研究搅拌摩擦点焊钎焊过程和属性的不同金属DP590和6061年

文摘

搅拌摩擦焊(FSW)是最受欢迎的和高效的固态连接方法相似或不同的金属和合金。这种技术主要应用于航空航天、铁路、汽车、和海洋产业。为了减少重量的特殊的汽车零部件,搅拌摩擦点焊(FSSW)提出的一些研究者对钢铝的连接不同的金属。然而,钢铝接头焊接FSSW容易脆性断裂和低剪切载荷虽然机械连接强度高。搅拌摩擦点焊钎焊过程集成的钎焊效果与摩擦焊接效果添加焊料。FSSW DP590和6061的研究进行了添加了填充金属。进行正交试验优化工艺参数以达到最佳剪切载荷的联合。接头的剪切强度,研究了剪切试验。断裂形态研究的光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)。结果表明,剪切载荷的联合可能达到13.239 kN转速时,深度,和停留时间的混合头1000 r / min, 0.2毫米,分别和90年代。 The aluminium-zinc solder added could well wet the interface between aluminium and steel and promote the metallurgical bonding, thereby improving the shear load of the joint. The temperature field of DP590/6061 FSSW process was simulated by ANSYS software to verify the rationality of the optimal process parameters. The simulation results were confirmed to be basically consistent with the data measured by the thermocouple.

1。介绍

铝合金具有密度小,比强度高,良好的导电性,耐腐蚀。利用高强度钢以其高强度、初始加工硬化速率高,防撞性能好(1,2]。铝合金、高强度钢的混合结构被认为是最理想的材料轻便,节能、环保车辆,它已经被应用于一些国内外高端汽车(3- - - - - -8]。然而,熔融铝和钢铁可能形成脆性的金属间化合物化合物由于这两种材料之间的固溶度较低,这将减少关节的机械性能(9,10]。此外,截然不同的两种材料的热物理性质可以很容易地导致内部压力生成和组装焊接时失败(11,12]。研究进行了寻求过程为生产高质量的关节,和大量不同的材料的搅拌摩擦焊。Ruxing等人研究了焊接工艺参数对焊接接头的剪切强度实验开发,搅拌摩擦点焊2毫米L2024铝合金和低碳钢(4毫米13]。Rajendran等人调查的强度和微观结构特征AA2014-T6铝合金的搅拌摩擦焊搭接接头14- - - - - -16]。王Xijing等人研究的无钥匙FSSW 3毫米6061 - t6铝合金变形和1毫米DP600镀锌钢板(17]。铝合金的焊接性分析,正交试验的设备重新画FSSW [18- - - - - -22]。钢铝联合由上述点焊模式具有较高的机械连接强度摩擦热(因为它是连接的23,24),但它也有一些缺点。例如,脆性断裂很容易发生,接头的剪切载荷低在大多数情况下,搅拌头是容易磨损(25- - - - - -29日]。断裂机理还不清楚。钢铁和铝的搅拌摩擦点焊钎焊钎焊和摩擦焊接集成的两种金属的焊接,减少混合头的磨损的能力。因此,一系列的实验在搅拌摩擦点焊的钢铁和铝钎焊过程添加了填充材料进行了介绍。FSSW钎焊方法被用于两种不同的金属搭焊,即。,DP590钢和6061铝合金。FSSW过程添加了焊接参数的正交试验优化。接头的力学性能由剪切试验进行了研究,并分析了关节的骨折形态OM, SEM, EDS。断裂形式和机制进行了讨论。使用ANSYS有限元软件仿真进行了最优的焊接工艺参数下获得的正交试验来验证参数的合理性。

2。材料和方法

2.1。材料

1毫米厚DP590利用钢和6061毫米厚铝合金受到FSSW。两种材料的尺寸是150毫米×100毫米。测试材料的化学成分如表所示1。钢板的底部与顶部的铝薄板搭接形式。锌铝合金焊接表粘贴钢板之间的钎焊焊剂被提前和铝表,钎焊焊剂在焊接。搭接是50 mm长的(数据1(一)和1 (b))。测试中使用的设备是双梁龙门式搅拌摩擦焊接系统(模型:FSW-2SLM-BF0360)由北京赛福斯特技术有限公司制造有限公司采用的混合头的H13钢(图2),肩直径28毫米。搅拌针的直径2毫米和0.3毫米的长度。

