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小搅拌针形状对搅拌摩擦焊 6061 铝合金
显微组织和力学性能的影响
摘 要：研究小搅拌针形状对 6061 铝合金搅拌摩擦焊接头的显微组织和力学性能的影响。采用 3 种不同形状的 搅拌针：螺纹锥形圆柱形(T1)、三角形(T2)和正方形(T3)。结果表明：不同形状的搅拌针会显著地影响焊接接头的 性能。相对于使用其他形状的搅拌针，使用三角形搅拌针能获得最好的冶金和力学焊接性能。此外，使用正方形 搅拌针制备的搅拌摩擦焊接头具有最低的拉伸强度和显微硬度。更小的搅拌针形状和轴肩直径导致热影响区域变 窄和一定程度的软化。断口分析结果表明，不同形状的搅拌针焊接也能影响接头。断裂面显示三角形搅拌针制备 的样品在拉伸试验中以韧性断裂形式失效，而在用其他形状的搅拌针(T1 和 T2)制备的接头中观察到了脆性断裂。 关键词：搅拌摩擦焊；小搅拌针形状；力学性能；铝合金；晶粒尺寸
1引言
搅拌摩擦焊是一种固态焊接。 相对运动的过程 焊接工具和工件产生热量。这 使材料柔软，因此可以加入 塑性变形扩散。这种方法依赖于 机械能向热的直接转换 无外接焊缝形成能量 热源[ 1 ]。在搅拌摩擦焊过程中，非— 消耗性旋转工具被迫进入关节。 摩擦加热条件下的管路 足以提高工件的温度。它 能产生塑性变形和局部塑性。在搅拌摩擦焊 技术，没有液体状态的材料，和 熔化发生在固相中。 材料点[ 2 ]。因此，所有有关的问题 避免熔融材料的凝固。 刀具销形是一个非常重要的因素。 制造无缺陷和无缺陷焊缝。优化 搅拌摩擦焊刀具的几何形状在搅拌摩擦焊中起着积极的作用。 提高焊缝的质量[ 3 ]。在这 过程中，材料经历一个强烈的塑料。 高温变形，导致 熔核区显著的晶粒细化（NZ）。 这种现象称为动态再结晶。 [ 4 ]。刀具几何形状，特别是销廓线，是一个 决定焊缝几何形状的主导因素， 局部加热和搅拌作用。然而，这 物质流的行为主要受影响。 通过工具销外形、工具销尺寸和搅拌摩擦焊 工艺参数[ 5 ]。Elangovan等人[ 6 ]研究 刀具销型和焊接速度对焊接性能的影响 物料流动的行为和物料的质量 焊接。他们报告说，工具引脚配置文件发挥了 决定焊接质量的主要作用。然而, 很少有人注意到销钉的作用。 颗粒分布剖面[ 7, 8 ]。合金中搅拌摩擦焊的晶粒细化一些研究人员9minus;[ 15 ]报道。它已被证明了晶粒结构在很大程度上依赖于加工条件，包括加工参数、刀具几何形状和冷却速度。然而一份最近的研究也发现了一些复杂性。 以及搅拌摩擦焊中材料流动的特殊特性，如 塑化材料在原子上的混合缺乏 规模和某些有趣模式的形成 还需要进一步的工作。此外，没有努力。 致力于研究小刀具销的作用。 NZ组剖面。因此，目标 本研究的目的是探讨小工具销的作用。 外形和肩部小直径不变 6061的显微组织与力学性能 铝合金接头。此外，小销尺寸 建议制造有A的焊接接头。 印版厚度为4毫米或以下，因印版 厚度超过4毫米导致断针
2实验
与该化学品一起使用的是6061铝合金。 组成：97.57%铝，0.525%硅，0.339%铁，1.062% Mg，0.120%铜和0.080%锰。材料 由当地供应商提供（该堆唱， 机械有限公司。铝板带 厚度为4毫米被切成所需的尺寸。 （210毫米100毫米times;）使用带锯切割机 （UEminus;712a）。三对铝合金带材 耦合在一个对接接头配置平行于 板的轧制方向和刚性夹紧 衬板。在搅拌摩擦焊工艺之前， 盘子用丙酮清洗除去污垢和 润滑油.
