鋁—鋼異種金屬嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝及接頭性能研究

摘要：針對(duì)2mmL2024鋁合金和4mm的低碳鋼采用攻螺紋攪拌摩擦點(diǎn)焊的方法進(jìn)行焊接試驗(yàn)，測(cè)試不同參數(shù)下接頭的抗剪力，研究焊接工藝參數(shù)對(duì)焊點(diǎn)抗剪力的影響。研究結(jié)果表明：選取攪拌頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1200r/min、下壓量為0.7mm，攪拌頭的停留時(shí)間由20秒時(shí)，焊接接頭的抗剪切力最高，為4.4KN。

關(guān)鍵詞：嵌入式；攪拌摩擦點(diǎn)焊；焊接工藝；抗剪力

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2013）24-0138-02

一、引言

近年來，眾多學(xué)者對(duì)鋁—鋼異種材料連接進(jìn)行了廣泛的研究，如采用壓焊、擴(kuò)散焊、電子束焊等工藝對(duì)鋁—鋼進(jìn)行連接，并對(duì)焊接工藝及接頭的組織性能進(jìn)行了分析。但采用熔焊方法焊接鋁和鋼時(shí)，接頭易產(chǎn)生脆性相，大大降低了接頭的力學(xué)性能。攪拌摩擦點(diǎn)焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）因其經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能、接頭質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)在點(diǎn)焊連接領(lǐng)域嶄露頭角，具有非常高的應(yīng)用價(jià)值和市場(chǎng)潛力。本文針對(duì)2024鋁合金和低碳鋼薄板，進(jìn)行了攻螺紋嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊工藝試驗(yàn)，焊后測(cè)試了接頭的抗剪力，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響。

二、試驗(yàn)材料及方法

1.試驗(yàn)材料。試驗(yàn)材料為2mm厚2024-T3鋁合金（250×100mm），T3態(tài)，抗拉強(qiáng)度≥390Mpa，屈服強(qiáng)度≥245Mpa低碳鋼鋼板厚度為4mm。

2.試驗(yàn)方法。帶螺紋嵌入式攪拌摩擦點(diǎn)焊的基本思路：焊前在鋼板上“預(yù)先鉆孔”，鋁合金置于上面，鉆孔并在孔內(nèi)攻螺紋的鋼板置于下方，螺紋孔尺寸為M2，接頭形式為搭接接頭。采用“無針式”柱狀攪拌頭，利用攪拌頭軸肩與鋁合金的摩擦熱使上板溫度上升發(fā)生軟化，同時(shí)在攪拌頭的下壓過程中，將高溫、塑化的材料嵌入鋼板上預(yù)先鉆好的孔內(nèi)，從而在“熱—力”聯(lián)合作用下實(shí)現(xiàn)上/下板間的固相接合。本次試驗(yàn)在前期試驗(yàn)的基礎(chǔ)上選取攪拌頭轉(zhuǎn)速為1200r/min，研究不同的停留時(shí)間和攪拌頭的下壓量對(duì)點(diǎn)焊接頭性能的影響。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.下壓量對(duì)接頭抗剪力的影響。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為1200r/min、停留時(shí)間為20秒時(shí)，改變下壓量對(duì)待焊試板進(jìn)行點(diǎn)焊試驗(yàn)，通過對(duì)接頭斷后的試樣觀察可以發(fā)現(xiàn)：下壓量為0.4mm時(shí)，試樣在切割時(shí)即斷裂；下壓量為0.5和0.6mm時(shí)，接頭斷裂形式為嵌入的鋁柱經(jīng)塑性變形后被拔出，如圖1（a）所示；下壓量為0.7mm時(shí)，接頭斷裂形式嵌入的鋁柱經(jīng)明顯塑性變形后才斷裂，但并未被拔出，如圖1（b）所示；下壓量為0.8mm時(shí)接頭斷裂形式為嵌入的鋁柱未發(fā)生明顯變形而被沿兩板界面剪斷，斷口相對(duì)平整但鋁柱并未被拔出，如圖1（c）所示。綜合來看，下壓量為0.7mm時(shí)斷裂形式較理想，此時(shí)接頭的抗剪力也達(dá)到最大值，為4.4kN，下壓量小于或大于0.7mm，接頭的抗剪力均下降，分析原因?yàn)椋寒?dāng)下壓量較小時(shí)，嵌入鋼中的鋁合金量不夠，即鋼中預(yù)先鉆孔填充的鋁合金不夠飽滿，隨著下壓量的增加，鋼孔中的鋁的嵌入量逐漸增加，從而過度到最佳狀態(tài)，此時(shí)組織最緊密，接頭抗剪力最大，下壓量繼續(xù)增加，由于鋼孔體積有限，多余的鋁被擠壓到周圍，從而使上層鋁板變薄，剪切力減小。

2.停留時(shí)間對(duì)接頭抗剪力的影響。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1200r/min、下壓量為0.6mm時(shí)。對(duì)于鋁/鋼異種金屬攪拌摩擦點(diǎn)焊，攪拌頭的停留時(shí)間為5s～20s時(shí)，焊接接頭的抗剪切力隨著停留時(shí)間的增加先是逐漸增大，在15s時(shí)達(dá)到最大值為4.2kN，當(dāng)停留時(shí)間繼續(xù)增加時(shí)，接頭的抗剪切力又逐漸減小。這是因?yàn)殡S著停留時(shí)間的增加，單位面積受到的熱量也增加，金屬?gòu)氖軣岵蛔阒饾u過度到最佳狀態(tài)，此時(shí)組織最佳，抗剪力最大，停留時(shí)間繼續(xù)增加，金屬開始過熱，接頭的抗剪力下降。

四、結(jié)論

1.當(dāng)其他焊接參數(shù)一定時(shí)，改變攪拌頭的停留時(shí)間為5s～20s時(shí)，焊接接頭的抗剪切力在停留時(shí)間15s時(shí)達(dá)到最大值，為4.2kN。

2.當(dāng)其他焊接參數(shù)一定時(shí)，攪拌頭的下壓量從0.4mm變化至0.8mm時(shí)，焊接接頭的抗剪切力在下壓量0.7mm時(shí)達(dá)到最大值，為4.4kN。

參考文獻(xiàn)：

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