建立经验关系来预测搅拌摩擦焊 AA2219 铝合金的拉伸强度

从容面对

文 |纪兮风
编辑 |纪兮风
AA2219铝合金在制造需要高强度重量比和良好耐腐蚀性的轻质结构方面已获得广泛接受。搅拌摩擦焊工艺是一种新兴的固态连接工艺，其中被焊接的材料不会熔化并重新铸造。该过程使用非消耗性工具在邻接表面中产生摩擦热。

工具转速、焊接速度、轴向力等焊接参数以及工具销轮廓在决定接头强度方面起着主要作用。尝试建立 FSW 变量之间的经验关系来预测搅拌摩擦焊 AA2219 铝合金的拉伸强度。
为了获得所需的强度，完全控制相关工艺参数，以最大限度地提高焊件质量所依赖的抗拉强度。选择和控制焊接工艺参数对于获得最大强度非常重要。为了实现这一目标，可以使用各种预测方法。
响应面法、方差分析、学生法t检验、确定系数等可用于通过开发数学模型来定义所需的输出变量，以指定输出参数和输入变量之间的关系。采用四个因素、五个水平的中心组合设计来最大限度地减少实验条件的数量。

所开发的数学关系可以有效地用于预测 AA2219 铝合金 FSW 接头在 95% 置信水平下的拉伸强度。铝合金 2219 是由铝业公司开发的一种可热处理变形合金，适用于温度高达 315 °C 的应用。
AA2219 基本上是 Al-Cu-Mn 三元合金，添加了少量 Ti、V 和 Zr。它是应用最广泛、最成功的低温铝合金，并用于各种运载火箭。它在低温下具有良好的强度和韧性，再加上出色的可焊性，使该合金成为制造低温储罐的明显选择。
AA2219在可焊性方面比同类产品具有优势，但其焊接接头强度也较差。与T87状态下的母材强度相比，接头强度仅为40%左右。无论是自生焊缝还是使用匹配填料 2319 进行的焊接都是如此，后者含有稍高的 Ti 和 Zr 含量。

与许多常规用于连接结构合金的熔焊工艺相比，搅拌摩擦焊是一种新兴的固态连接工艺，其中被焊接的材料不会熔化和重铸。搅拌摩擦焊于 1991 年由英国焊接研究所发明。
搅拌摩擦焊是一种连续、热剪切、自生工艺，涉及由比基材更硬的材料制成的非消耗性旋转工具。各种铝合金，甚至是那些以前被认为不可焊接的铝合金，都可以实现具有良好机械性能的无缺陷焊缝。
当合金进行搅拌摩擦焊接时，焊缝冷却过程中发生的相变是固态类型。由于无需母材熔化，新的 FSW 工艺相比熔焊具有多种优势。无缺陷搅拌摩擦加工区域的形成受到旋转非消耗工具作用下材料流动行为的影响。

材料流动行为主要受 FSW 工具轮廓、FSW 工具尺寸和 FSW 工艺参数的影响。大多数已发表的论文都关注 FSW 参数和工具轮廓对拉伸性能和微观结构形成的影响。
搅拌摩擦焊AA2219-T87的接头效率相当低，但比熔焊和高能束焊工艺实现的效率相对较高。一些研究人员在 AA2219-O 条件下而非 T-87 条件下实现了更高的联合效率。
流动模式影响 FSW 工艺中焊缝的固结，但本研究更多地关注静态与动态体积比以及相应的拉伸性能，以形成有效的接头。尝试使用实验设计、方差分析 ANOVA等统计工具，建立一种经验关系来预测结合 FSW 参数的搅拌摩擦焊 AA2219 铝合金的拉伸强度。

将6毫米厚的AA2219铝合金轧制板通过动力钢锯切割和铣削切割成所需尺寸。准备方形对接接头配置来制造 FSW 接头。初始接头配置是通过使用机械夹具将板固定到位而获得的。
焊接方向垂直于轧制方向。按照单道焊接程序来制造接头。使用由高碳钢制成的非消耗性工具来制造接头。母材的化学成分和力学性能见使用自行设计和开发的机器来制造接头。
五种不同的刀销轮廓，准备并用于制造接头。确定了对搅拌摩擦焊铝合金的拉伸强度有较大影响的主导因素工具销轮廓，工具旋转速度 ，焊接速度，以及轴向向下力。

进行了试验以确定上述因素的工作范围。选择参数的可行限制时，应确保搅拌摩擦焊接头不存在任何可见的外部缺陷。影响 AA2219 铝合金 FSW 接头拉伸性能的重要因素及其工作范围由于影响因素较多，决定采用四因素、五水平、中心组合设计矩阵来规定所需的实验条件数量。
显示了用于形成设计矩阵的 31 组编码条件，从全因子实验设计矩阵。中间级别的所有变量构成中心点，而最低−2或最高+2的每个过程变量与中间级别的其他三个变量的组合构成星点。