搅拌摩擦焊是在立式铣床上进行的。 机、型卡玛（X6325；3hp；trper R8；30 kN）。 轴向力用称重传感器测量并发现。 大约等于7.5千牛。搅拌摩擦焊工具 中碳钢设计制造 并进行热处理硬度58左右。化学 焊接工具的组成如表1所示。 三种不同引脚几何形状的FSW工具 t 1、t 2和t 3被采用。 如图1所示。T 1、T 2和T 3针被刻在 一个直径为2毫米的圆，每个刀具销有一个 长度3.7毫米。工具肩的直径是 9毫米。焊接工具顺时针方向旋转。 在恒定转速1750转/分钟。 以60毫米/分钟的速度沿焊缝穿过的工具。 垂直于轧制方向的直线。然而, 这些导线和旋转速度值分别为 被认为是获得的最佳参数 实验在搅拌摩擦焊过程中的应用。单通 焊接过程遵循制造接头。 搅拌摩擦焊产生了非对称的微结构。 代表前进侧和后退侧。 （RS）。和速度矢量的边一样。 转速是在相同的方向与焊接速度和对方代表的。
【表1焊接工具的化学成分（质量分数 %）】
【图1工具销几何形状：（a）螺纹锥形圆柱销 T 1，（b）三角形销T 2；（c）平方销T 3】
为每个参数试验制作了四个焊缝。 为了保证精度和可重复性 结果。那时最好的焊接样品是 从每个参数测试集中选择基于 评价焊缝的目视检查标准。一 无焊缝连续无缺陷焊缝 必修的。每个焊缝的三个试样，从 考虑了焊接的开始、中间和末端 为每个机械测试
进行了微观结构分析。 垂直于焊接方向的横截面。这个 金相检验标本为 分割成所需的尺寸和地面光滑。 使用不同的砂纸表面（180minus;1500）。这个 最后使用金刚石膏进行抛光。 随着0.5micro;m粒径的解决方案 揭示了试样的显微组织。 凯勒试剂中的淹水蚀刻（2毫升HF 5毫升 HNO 3 3毫升盐酸 190毫升H 2 O）。的微观结构 用场发射法检测标本。 扫描电子显微镜（SEM）上（蔡司 35vp）。6061铝合金焊接试样 还用D8 Advance X射线分析 衍射仪（Bruker分析X射线系统），使用 用于识别焊接阶段的铜靶 接头。在拉伸试验中，搅拌摩擦焊板 加工根据ASTM：E8 / e8mminus;11 垂直于焊接方向。拉伸 试验是在Instron进行（通用 试验机）在室温下装载1千牛。 维氏硬度试验是在维氏硬度仪上进行的。 显微硬度计（FVminus;700e）沿平面 垂直于焊缝的方向。压头 载荷为9.8 N，加载时间为15 s。 显微硬度测量包围热影响 区（HAZ），热影响区（TMAZ），贱金属制NZ地区（BM）相邻的晶粒 关节两侧。此外，场发射扫描电镜技术 也主要用于研究断裂面的拉伸试样。
3结果与讨论
3.1表面表征
塑化材料的流动路径 在工具销上的AS和RS和 研究并预测了连接。焊接接头 这是由T 1工具引脚配置文件显示一些 洋葱圈和闪光和层的间距 洋葱圈图案等于向前的距离。 工具在一个旋转中的运动（图2（a））。这 预测与文献相符。[16,17]。如图2（b）所示， 焊接试样表面无缺陷皮层， 这是一个有效的物质流和 恒定销深。这个接头是用 T 2刀具销型线。根据图2（c），焊接 接头是由T 3工具引脚配置完成的。 在RS上显示一些闪烁，从而产生灵活性。 穿过这一边的材料。这可能归因于 非恒定表面的最高工作压力 搅拌摩擦焊过程中的水平。主要原因 搅拌摩擦焊的焊接缺陷是不稳定的原因。 沉头的设计。最佳下沉控制 焊接工艺可以提供完美的焊接接头。 见于参考文献[ 18 ]。梅兰[ 18 ]报道，销 下沉深度是一个关键因素，很难做到。 受约束的.下沉的深度必须保持不变。 焊接过程。但是，这是不可能提供的 特别是在长板的联合加工过程中，除非 表面光滑。因此，制备 焊接前表面是一个关键因素，必须是 注意。在此基础上，结合 无花果。2（a）和（c），可以得出结论 焊接闪光的发生是不稳定的引脚深度。
