喷射成形7475铝合金FSW工艺与性能

试验采用 3 种不同规格的搅拌头进行焊接，观 察其表面成形是否良好． 在轴肩压入深度为 0． 1 mm，搅拌头倾角为 2． 5 °，旋转频率为 600 ～ 1 800 r / min，焊接速度在 40 ～ 200 mm / min 范围变化时，观
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焊接学报
第 32 卷
察其焊缝成形，并进行接头的拉伸试验．
拌头的旋转频率、焊接速度和下压力． 焊接速度是搅拌摩擦焊接中一个重要的工艺参
数，在旋转频率( 1 200 r / min) 不变的情况下，分别 在 40 ～ 200 mm / min 内 取 值． 当 焊 接 速 度 为 200 mm / min 时，焊缝无法焊合，焊接接头无法成形，并 有大 量 金 属 经 搅 拌 溢 出，当 焊 接 速 度 降 到 150 mm / min时情况有所好转，但切开焊接接头横截面观 察，内部出现隧道形缺陷，且贯穿整条焊缝，如图 3 所示．
1 试验方法
试验材料选择厚度为 4 mm 的喷射成形 7475 铝合金板材． 其尺寸为 250 mm × 100 mm × 4 mm． 表 1 为材料的化学成分．
表 1 喷射成形 7475 的化学成分( 质量分数，% ) Table 1 Chemical compositions of spray formed 7475
2 试验结果及分析
搅拌头达不到这种效果，所以容易在焊接前进侧产 生沟槽缺陷，如图 2 所示．
2． 1 搅拌头形状对焊缝成形的影响 搅拌头的材料采用工具钢制作，几何形状设计
了 3 种形状，如图 1 所示． 3 种搅拌头轴肩尺寸( 16 mm) 、搅拌针根部尺寸( 4 mm) 及搅拌针长度( 3． 85 mm) 均相同，且后两种搅拌头的凹进处角度( 5°) 相 同． 选择搅拌头旋转频率为 20 r / s，焊接速度为 80 mm / min，轴肩压入深度为 0． 1 mm，搅拌头倾角为 2. 5°进行焊接试验，观察其焊后表面成形．
采用锥形带螺纹平面搅拌头( 图 1a) 所焊金属 不能完全融合形成致密焊缝． 主要是因为这种搅拌 头轴肩为平面形设计，在焊接过程中与工件表面摩 擦提供热源的能力较差，平面形设计不能尽最大限 度的提供一个封闭的焊接环境，从而使大多数高塑 软化的材料从轴肩溢出，因此后续试验不建议采用 这种平面形搅拌头设计．
第 3 2 卷 第 11 期
焊接学报
2 0 1 1 年 1 1 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 2 No． 11 November 2011
喷射成形 7475 铝合金 FSW 工艺与性能
wenku.baidu.com
严 铿， 史 超
( 江苏科技大学 先进焊接技术省级重点实验室，镇江 212003)
严铿
0序 言
喷射成形技术实现了金属凝固过程的快速凝 固、原位凝固和高致密度多重技术指标，既突破了铸 造工艺缓慢凝固、宏观偏析和疏松的技术瓶颈，又突 破了粉末冶金工艺的难以致密化、构件规格小的技 术瓶颈，使金属材料实现高性能和大规格的双重提 高，性 价 比 优 越． 7475 合 金 是 美 国 Alcoa 公 司 于 1969 年在 7075 合金的基础上研制开发的高纯度超 高强铝合金，主要是减少了铁、硅杂质的含量，使该 合金的强度保持在 7075 合金的基础上提高了抗应 力腐蚀性能和断裂韧性，同时合金的塑性也有一定 程度的提高，目前 7475 合金以其优异综合性能在航 空领域得到了广泛应用［1］．
Mg
Cu
Zn
Si
Fe
Mn
Cr
Ti
Al
0． 06
1． 2 ～ 1． 9
5． 2 ～ 6． 2
0． 10
0． 12
0． 06
0． 18 ～ 0． 25
0． 06
余量
收稿日期: 2010 － 09 － 30 基金项目: 江苏省自然科学基金资助项目( BK2010342) ; 江苏省科技
支撑计划资助项目( BE2009126) ; 江苏高校优势学科建设 工程资助项目( PAPD)
图 1 搅拌针及轴肩外观形貌 Fig. 1 Tool probe and shoulder
图 2 喷射成形 7475 铝合金表面沟槽缺陷 Fig. 2 Groove defect of welds＇surface of spray formed 7475
2． 2 焊接参数对焊缝成形的影响 在搅拌摩擦焊接中，主要的焊接参数有 3 个: 搅
由于喷射成形铝合金的强化机理和熔焊截然不 同，采用普通的熔焊工艺方法焊接存在明显的接头 软化问题，很难达到喷射成形的强度． 搅拌摩擦焊
接是英国焊接研究所于 1991 年发明并获世界范围 内专利保护的新型固相焊接技术［2］． 具有连接温度 最低． 对母材性能影响最小的特点，已有资料表明， 对于同一种铝合金用搅拌摩擦焊与传统的氩弧焊相 比，其焊接接头的抗拉强度提高 15% ～ 20% ，断后伸 长率提高 1 倍，断裂韧度提高 30% ，接头区为细晶组 织，焊缝中无气孔、裂纹等缺陷，焊后残余变形很小， 焊缝中残余应力低． 因此文中焊接方法选择不加填 充材料的搅拌摩擦焊作为喷射成形铝合金的重点连 接方法开展研究． 基于搅拌摩擦焊焊接的特点，可以 认为是喷射成形 7475 铝合金最有前途的焊接技术．
摘 要: 采用搅拌摩擦焊( FSW) 方法对厚度为 4 mm 的喷射成形 7475 铝合金进行了焊 接工艺及性能研究，通过优化搅拌头的形状和尺寸，调整焊接工艺参数得到了表面成形 良好的焊接接头，经过力学性能测试和微观分析． 结果表明，当焊接工艺参数选择合适 时，可得到外形美观、无缺陷的焊缝; 如果工艺参数选择不当，则会出现沟槽、飞边和隧 道形缺陷; 还发现焊接接头力学性能与焊接工艺参数存在一定的关系，在旋转频率为 1 200 r / min，且焊接速度为 80 mm / min 时，可以获得较好的焊接性能，抗拉强度可以达 到 442 MPa． 关键词: 喷射成型铝合金 7475; 搅拌摩擦焊; 工艺; 力学性能 中图分类号: TG456． 9 文献标识码: A 文章编号: 0253 － 360X( 2011) 11 － 0061 － 04