鎂合金鑄件缺陷攪拌摩擦修復工藝方法

王 鑫孟 松康 旭武亨亮史清宇

(1 清華大學機械工程系,北京 100084) (2 中國空間技術研究院,北京 100094)(3 山西航天機電設備研究所,山西 030800)

1 引言

航天器上使用大型鎂合金鑄造結構的應用可減輕結構重量從而增加有效載荷的配置。大型薄壁復雜鑄件的砂型鑄造不可避免地會產生如氣孔、疏松、裂紋等鑄造缺陷。影響了鎂合金鑄造結構的質量,嚴重時會導致產品報廢。鑄件缺陷修復非常困難,盡管國內外都對鎂合金鑄造缺陷的修復開展了大量研究,但一直沒有獲得理想的修復方法,而對于航天器輕金屬焊接工藝則已經發展了新的固態連接技術——攪拌摩擦焊[1]。

現有的鎂合金鑄件缺陷修復,采用的是傳統氬弧焊方法。對于疏松、氣孔等缺陷的修復困難;另一方面,鎂合金氬弧焊過程本身也可能造成新的氣孔等缺陷,進而影響使用性能。采用新的方法,對鎂合金鑄件進行修復,其研究結果對于提高航天制造技術有積極的作用。

攪拌摩擦焊技術于1991年在英國焊接研究所(TW I)發明以來,在鎂合金、鋁合金等輕金屬材料的連接中,開展了廣泛的應用研究[2-4]。攪拌摩擦焊這種固相連接技術,其原理如圖1 所示。攪拌工具旋轉著緩慢插入被焊工件的待焊接處,攪拌工具和被焊材料之間的剪切摩擦產生熱,使材料軟化并塑性變形[5-6],釋放出塑性變形能。當攪拌工具沿待焊界面前移時,熱塑化的金屬在周圍金屬及攪拌工具的擠壓作用、軸肩面對材料向下的頂鍛作用下,由攪拌工具的前部向后部轉移,實現工件之間的固相連接。接頭的材料在壓力作用下經歷動態的回復再結晶過程,形成細小的等軸晶。焊接后接頭具有變形小、組織及力學性能優良等優點。其主要工藝參數包括旋轉速度、前進速度、下壓量。

圖1 攪拌摩擦焊原理示意圖Fig.1 Scheme of the principle of FSW

本研究將攪拌摩擦焊的方法用于鑄造鎂合金結構件的缺陷修復。通過設計攪拌工具、批量的工藝試驗優選適用的工藝參數,來對鑄造鎂合金結構件進行修復,并對焊后的修復效果進行X 射線無損檢驗,以驗證修復效果。進而,在平板修復試驗的基礎上,針對航天器鑄件中常見的T 形結構、角形結構進行攪拌摩擦加工工藝可行性的初步探索。

2 帶缺陷鎂合金鑄件攪拌摩擦修復試驗

對于特定材料,不同的攪拌工具型式、不同的工藝參數均會對攪拌摩擦加工結果造成影響。因此,要設計適用于缺陷修復的攪拌工具型式,并進行參數匹配試驗獲得相應的適用參數。

攪拌工具與被加工件間的摩擦作用是核心影響因素,而這一摩擦作用的改變對攪拌摩擦加工工藝過程具有明顯的影響。鑄造結構件表面粗糙度高,甚至出現起伏不平,攪拌摩擦過程中易出現摩擦作用不穩定現象。當前的試驗中,加大下壓量以保證充分的摩擦作用。同時,足夠的下壓量也保證了缺陷處塑化金屬的充分填充。

試驗材料為AZ91D 鑄造鎂合金在XT-900 攪拌摩擦焊專用數控機床上進行攪拌摩擦修復試驗。攪拌針型式為帶螺紋錐臺型。

2.1 修復試驗所采用的攪拌工具

在攪拌摩擦焊過程中,攪拌工具具有與其周圍材料摩擦產生熱、破碎工件表面氧化層、轉移塑性流變材料等重要作用[5]。針對鎂合金攪拌摩擦修復過程壓入量較大的特點,改進了攪拌工具外形。開發了攪拌摩擦焊接及加工用攪拌針,如圖2 所示。采用該型式攪拌針可以用于鎂合金鑄件的攪拌摩擦加工修復,還可以實現鎂合金的攪拌摩擦焊接。