2.2。焊接方法

在测试前,铝钢板和钢板与磨床磨砂纸,分别,材料然后用丙酮清洗。在焊接过程中,搅拌头在慢慢按下,直到最终联系上表面的钢板。然后,搅拌头端是由压缩空气冷却,同时,高速搅拌头旋转摩擦时被按下。达到一定深度后,搅拌头一直呆在这个职位一段时间直到搅拌头焊接区域变红和持续一定的时间,和焊接结束。

正交试验法优化搅拌头的旋转速度,停留时间和紧迫的混合头的深度。停留时间是指从一开始的时间段的摩擦搅拌头端工件的撤退的混合头的开始。混合头的紧迫的深度不应太大,以免搅拌头的快速磨损由于钢的硬度和强度高。三因素三水平的正交试验设计的标准l₉(3⁴)正交表进行理论上只需要9测试,但实际上三个样品焊接在每个组焊接参数的正交试验得到的剪切负载测试的准确性。焊接后,万能试验机是用来测试所有的样品的剪切荷载,和平均值。根据正交试验和剪切载荷试验的结果,三个代表关节的骨折形态研究了OM, SEM, EDS。表2选择显示了三因素三水平基于前面的测试不添加焊料焊接过程。

2.3。仿真验证

焊接过程中的温度场的DP590/6061联合在最佳工艺参数下模拟得到使用ANSYS有限元软件在上面的实验,以验证工艺参数的合理性。与此同时,热电偶进行温度测量实验,与仿真结果。

3所示。结果与讨论

3.1。抗剪性能

正交试验结果如表所示3。例如,1 #试样的剪切载荷联合可能达到9.982 kN当混合头的转速1000 r / min,搅拌头的深度是0.1毫米,和停留时间是60年代。可以看出,2 #样品的最大剪切载荷(13.239 kN)当搅拌头的旋转速度是1000 r / min,搅拌头的紧迫的深度为0.2毫米,停留时间是90年代。相比之下,最高的抗剪强度的样品不添加焊料是大约10 kN。因此,可以得出结论,焊接接头的抗剪强度是大大提高了焊接。不同因素对剪切载荷的影响进行了研究分析的范围。根据表3,R_一个= 3.285 >R_B= 1.603 >R_C= 0.882,这表明搅拌头的旋转速度剪切载荷的影响最大的关节,其次是停留时间和搅拌头先后的紧迫的深度。

请注意,R_一个,R_B,R_C范围的因素在列,B和C,分别。这个范围的区别是最大值和最小值的平均索引值的每个因素在每个级别。一个更大的R_一个显示相应的因素影响更大的测试指标,R_一个是最重要的。

3.2。焊接样品

焊接示例(图3)是由电火花线切割加工前的剪切试验。焊缝分为四个地区,基础材料,联合区,热影响区(HAZ),和热机械影响区(TMAZ)。细晶粒形成的再结晶结构联合区由于严重的变形和摩擦热。TMAZ经验的塑性变形,但是没有再结晶形成由于缺少足够的压力。强化阶段的增溶和粗化的发生在TMAZ依赖强度的热循环有经验的在这个区。HAZ只是受热量和贱金属的晶粒结构相同。谷物在HAZ大大增长,加强阶段加热的影响下变粗了。

3.3。宏观剪切破坏形态

三个典型的剪切破坏样品的断裂形态(1 #,2 #,3 #)如图4。可以看到,钢板和铝表分离断裂的样品1 #。钢板的焊接点是凹的,钢板坚持铝表的一部分,和断裂位置主要分布在混合区。然而,样品2 #的钢板表面是光滑和凹,和新月形状的裂缝形成焊点,表明大塑性变形发生在断裂联合。示例3 #的钢板是完全分开的铝薄板边缘焊点,和金属混合地区几乎所有坚持铝表。骨折主要发生在混合区。

