轴肩作用下的金属流动过程分析

轴肩作用下的金属流动过程分析

孙宏宇1

， 周 琦1

， 朱 军2

， 彭 勇1

， 王克鸿

1

(1. 南京理工大学 材料科学与工程学院，南京　210094；2. 南京工程学院 材料工程学院，南京　211167)摘 要： 采用阳极氧化的方法在待焊试板表面制备标记氧化膜作为标记材料，研究搅拌摩擦焊轴肩作用下的金属流动行为. 结果表明，标记氧化膜在焊缝中连续分布，从焊缝截面观察整体呈“C ”形. 流动过程分析表明标记氧化膜处于轴肩前部时，金属向焊缝后退侧的外侧流动；标记氧化膜处于轴肩后部时，金属向焊缝中心流动，此外由于竖直方向上的速度差异使得标记氧化膜最终呈“C ”形. 从标记氧化膜的分布位置来看，轴肩作用下的金属有从前进侧向后退侧迁移的趋势，金属迁移数量取决于所选择的焊接参数.关键词： 搅拌摩擦焊；标记氧化膜；金属流动

中图分类号：TG 406 文献标识码：A doi ：10.12073/j .hjxb .2019400027

0 序 言

搅拌摩擦焊是在搅拌头的作用下促使材料流动，最终形成可靠接头的焊接过程，因此材料流动行为的研究一直是重点关注的问题. 搅拌摩擦焊过程的不可视为研究金属流动带来了挑战，目前国内外学者对金属流动性的试验研究主要采用元素标记法，通过嵌入可追踪元素来分析焊缝中金属的流动行为. 王希靖等人

[1]

将铁粉放置在不同位置，研

究不同深度水平的金属流动情况，结果发现前进侧金属与焊接方向相反向后流动，后退侧金属向后流动，且有部分进入前进侧. 李继忠等人

[2]

将异种铝

合金交替排列，利用异种铝合金之间的腐蚀性能差异研究焊接过程中材料的变形和流动行为，结果表明材料在前进侧的流动剧烈且混合均匀，而在后退侧材料流动较弱. Li 等人[3]

在7075-T651铝合金对接接头界面处添加0.1 mm 的青铜金属薄膜作为标记材料来研究金属的流动行为，结果发现金属沿厚度方向的流动行为存在差异，流动花样呈周期变化. Lorrain 等人[4]

在7020 铝合金中嵌入0.2 mm 铜箔研究无螺纹搅拌针焊接薄板时金属的流动行为，结果发现材料主要集中在前进侧上部位置以及后退侧的下部位置.

对于材料流动的研究通常都是采用传统搅拌摩擦焊方式，即在轴肩和搅拌针共同作用来研究

[5-7]

，

但轴肩和搅拌针对金属流动的作用机理不同，这就给材料流动规律的研究带来了困难. 同时采用标记材料研究金属流动性时，所选用的材料多为外加材料或利用异种金属的腐蚀性能差异进行研究，无论哪种情况均会对原有金属流动产生影响，进而影响结果的准确性.

为降低研究的复杂性，文中只研究轴肩作用下的金属流动行为，同时为降低标记材料对原有金属流动性的影响，通过阳极氧化的方式在试样表面生成标记氧化膜作为标记材料，以此研究轴肩作用下的金属流动行为.

1 试验方法

试验选取0.5 mm 的6061薄板铝合金作为试验材料，尺寸规格为100 mm × 50 mm ，材料化学成分如表1所示.为消除标记材料对焊接过程中金属流动过程的影响，选用材料表面氧化膜作为标记材料. 自然形成的氧化膜较薄，且致密性差，因此通过阳极氧化的方法在材料表面生成标记氧化膜.首先使用无水乙醇清洗材料表面油污，利用氢氧化钠溶液除去材料表面自然氧化膜，清水冲洗去除残留氢氧化钠；将处理过的试板置于氧化装置的阳极，电解质溶液为160 g/L 的硫酸溶液，采用直流12 V 电源，氧化时间40 min ，最后获得具有人工氧化膜的待焊试板.