2.2 攪拌摩擦參數

影響攪拌摩擦修復效果的重要參數是:攪拌工具的形狀尺寸、旋轉速度、焊接速度、下壓量以及焊接工具傾角[7-9]。對于一定的工具,攪拌工具旋轉速率和移動速率最為重要,工具的旋轉導致攪拌針周圍的材料發生攪拌和混合,而沿給進方向攪拌工具的移動則將攪拌過的金屬從攪拌針前端轉移到后部,實現缺陷修復、材料連接等加工過程。高的旋轉速度可以產生相應較高的溫度并形成更強烈的材料攪拌混合,但由于材料高溫性能的變化,產熱量與轉速大小并非線性關系[6]。初步試驗階段發現對帶有缺陷的鑄造鎂合金板材,必須加大壓入深度才能保證能夠形成良好的金屬填充,實現良好焊接。

圖2 試驗中使用的自制的攪拌工具Fig.2 Self-made stir tools

2.3 攪拌摩擦加工程序算法流程

在XT-900 攪拌摩擦焊專用數控機床數控系統平臺上,采用編制的專用攪拌磨擦程序控制精度。程序的算法流程如圖3 所示。

圖3 數控機床程序算法流程Fig.3 Algorithm flow of NC machine tool program

在第二次修復準備過程中,可調整運行的參數,包括旋轉速度、平移速度、下壓量以及多道次面修復時的偏移量。

3 試驗結果及討論

與塑性加工過程相似,攪拌摩擦加工過程中,會達到塑性變形溫度,同時具有很大的靜水壓應力和大塑性應變[5],因此起到改善材料組織和性能的作用。另一方面,相比于塑性加工,攪拌摩擦加工是被加工件形狀基本不變的局部塑性大變形過程,因此對于缺陷修復具有非常顯著的作用。

3.1 帶缺陷鎂合金鑄件攪拌摩擦加工工藝可行性的研究

已經可以實現鎂合金的良好攪拌摩擦焊接。對于待焊焊縫可以看作是一種缺陷,攪拌磨擦加工過程中由于攪拌工具的攪拌破碎作用以及熱循環的影響,促使焊縫區域動態再結晶,晶粒為細小的等軸晶。同樣,對于鑄造鎂合金的缺陷,由于攪拌工具的攪拌、擠壓作用,均有利于去除金屬內部縮孔、疏松等缺陷。

在試驗平臺初步試驗的基礎上,獲得了適用于攪拌摩擦修復的工藝參數范圍。針對普通鑄造鎂合金與帶缺陷的鑄造鎂合金分別開展了攪拌摩擦加工工藝實驗,所選用的實驗參數如表1 所示。對比研究表明,編號為G 的參數組合具有最佳修復效果,帶缺陷的鎂合金鑄件修復后照片及X 射線照片分別如圖4、圖5 所示。圖4 中所示為采用參數組合G 修復以后的外觀,中間平直部分為修復后的表面,可見攪拌摩擦方法典型的半環形。圖5 對比了修復前后的內部缺陷情況,修復后原內部鑄造過程中產生的疏松區域變得密實。

表1 缺陷修復采用的典型參數Table 1 Typical parameters used for defect repair

圖4 含鑄造缺陷鎂合金采用參數組合G 修復后的宏觀照片Fig.4 Macro photos of magnesium alloy with casting defects after being repaired using parameters combination G

圖5 含缺陷鎂合金鑄件修復前后X 射線照片Fig.5 X-ray photos of magnesium alloy with castings defects before and af ter repair

從圖5 可以看出,修復后鎂合金鑄件成形良好,表面飛邊可以用簡單的機械加工方法去除。而圖5中的(a)為鑄件修復前的X 射線照片,其中深色區域為存在缺陷的部位中的(a)。圖5 中的(b)為修復后的X 射線照片。可以發現,修復區域呈均勻的深色,這是由于攪拌摩擦加工后加工區厚度變薄,因此整體顏色變深,但該區域的顏色非常均勻,說明其中已無缺陷。而未加工區仍可見顏色斑駁,表明其缺陷的存在。上述研究結果表明:攪拌摩擦加工方法可以有效地修復鑄造鎂合金中的缺陷。

