基于涡状搅拌针的2024-T4铝合金搅拌摩擦扩散焊接头成形与断裂载荷

第３９卷第３期２０１８年３月

焊 接 学 报

ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＦＴHＥＣHＩＮＡＷＥＬＤＩＮＧＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ

Ｖｏｌ．３９（３）：０６７-０７０Ｍａｒｃｈ ２０１８

收稿日期：２０１７-０９-２５

基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１０７５１０２）

基于涡状搅拌针的２０２４-Ｔ４铝合金搅拌摩擦

扩散焊接头成形与断裂载荷

孟立春１

， 孙晓红１

， 刘雪松

２

（１．中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛 ２６６１１１；

２．哈尔滨工业大学先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 １５０００１）

摘 要：以２０２4-Ｔ4铝合金为对象进行了搅拌摩擦扩散焊试验，首次提出并使用涡状搅拌针，且对比分析了涡状搅拌针数量对横截面形貌、材料流动行为与力学性能的影响．结果表明，涡状搅拌针作用下的搭接界面未出现明显的弯曲现象，增加涡状针的数量有利于增加焊核区底部的宽度．当采用4个涡状结构的搅拌针时，发生拉伸断裂模式的搭接接头有效连接宽度与断裂载荷均大于具有６个涡状结构的搅拌针，其值分别为１１．７4ｍｍ及１７５３１．８３Ｎ．关键词：搅拌摩擦扩散焊；涡状搅拌针；横截面形貌；断裂载荷

中图分类号：ＴＧ4５３ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１２０７３／ｊ．ｈｊｘｂ．２０１８３９００７０

０ 序 言

搭接接头是飞机的蒙皮、轮船的甲板等结构中常见的接头形式，可用搅拌摩擦焊（ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｗｅｌｄ-ｉｎｇ，ＦＳＷ）技术进行连接［１-２］

．在搅拌摩擦搭接焊中，搅拌针扎入下板会导致搭接界面弯曲，通常将前进侧（ａｄｖａｎｃｅｄｓｉｄｅ，ＡＳ）弯曲的搭接界面称为钩状缺陷（ｈｏｏｋ），后退侧（ｒｅｔｒｅａｔｓｉｄｅ，ＲＳ）为冷搭接缺陷

（ｃｏｌｄｌａｐ）［３］

．有效板厚（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｓｈｅｅｔｔｈｉｃｋｎｅｓｓ，ＥＳＴ）与有效连接宽度（ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌａｐｗｉｄｔｈ，ＥＬＷ）是影响搭接接头性能的关键因素．ＥＳＴ是指钩状缺陷（或冷搭接缺陷）裂纹最高点至上板上表面（或下板下表面）的最小距离；ＥＬＷ是指钩状缺陷裂纹尖端

至冷搭接裂纹尖端的距离［4］

．众多研究表明，ＥＳＴ越大、ＥＬＷ越宽，越有利于提高接头性能．

降低转速或提高焊接速度会减弱材料在垂直方向的流动，从而降低了搭接界面向上弯曲的程度，增

加了ＥＳＴ［５-６］

．优化搅拌头形貌也是改善搭接界面

形貌的有效途径．Ｙｕｅ等人［３］

研究了根部半螺纹搅拌头对７Ｎ０１铝合金搭接的影响，发现当螺纹末端位于搭接界面上方时可对界面产生向下的挤压力，利

于降低钩状缺陷的高度．Ｗａｎｇ等人［７］

对不同针长影响搭接接头的规律进行了研究，发现在扎透上板的情况下，随针长的增加，钩状缺陷的高度呈现先增大后减小的趋势，这与不同针长影响材料沿板厚的

流动行为密切相关．邢丽等人

［８］

发现当下压量较大

时，随着下压量的增加，搭接界面迁移程度增加．然而，从目前的报道来看，无论是优化焊接参数还是优化搅拌头形貌，均无法从根本上消除钩状缺陷．搅拌摩擦扩散焊（ｆｒｉｃｔｉｏｎｓｔｉｒｄｉｆｆｕｓｉｏｎｂｏｎｄｉｎｇ，

ＦＳＤＢ）

［９］

结合了搅拌摩擦焊与扩散焊两种焊接机

理，利用不扎透上板的方式可避免钩状缺陷与冷搭接缺陷的产生．但现有的研究中多集中于异种材料的连接，未见有关于同种材料的搅拌摩擦扩散焊的报道．以２０２4-Ｔ4铝合金为对象，对搭接接头的ＦＳＤＢ工艺进行研究，重点分析材料流动行为及其影响下的接头横截面形貌与力学性能．

１ 试验方法

试验中所用２０２4-Ｔ4铝合金厚度为１．５ｍｍ，试件尺寸均为１５０ｍｍ×３００ｍｍ．焊接试验前，需要对试样表面进行打磨，并使用丙酮进行清洗．利用型号为ＦＳＷ-３ＬＭ-4０１２的宽小幅搅拌摩擦焊设备进行搭接试验．采用两种不同的搅拌头，轴肩直径为１３．５ｍｍ，针长均为１ｍｍ，图１中带有4个涡状搅拌针的搅拌头标记为Ｆ-ｔｏｏｌ，带有６个涡状搅拌针的搅拌头标记为Ｓ-ｔｏｏｌ．焊接时主轴倾角为２．５°，下压量为０．１ｍｍ，焊接速度为５０ｍｍ／ｍｉｎ，转速为６００ｒ／ｍｉｎ．为便于对比，试验中统一采用后退侧受力模式．利用电火花线切割机制备拉伸件与金相件．采用Ｋｅｌｌｅｒ试剂进行腐蚀，并使用型号为

万方数据