γ,同样发生在搅拌针的根部或者说洋葱圆环的葱头部位,造成了洋葱圆环的葱头部位相对中心面也发生了部分偏移,但是由于流入空腔的金属在沿厚度方向的速度梯度比较大.这种偏移并不是很明显.图4给出了沿厚度方向Z = H、Z = H/ 2处X- Y面的涡状流动形态.在葱头部位是受到热影响和最强烈机械搅动的地方,这部分金属的流动方式是沿着Y轴方向,以螺旋状运动直到连接过程结束.