为分析轴肩的作用效果，试验过程中采用轴肩直径为16 mm 的无针搅拌头做为焊接工具. 试验

收稿日期：2017 − 06 − 14

第 40 卷 第 1 期2019 年 1 月

焊 接 学 报

TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION

Vol .40(1):137 − 140January 2019

分两部分进行：首先进行急停试验，焊接参数为焊接速度150 mm/min，转速1 000 r/min，观察轴肩下不同位置金属的流动特征；其次在转速为1 000 r/min 不变的情况下，研究在50，150，300 mm/min不同焊接速度下金属的流动特征.

2 结果与分析

2.1 急停试验

通过急停试验研究轴肩下部金属在焊接过程中的流动特征，图1所示为急停试验获得的轴肩下部金属形貌，焊接过程中轴肩对搅拌区金属产生切向力作用，图1的区域Ⅰ和区域Ⅱ中轴肩对下部金属在垂直于焊接方向的切向分力的方向相反，因此在(a)和(b)处分别截取金相试样，观察金属的流动变化.

(a)

(b)II

I

图 1 急停试验观察位置示意图

Fig. 1 Schematic of observation place in crash stop test 传统搅拌摩擦焊过程由于氧化膜的存在，焊缝内会出现“S”线[8]特征，连续完整的“S”线能够反映出焊缝内金属的流动特征[9]，试验中通过阳极氧化获得人工氧化膜作为研究轴肩作用下焊缝区内金属流动规律的标记材料.图2所示为区域Ⅰ和区域Ⅱ标记氧化膜的流动情况，区域Ⅰ中标记氧化膜呈倾斜直线，底部存在未结合区域，如图2a所示.此时界面处的标记氧化膜向后退侧的外侧流动，标记氧化膜自上表面向下表面的流动速度逐渐递减，标记氧化膜底部与垫板接触位置仍位于焊缝中心处，说明此处氧化膜未发生流动.

区域Ⅱ标记氧化膜呈“C”形，根据Heurtier等人[10]建立的搅拌摩擦焊运动学模型将轴肩下部的影响区域称为“流臂区”，该区域材料主要受轴肩直接作用以及轴肩引起的流场作用的影响，因此将焊缝区分为轴肩作用区域以及轴肩影响区域，如图2b所示，标记氧化膜流线的流动方向相对图2a 中的流动方向发生了改变，此时轴肩影响区的标记氧化膜的流线出现拐点，处于区域Ⅱ中的标记氧化膜受力方向相对于区域Ⅰ发生了改变, 此外标记氧化膜与垫板接触位置仍处于焊缝中心，没有发生流动.

500 μm

(a) 区域Ⅰ

氧化膜流线

未结合区域

500 μm

(b) 区域Ⅱ

拐点轴肩影响区

轴肩作用区

图 2 轴肩下部氧化膜的流动变化

Fig. 2 Flow of marked oxide film under the shoulder 2.2 流动过程分析

为深入了解轴肩作用下的金属流动规律，对焊接过程中的金属流动过程进行分析.根据急停试验图2观察到的结果，并结合已有文献的结论将轴肩作用下的焊缝区间分成轴肩作用区以及轴肩影响区，如图3a所示.轴肩作用区是金属直接与轴肩接触位置，轴肩直接对金属产生剪切力带动金属流动，除直接作用外，轴肩还会带动下部金属流动从而形成流场，在流场作用下未与轴肩直接接触的金属也会发生流动，即形成轴肩影响区，从整体来看轴肩影响区为整个焊缝的主要区间，因此主要分析轴肩影响区内的金属流动过程.

轴肩影响区

轴肩作用区

图 3 轴肩作用下的焊缝区间划分

Fig. 3 Partitions of weld under the action of shoulder 图2a，2b中能够观察到标记氧化膜下部与垫板接触位置始终处于焊缝中心，没有发生流动，因此可以认定标记氧化膜底部的流动速度为零.通常情况

表 1 6061铝合金化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical composition of 6061 aluminiun alloy

Al Si Cu Fe Mg

99.930.200.050.250.05

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