3.4。金相组织

2 #样品的金相显微组织进行了分析使用一个奥林巴斯BX51M金相显微镜。发现共同的组织块面积相对较小,焊接后统一(图5)。的材料在焊接接头区域进入塑性状态。塑料材料混合和搅拌沿垂直焊缝方向,和他们巨大的沮丧的压力同时,使再结晶颗粒无法成长,促进晶粒的形成和细颗粒(图5 (b))。此外,湿融化焊料和镀锌层钢板的钢铁和铝之间的传播,通过毛细管流两种金属之间的差距,最后是冶金结合贱金属(图5(一个))。根据图,材料的流速在不同地区是不同的。一般来说,金块的中心区域附近的流速小于远离金块的区域,和物流速度TMAZ是最大的。

3.5。用扫描电镜微观形态学观察

FSSW没有的钢铝接头焊接填充金属添加在前面的测试很容易撕裂周围的混合区,在宏观层面产生塑性变形,导致上下表之间的粘附,甚至一代的洞的一个表。在这个时候,联合机械连接而不是冶金。剪切载荷的关节没有焊料添加普遍低,从5 kN 10 kN, FSSW联合添加了填充金属通常直接打破了在机械和冶金连接接头界面共同存在。不同热输入导致不同的联合冶金度和不同的金相组织。断裂的微观形态学面积1 #,2 #,3 #与填充金属焊接标本添加如图6,每个试样的断裂位置是红色箭头在图所示4。从图可以看出6,1 #试样的断口表面光滑平坦,一些明显的白色块和少量的酒窝。有大量的小,几乎统一的酒窝以及几小块2 #试样的断口表面,表现出明显的塑性断裂特征。3 #试样的断口表面也相对平坦,有一些粗块分布。很难看到酒窝形态,显示了明显的脆性断裂特征。基于上述分析,我们得出结论,骨折类型与接头的连接强度。人们普遍认为,既有塑料断裂和脆性断裂。油井连接关节将显示明显的塑性断裂特征,而缺乏连接关节将容易发生脆性断裂。

3.6。EDS分析

为了进一步分析接头的断裂机理和微观结构的构成肿块,能谱分析的SEM形貌点红圈1 #,2 #,3 #样品进行了。能谱图如图7。根据图,白色块不仅含有大量的铝和锌也少量的C和O,所以它可以留下的碳酸盐形成的表面膜铝合金,O,有限公司₂。这个表面膜的存在增加关节的脆性和减少其剪切载荷。3 #试样剪切负载由于高含量较低的肿块,肿块的含量低2 #样品导致更高的剪切载荷。所有的三个样品含有铝和锌,这表明,锌铝合金焊接较低熔点先融化,分散FSSW过程中随着温度的增加。铁2 #试样中存在与铝形成化合物。Yu海阳等人认为,铁金属间化合物化合物₂艾尔₅和菲₃艾尔形成联合产生冶金结合界面的力,提高剪切载荷的联合30.]。它证实了机械连接和冶金结合钢铝搅拌摩擦点焊接头存在。不同热输入导致不同的联合冶金学的学位,和不同的参数FSSW也带来不同的联合力量。参数的比较表明,三个测试部分的转速是相同的,但保留时间和搅拌头的紧迫的深度是不同的。与1 #试样相比,2 #试样较长停留时间和更大的紧迫的深度,所以它的热量输入相对较大,扩散焊是足够的,这增加了冶金结合的能力。与此同时,更紧迫的深度促进关节的机械结合,提高关节的可塑性和剪切载荷。剪切载荷最高可能达到13.239 kN。过多的热量输入由于长时间的停留时间和搅拌头的大压深度导致粗大规模结构示例3 #(图6),使联合脆弱和容易形成脆弱的阶段。因此,示例3 #很低的剪切载荷。

