2219鋁合金攪拌摩擦焊接過程數值分析

郭懷志,潘家敬*,趙朋成,劉佳奇,譚 龍,張金衡

(1.青島科技大學 機電工程學院,山東 青島266061;2.山東大學 材料科學與工程學院,山東 濟南250061)

攪拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)是由英國焊接研究所(the welding institute,T WI)在1991年申請獲得世界專利的新型固相焊接技術[1]。攪拌摩擦焊接被譽為高質量、低成本的“綠色環保焊接技術”,它的發明受到了世界范圍的青睞。攪拌摩擦焊接具有傳統熔化焊接無法比擬的優點:攪拌摩擦焊接(FSW)具有變形小、效率高、殘余應力低、焊接工件變形小等特點[2],在焊接過程中并未達到材料的熔點,不會產生氣孔和裂紋等缺陷;不會產生煙塵、飛濺和輻射,大大減少了對焊工的人身健康的傷害;不需要添加焊絲,節約成本。正是由于這些優點,攪拌摩擦焊技術可以用于鋁鎂等輕質合金,尤其適合焊接熔化焊難以焊接的2XXX系列(Al-Cu),7XXX系列(Al-Zn)合金[3]。FSW具有熔化焊接無法比擬的優點,合金攪拌摩擦焊接引起國內外學者的廣泛關注[4]。本研究選擇2219鋁合金正是由于它具有良好的焊接性、高強度和對裂紋的低敏感性,在航空航天中應用十分廣泛,并且2219鋁合金攪拌摩擦焊焊縫腐蝕速率比母材小,焊縫的抗腐蝕性提高[5]。

研究FSW溫度場的分布及其變化規律具有重要意義,數值模擬技術是研究它的主要方法之一。國內的專家學者對于2219鋁合金的攪拌摩擦焊的溫度場做出了實驗,模擬方面的試驗研究[6-7]發現,攪拌頭插入階段焊縫的溫度變化與焊接速度無關,開始階段升溫速率最大;焊接穩定階段,沿板厚度方向呈現上寬下窄、上高下低的溫度梯度分布趨勢,兩個階段都是旋轉頻率越高,焊縫的峰值溫度越高。……