转速对异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷尺寸变化规律的影响

孙权　赵海山　倪冬

摘 要：近年来，国内外对异种金属搅拌摩擦焊的研究现状进行了总结。重点对异种材料搅拌摩擦的特点、应用及其组织演化特征进行归纳和分析。该文建立了异种材料搅拌摩擦焊界面缺陷演化模型，通过有限元模拟搅拌针不同转速下异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷演化过程，阐述了转速对异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷尺寸变化规律，特别是以2024与7050铝合金模拟异种材料搅拌摩擦焊过程中界面微孔缺陷的演化过程以及尺寸变化规律。

关键词：转速 异种材料搅拌摩擦焊 微孔缺陷 规律

中图分类号：TG453 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（a）-0101-02

文章以2024与7050铝合金模拟异种材料搅拌摩擦焊过程中界面微孔缺陷的演化过程以及尺寸变化规律。用预制缺陷的方法建立搅拌摩擦焊界面缺陷演化模型。异种材料搅拌摩擦焊缺陷演化模型与同种材料搅拌摩擦焊模型相同，将微孔缺陷上半部分材料参数设为7050铝合金，而下半部分设为2024铝合金，整个模型尺寸为120μm×80μm，缺陷的尺寸为10μm ×2μm。模型总体单元数12 382，总节点为6 368，初始模型如图1所示。

异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷的演化模拟中分别施加以下初始条件以及边界条件。首先在模型下端施加零位移边界条件保持模型的稳定；其次在模型顶端施加不同的剪切力作用。温度初始条件由以下方法产生：在缺陷部位界面处施加相同的温度边界条件，通过两种材料各自的热传导作用达到稳态平衡，然后模拟缺陷在相同温度和压力条件下微孔缺陷的演化过程以及尺寸变化。

在搅拌摩擦焊过程中，搅拌针的高速转动既可以与被焊材料间产生摩擦生热，也促使高温塑性材料发生塑性变形和流动，对搅拌摩擦焊焊缝的形成至关重要。搅拌针与材料间的摩擦施加于材料上的剪切作用力促使材料的变形，转速越高材料的变形速率越大，而材料变形速率越大其屈服强度也越高，换而言之，转速越高即施加于材料上的剪切力也越大。因此，可以用施加剪切力的方法模拟转速对界面微孔缺陷弥合过程的影响，其大小可依据不同变形速率下材料的屈服强度而定。

微孔缺陷在焊接压力以及界面剪切力的作用下不断发生塑性变形以及尺寸的变化，最终在0.234 s时达到弥合状态。剪切力对微孔缺陷的作用主要是促进材料的剪切变形，特别是微孔缺陷处使缺陷上、下两部分发生相对的剪切变形，使缺陷形状由椭圆形向扁平状缺陷转变。当改变剪切力大小时缺陷的弥合状态如图2所示。

模拟结果显示，当剪切力增加时微孔缺陷的弥合时间不短缩短，表明剪切力可以促进微孔缺陷的弥合。与2024铝合金同种材料微孔缺陷的弥合相比，7050铝合金与2024铝合金异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷的弥合特点在于变形不均匀，弥合时间不同。由于异种材料搅拌摩擦焊接头温度分布不均、材料性质差异等因素导致两种材料的变形能力不同，因此7050铝合金变形相对较大；此外，相对于同种材料条件下微孔缺陷的弥合，上述两种材料界面微孔缺陷弥合时间相对较短。微孔缺陷尺寸以及弥合系数随焊接时间的变化规律如图3所示。

界面微孔缺陷尺寸随着焊接时间的增加逐渐下降，随着剪切力的增加，微孔缺陷尺寸变化更快，在更短的时间内达到弥合状态，其弥合时间从40 MPa时的0.234s减小到60 MPa时的0.144 s。微孔缺陷的弥合系数随着焊接时间的增加而增加，当增加剪切力时，微孔缺陷的弥合系数增加。通过计算可得微孔缺陷弥合对剪切力的敏感系数为0.84～0.87。（见图3）

此外，在搅拌摩擦焊中还有焊接速度等工艺参数对搅拌摩擦焊的焊接质量也起到一定的作用，焊接速度越高，焊接线能量越小，不利于材料的塑性变形以及塑性流动，而过低的焊接速度将导致材料过热等现象，焊接速度的影响其实是影响到热输入，即材料变形的温度。此外，在焊接过程中，搅拌针前进侧以及后退测材料的变形不同，这是由于两种情况下材料与搅拌针之间的相对速度不同引起的，前进侧的相对速度小于后退侧的相对速度，因此施加于材料的剪切作用必然不同，由于焊接速度与搅拌针的转动速度相比可以忽略，因此前进侧与后退侧主要差别还是温度的差别，从而可以利用材料温度的不同模拟前进侧与后退侧微孔缺陷的弥合过程。

参考文献

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