4所示。基于ANSYS仿真分析

6061年钢铁DP590和铝合金的几何模型采用相同的联合形式,大小,和测试参数(图成立8)[31日,32]。热源模型如图9(33- - - - - -36]。

当搅拌头的旋转速度是1000 r / min,紧迫的深度是0.2毫米,和居住时间为60秒,90秒,分别对应的温度分布云图如图10 ()和10 (b)。

如图10,高温区域逐渐扩大了随着时间的推移,和最高温度逐渐增加,但最高温度保持在2/3的肩膀。原因是关节的边缘相比,大量的热量是由于较大的线速度和热很难消散小在这个领域。位于中心的热源,温度最高,高熔点的镀锌钢板DP590可以更容易达到超塑性状态,所以最好塑料流动性,能够提高搅拌头的性能和焊接接头的质量。

停留时间是60年代时,大部分地区的温度混合头的中心区域是493°C到552°C,但部分仍低于493°C(图10 ())。不均匀的温度分布和低可塑性使它难以形成关节和剪切强度的减少造成的。停留时间是90年代时,中心区域的温度混合头577°C到646°C(图10 (b))。宇宙的超塑性使容易形成联合和改进的剪切强度,这是符合正交试验获得的结果和剪切强度测试。

横截面的温度分布云图的焊点在转速1200 r / min,紧迫的深度0.3毫米,和90年代的焊接时间图所示11。红色的超塑性区域不平衡是由于搅拌速度高,焊接接头准备显示较低的性能。仿真结果符合测试过程的转速参数。

采用ANSYS有限元软件进行仿真研究,清楚地显示温度和焊接过程中金属流动状态以及他们对接头粘接强度的影响。它还显示关节骨折的原因。

为了验证数值模拟的准确性的温度场、一个示例是焊接在转速1000 r / min,紧迫的0.2毫米,深度对温度测量和90年代的停留时间。不同特征点的温度变化对样本时间测定镍/铬镍/ Si K热电偶(37,38]。在测试期间,一个小洞的直径1.5毫米是通过焊件的底部钻在热电偶的一端焊接进洞里进行测试和DP590的上表面。然后,小洞了,用树脂胶压实。热电偶的另一端连接到一个midi记录器GL 220 ten-channel温度记录仪39- - - - - -41]。在焊接过程中,记录器记录的时间-温度曲线测点在不同旋转速度。测量温度和计算温度之间的比较在同一点如图12。

根据图12,仿真结果基本符合测量数据,显示精度高的热源模型,从而验证的合理性使用ANSYS软件计算的温度场DP590/6061搅拌摩擦点焊接头(42]。FSSW被证明是固态焊接技术,它不仅可以保证金属熔点较低没有融化也呈现更好的塑料流动性更高的熔点的金属在最佳的焊接参数,能够有效地减少融合焊接缺陷的形成。

5。结论

(1)在适当的工艺参数下,添加锌铝合金焊接可以湿焊接接口,促进形成铝和钢铁之间的冶金结合。DP590/6061FSSW联合添加了焊料具有较高的剪切载荷比没有焊料的联合补充道。(2)通过三因素三水平的正交试验,最好的工艺参数DP590/6061 FSSW搭焊获得如下:混合头的转速1000 r / min,搅拌头的紧迫的深度为0.2毫米,停留时间是90年代。接头连接强度高和剪切载荷下可获得高达13.239 kN的最佳工艺参数。(3)的温度场图DP590/6061 FSSW通过ANSYS模拟揭示了接头焊接过程中温度的分布规律。模拟温度与测量温度基本上是一致的,这证明了热源模型是准确的和优化的工艺参数是合理的。(4)根据数值模拟的DP590/6061 FSSW温度场,在形成过程中接头的温度总是低于贱金属的熔点温度,表明FSSW是一种固相连接技术,可以有效地降低发生率在熔焊过程中一些常见的焊接缺陷。

数据可用性

使用的数据来支持本研究可从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了安徽大学自然科学主要研究项目(批准号2017年KJ2017A750)。

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