31 个实验条件允许估计变量对 FSW 接头拉伸强度的线性、二次和双向交互影响。设计这种矩阵的方法在别处讨论。由于焊接过程的性质和噪声变化，用非线性二次模型来表示过程特性是典型且合理的。
研究人员还证明，有效利用实验技术的统计设计可以开发经验方法，将科学方法纳入焊接程序无论用于制造接头的工具旋转速度如何，所有接头的屈服强度和拉伸强度均低于基材的屈服强度和拉伸强度。
在用于制造 AA2219 接头的五种工具旋转速度中，以 1600 RPM 的旋转速度制造的接头产生了优异的拉伸性能。揭示了工具转速对搅拌摩擦焊 AA2219 铝合金拉伸强度的影响。在较低转速下，FSW 接头的拉伸强度较低。

当转速从1400 RPM开始增加时，拉伸强度也相应增加，并在1600 RPM时达到最大值。如果转速增加到 1600 RPM 以上，接头的拉伸强度就会下降。无论工具销的轮廓如何，这种趋势在所有接头中都很常见。
接头的拉伸性能和断裂位置在很大程度上取决于转速和其他参数。当接头与FSP区域中的针孔、隧道和裂纹等缺陷相关时，接头在缺陷区域失效，如果接头没有缺陷，则失效位置转移到最低硬度区域。
宏观结构观察表明，在较低转速下制造的接头在 FSP 区域包含针孔或隧道等缺陷，并导致拉伸性能较低。在较高转速下制造的接头包含大尺寸缺陷，并且看起来像隧道。

随着转速增加，接头单位长度的热量输入增加，由于温度升高导致拉伸性能较差，从而增加晶粒生长。还观察到湍流的显着增加，这破坏了低速下可用的常规流动行为。较高的转速会导致搅拌材料过度释放到上表面，在焊接区留下空隙。
断口表面观察证实，材料的凹槽或不充分固结是可见的，对应于宏观结构中存在的隧道或针孔。另一方面，焊缝区的面积随着工具转速的降低而减小，并影响焊缝区的温度分布。
这种较低的热输入条件导致缺乏搅拌并产生较低的接头强度。当接头与FSP区域中的针孔、隧道和裂纹等缺陷相关时，接头在缺陷区域失效。如果接头没有缺陷，则失效位置转移到最低硬度区域。

宏观组织观察表明，以较低焊接速度制造的接头在 FSP 区域含有针孔或裂纹等缺陷，导致拉伸性能较低。另一方面以较高焊接速度制造的接头包含大尺寸缺陷，并且看起来像隧道。
一般来说，较高焊接速度下的 FSW 会导致焊接区域暴露时间短、热量不足、金属塑性流动差，并导致接头中出现一些空洞，例如缺陷。这些空隙似乎是由于当工具以较高焊接速度行进时金属界面固结不良而形成的。
材料中塑性和扩散速率的降低可能导致界面变弱。焊接速度对铝合金型材 FSW 流水化生产的生产率有很大影响。焊接速度显着提高，焊接质量高，接头性能优异。较高焊接速度的软化区域比较低焊接速度的软化区域更窄。

焊接后铝合金的抗拉强度与焊接速度成正比关系。较高的焊接速度与较低的热输入相关，导致焊接接头的冷却速度更快。这可以显着降低焊接过程中发生的冶金转变的程度例如溶解、再沉淀和沉淀物粗化，降低焊接区各个区域的局部强度。
当焊接速度低于某个临界值时，FSW 可以产生无缺陷的接头。当焊接速度快于临界值时，接头处就会产生焊接缺陷。这些缺陷在拉伸试验过程中充当裂纹萌生点，接头的拉伸性能和断裂位置由焊接速度决定。
随着焊接速度的逐渐增大，接头断裂位置逐渐从接头前进侧向后退侧变化。他们进一步认为，当焊接速度增加时，极限拉伸强度会显着降低。较高焊接速度的软化区域比较低焊接速度的软化区域更窄揭示了轴向力对搅拌摩擦焊AA6061铝合金拉伸强度的影响。

结果与讨论在较低的轴向力下，FSW 接头的拉伸强度较低。当轴向力从8 KN开始增加时，抗拉强度也相应增加，并在12 KN时达到最大值。如果轴向力进一步增加到12 KN以上，接头的抗拉强度会下降。
无论工具销的轮廓如何，这种趋势在所有接头中都很常见。介绍的宏观结构观察表明，AA2219 在较低轴向力 10 KN 下制造的接头在接头前进侧存在隧道缺陷，导致抗拉强度较差。
另一方面，AA2219 采用 14 KN 的较高轴向力制成的接头显示出良好的焊缝固结，但焊缝的后退侧和前进侧都有过多的剪切唇，这也产生了较差的拉伸性能。在 FSW 过程中，连接是通过工具和板材之间的摩擦加热、塑化、混合以及旋转销肩工具的挤压作用来实现的，该旋转销肩工具在被连接的两个零件之间移动。