3.2 典型結構攪拌摩擦加工工藝可行性研究

復雜的鑄造結構也是由簡單的邊、角、圓弧等形狀所組成。本文針對邊、角結構中最常見的角形結構和T 形結構,開展了攪拌摩擦加工工藝可行性研究。其核心是研究攪拌摩擦加工對空間角度相干性的適應程度,進而擴展到具有相同空間角度相干性的真實結構中。

T 形結構攪拌摩擦加工過程中的裝夾與加工后試板照片分別如圖6 和圖7 所示。

對于T 形結構而言,在T 形交角處最易出現缺陷。試驗中另加工一塊工藝板,通過攪拌摩擦加工方法,將工藝板與原始T 形結構焊接在一起,同時消除T 形交角處的缺陷,新的T 形結構由一塊平板和兩塊立板組成,而未加工前,兩塊立板間并無冶金結合等原始T 型結構的結合處等于存在平面裂紋,而加工后兩塊立板間形成了冶金結合,即消除了原來存在的缺陷,如圖7 所示。圖7 為T 形結構攪拌摩擦加工后試件照片。

圖6 T 形結構攪拌摩擦加工的裝夾Fig.6 Clamp of friction stir processing of T-shaped structure

圖7 T 形結構攪拌摩擦加工后試件照片Fig.7 Sample of T-shaped structure af ter friction stir processing

角形結構缺陷修復的模擬實驗也具有相似的原理和過程,通過新加工藝板作為補充材料或滿足工藝適用性,實現缺陷的修復。其裝夾狀態和加工后的試件分別如圖8 和圖9 所示。

圖8 角形結構的裝夾狀態Fig.8 Clamping state of angular structure

4 結論

通過以上實驗分析,得出如下結論:

1)提出了采用攪拌摩擦加工方法修復鎂合金鑄造缺陷的新思路,并通過帶缺陷鎂合金板材攪拌摩擦加工工藝實驗,無損檢測實驗證明:該方法原理上是可行的,攪拌摩擦加工方法修復鎂合金鑄件的缺陷在工藝上具有比較廣的適用范圍;

圖9 角形結構攪拌摩擦加工后的試件Fig.9 Sample of angular structure after f riction stir processing

2)對于自制的螺紋錐臺形式的攪拌工具,在優化的攪拌摩擦加工的參數組合(在旋轉速度500 r/min,前進速度100mm/min,下壓量1.5mm)下,能夠有效地修復鎂合金鑄件中的缺陷;

3)T 形結構和角形結構的缺陷也適用于攪拌摩擦加工方法,但對工裝夾具的要求相對較嚴格。

)

[1]姚君山, 周萬盛, 王國慶, 等.航天貯箱結構材料及其焊接技術的發展[J].航天制造技術, 2002, 5

[2]Dawes C J, Thomas W M.Friction stir joining of aluminium alloys[R].TWI Bulletin, 1995, 6:124

[3]Dawes C J, Thomas W M.Friction stir process welds aluminium alloys[J].Welding Journal, 1996, 75 (3):41

[4]James M, Mahoney M, Waldron D. Residual stress measurements in f riction stir welded aluminum alloys[C]//Thousand Oaks, CA, USA, Proc. 1st Int.Symp.on Friction Stir Welding, June 1999

[5]Shi Qingyu, Dickerson Terry, Shercliff H R.Thermomechanical FE modelling of f riction stir welding of Al-2024 including tool loads[C]//Utah, USA:4th International Sym posium on Friction S tir Welding, January,2003

[6]Shi Qingyu, Terry D, Shercliff H R.Thermo-mechanical analysis on welding process of aluminium 2024 with TIG and FSW[C].Proceedings of the 6th International Conference on Trends in Welding Research, April 15-19, 2003:247-252

[7]Kallman L, Magnusson L, Mechanical.Properties of friction stir welds in thin sheet of Aluminium 2024,6013 and 7475[C]//Gothenburg, Sweden:Proceedings of the 2nd Friction Stir Welding Symposium. June,2000

[8]Sutton M A, Reynolds A P, Wang D Q, et al.A study of residual stresses and microstructure in 2024-T3 aluminum friction stir butt welds[J].Journal of Engineering Materials and Technology, 2002, 124:215-221

[9]Shindo D J, Rivera A R, Murr L E.Shape optimization for tool wear in the f riction-stir welding of cast A1359-20%SiC MMC[J].Journal of Materials Science, 2002,37:4999-5005