焊接工艺参数对铝合金摩擦点焊接头成形的影响

摘要

铝合金具有比强度、比模量、断理解韧度、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，是制造航空、航天、汽车、船舶等构件的理想材料之一。目前，铝合金的搭接方法主要有铆接、钎焊和电阻焊。铆接存在制造工艺复杂、水密性差和增加结构的重量等缺点;而钎焊时，工件变形较大，容易产生未焊透、熔蚀等缺陷;电阻焊需要比较大的功率，浪费大量的电能，且电极磨损严重。 本课题研究摩擦点焊工艺参数对ＬＹ12铝合金焊点成型及力学性能的影响。在搅拌针插入深度一定的条件下，分析了搅拌头旋转速度、焊接时间、搅拌针形状及轴户直径对焊点成型及力学性能的影响;并建立了有限元模型，模拟计算点焊过程中接头的温度场分布及搅拌针周围塑化金属的流动形态。 研究结果表明，当搅拌头旋转速度较高或焊接时间较长时，焊点的表面成型较好，表面光滑、无毛刺。在试验所选的参数范围内，随着搅拌头旋转速度和焊接时间的减少，焊点的表面成型逐渐变差，焊核直径逐渐减小，界面变形区宽度呈先减小后增大的趋热，横截面结合长度逐渐增加。接头根据其组织特征可分为塑性区、动态静止层、热影响区、尖端缺口区和母材。塑性区和动态静止层晶粒在热和力的作用下发生动态再结晶成为细小等轴晶，晶粒尺寸远小于母材，热影响区晶粒在摩擦热的作用下长大。接头从塑性区到母材的显微研究分布呈“高－低－较高”的趋势，塑性区的显微硬度较高，但略小于母材，动态静止层的硬度低于塑性区，显微硬度的最小值出现在热影响区。接头的剪切强度随搅拌头旋转速度和轴肩直径的增加而增大，随焊接时间的增加先增大后减小;搅拌针形状不同，焊接时塑化金属的受力状态不同，导致接头剪切强度不同，搅拌针为带左旋螺纹的圆柱形时的接头剪切强度最大，搅拌针为不带螺纹的圆台形时的接头剪切强度最小。当搅拌针为带左螺纹的圆柱形、轴肩直径为16mm、搅拌头旋转速度为2500rpm、焊接时间为12s时，接头的剪切强度达到最大值，为9.24ＫＮ/点。带剪切区断裂和不带剪切区断裂为点焊接头典型的断裂方式。接头热输入量较多时，为带剪切区断裂，剪切强度较高;接头热输入量较少时，为不带剪切区断裂，剪切强度较低。 塑化金属流动形态表明，在焊点的上部，塑化金属主要受轴肩的作用，在轴肩摩擦力和材料之间的剪切力下沿搅拌针旋转的方向运动，随着距焊点表面距离的增大，塑性金属沿搅拌针旋转方向的运动趋势逐渐减小。搅拌针周围的塑化金属在搅拌针螺纹的摩擦力及挤压力作用下，以螺旋状向焊点下部运动，运动到焊点底部后受底板的阻碍和未塑化金属的挤压作用向上和向外运动，到焊点上部又受轴肩的作用向下流动。 数值模拟结果表明，搅拌针周围塑化金属的温度最高，基本沿搅拌针轴向对称，接头的温度从搅拌针到母材沿径向逐渐降低，从焊点的上部到底部温度较高的区域不断减小。轴肩内塑化金属的流动方向与搅拌头的旋转方向相同，靠近搅拌针塑化金属的运动速度最大，从搅拌针到轴肩边缘，塑化金属的运动速度逐渐减小，焊点上部搅拌针附近的塑化金属沿搅拌针表面从上向下运动，运动到焊点底部后受到垫板的阻碍作用向上运动，与试验观察、分析的结果基本吻合。