与线性焊缝相关的负载特性集中于工具施加的力，尤其是直接影响工具销插入工件的深度的肩部力。工具在静态条件下长时间旋转会产生大量的热量输入，并使材料变得非常热并具有塑性。
直接决定刀销插入工件表面深度的肩部力在插入过程中变化很大。搅拌动作完全消除了接缝线的任何残留物。有两种效应导致焊接区域中材料流的产生。是挤压工艺，所施加的力和工具销的运动在材料发生塑性变形后推动材料。
第二个是由于销的旋转作为流动的驱动力。FSW 期间的热输入和温度分布是由于旋转工具肩部和待焊接板表面之间产生的摩擦热而产生的，取决于摩擦系数。除了刀具和板材材料的特性外，轴向力也决定了摩擦系数。

轴向力在搅拌摩擦焊过程中起着重要作用。材料混合和相互扩散的程度、变形铝片的厚度、材料流动模式很大程度上取决于焊接温度、流动应力和轴向力。
FSW工艺的重要要求之一是使塑化良好的材料在工具肩部区域保持合适的温度。由于沿着接合线的过量轴向力而导致较高的静水压力，会导致焊缝的前进侧和后退侧产生大量飞边。
这种飞边的形成很可能是由于较高的旋转速度、较低的焊接速度和较高的向下力引起的过多的热量输入造成的。由于金属过度软化，大量的闪光被喷射到外部。这种形成是由于工具后退侧周围焊缝金属传输不充分的结果。

当销钉和相关的附着材料的塞子前进穿过板时，如果扫过的体积围绕后退侧输送，然后多余的部分将从焊接区域排出，因为闪光会导致拉伸性能较差。焊缝固结良好，FSP 区域无缺陷，但剪切唇的形成导致焊缝区域金属过度变薄。
拉伸性能较差非消耗性旋转工具销的主要功能是搅拌塑化金属并在其后面移动以实现良好的接合。销钉轮廓在材料流动中起着至关重要的作用，进而调节 FSW 工艺的焊接速度。
搅拌摩擦焊的特点是具有明确的焊核和流动轮廓，形状几乎呈球形，这些轮廓取决于工具设计以及所使用的焊接参数和工艺条件。确定了FSW中工具销的作用，工具销在工具平移过程中将材料剪切到其背面，插入的旋转销使接合线两侧的材料达到塑性状态，借助肩部的摩擦热输入。

显示了工具销轮廓对搅拌摩擦焊AA2219铝合金拉伸强度的影响。在五个接头中，无论焊接参数如何，使用方销异型工具制造的接头都表现出最高的拉伸强度。
除了方形销钉轮廓之外，三角形销钉轮廓工具显示出与方形销钉几乎匹配的拉伸性能，其次是螺纹销钉、锥形销钉和 ST 销钉。具有方形、三角形等平面的工具销具有更好的性能的原因如下。
结论具有非圆形轮廓的工具将允许塑化材料绕过探头。具有平面的销轮廓与偏心率有关。旋转物体的这种偏心率与动态轨道有关。每种类型的旋转机械都因偏心而与动态轨道相关。这种偏心率或多或少一定是 FSW 工艺特性的一部分。

偏心使得液压机械不可压缩的塑化材料更容易在探头周围流动。由此可见，中心或非圆形探针的标称偏差也将允许塑化材料绕过探针。静态体积和扫掠体积之间的关系决定了塑化材料从旋转工具的前缘到后缘的流动路径。
对于 ST，该比率等于 1；对于锥形圆柱销，该比率等于 1.09；对于螺纹圆柱销，该比率等于 1.01；对于方形销钉轮廓，该比率等于 1.56；对于三角形销钉轮廓，该比率等于 2.3。
三角形和方形销钉轮廓在物料流中产生脉动搅拌作用。方形引脚轮廓在 1600 RPM 的速度下产生 104 个脉冲/秒，三角形引脚轮廓产生 78 个脉冲。方形和三角形销的凸角的偏心有助于金属氧化物的破碎，产生优异的拉伸性能。

三角形销的扫掠体积比高于方形销轮廓，但方形销轮廓更好的拉伸性能是由于给定速度下脉冲数秒增加。
1.Balasubramanian V ，《销轴轮廓和工具转速对 AA6061 铝合金搅拌摩擦加工区形成的影响》J. Mater制造出版社，2008年。
2.Johnson R.，《工程师的概率与统计》，印度新德里出版社，1999年。
3.Murugan N.《应用响应面方法预测管道埋弧焊焊道质量》，J. Mater出版社，1999年。

来源：http://www.yidianzixun.com/article/0qlRcJLK
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