再循环物料流的厚度是 也受材料性能、焊接的影响。 换热器参数及传热率。这 由于高纬度地区飞机在高海拔地区占据较大区域。 旋转大动量 肩[ 19 ]。在过渡区，物质转移 主要发生在RS的流动反转 靠近销钉会导致一个停滞区。这个 缺乏物质流对AS的意义 形成缺陷[ 20 ]。因此，它可以是 推断出材料在销轴上的流动 在RS上焊接闪光的另一个原因（图2（c））。 然而，材料的流动受刀具销的影响。 几何[ 5 ]，然后可以得出结论，有 最好的工具引脚配置文件，以获得缺陷 搅拌摩擦焊过程中表面光滑的自由焊缝 6061铝合金。
3.2宏观结构研究
左右两侧不同程度的应变 RS报告在文献21中。中的材料 移动以反对板块运动并被暴露于 更多的剪应力大于材料封闭的RS。 对非消耗性工具具有高塑性。 变形和温度梯度，导致 较高的变形速度对比的卢比。 结果在不同的流量、应力和温度梯度下。 相反，这两个侧面的热循环不同。 诱导不同性质和沉淀分布 焊接区[ 22 ]。中的再结晶面积 TMAZ合金称为NZ传统。这个 材料塑性变形在这个区域（即动态 再结晶）。然而，横截面 所有试样的宏观结构如图3所示。 除t 3标本外，其余标本均为 NZ地表根的无缺陷。无缺陷的NZ是 工具周围有效流动的迹象 销。不适当的物质流导致 NZ的缺陷。工具肩负责 材料集成。有趣的是，材料 只有当材料塑化良好之前，才能正确地进行集成。由于拥有 相似的小肩直径，材料集成 在所有标本中是相同的。因此，形成 用T 3工具销制造的试件中的空洞 配置文件可以归因于无效的物料流。 在工具引脚周围，这是由于过热。 输入。这种过热使金属流动性增加。 使焊接区发生紊流。这在 将结果转化为形成可能性 腔[ 23 ]。
【图2工具销几何形状对焊缝表面质量的影响：（a）螺纹锥形圆柱形销T 1；（b）三角形销T 2；（c）方 引脚T 3】
试件中的材料转变 装配的T 3工具引脚配置文件只发生在 靠近物料流动的销钉的区域是 敷衍。在完成搅拌和随后的部分销结果肤浅的物质流 材料的塑化。这种运动机构 也是由Bahrami等人[ 24 ]支持。然而，它 可以得出结论，其他引脚几何产生一个 销钉周围的表材料流动 在NZ深入材料的塑化。
【图3用不同的工具销轮廓制造的横截面焊接区域的光学图像：（a）螺纹锥形圆柱形销T 1； （b）三角形销T 2；（c）平方销T】
3.3显微结构的观察
每个试样的NZ SEM图像 在明亮的字段（图4）中显示。 所有接头的显微组织比较 目的。图4（b）、（d）和（f）显示放大 图中包围区域的视图。4（a）、（c）和（e）， 分别。图4（a）显示了T 1刀具销形面的界面微观结构。它可以 观察到新西兰谷物是精制而成的。 球形颗粒约14micro;m（图4（b）
图4（c）中所示的焊接接口是 用T 2工具销剖面制作。粮食 在NZ的分布明显比 T 1样本，可能是因为接触面积 T 2针较少。图4（d）也显示了一些谷物 近似球形，形状平均。 size of ~9 micro;m. The frictional area between the T 2 pin and 该材料仅限于三个平面，这是较小的。 比T 1针的接触面积。此外，底部 t 2针的面积比T 3的面积小50%左右。 引脚，而T 1引脚的底部面积为绝对零。 最终，T 2销接触面积减小。 将热量输入NZ，生成更多的精制谷物。 在动态再结晶过程中[ 25 ]。
【图4不同针脚外形搅拌摩擦焊接头6061铝合金焊接熔核区的FESEM显微照片 （a，b）螺纹锥形圆柱销T 1；（C，D）三角形销T 2；（E，F）方销T 3】
图4（e）显示了NZ的粮食结构 由T 3工具销配置的接头。几粒 在NZ可以观察到球形以下的形状。 FESEM技术也发现平均 的晶粒尺寸是~ 16micro;m（图4（f））。T 3工具销 型材比T 1和T 2刀具销产生更大的晶粒。 简介。T 3工具引脚配置产生一个脉动。 由于扁平面在流动材料中的搅动作用。 此外，四个平面的T 3工具引脚配置文件导致 大的接触面积和变形。因此，它可以 推断T 1和T 3试样接收 最小和最大热量输入，分别。在这 研究，可以推断，更小的尺寸 T 2刀具引脚轮廓提供更细的晶粒和所需的热量。 输入的接头比其他型材的引脚。此外， 可以看出，小尺寸侧壁 t 2销能产生球形晶粒。
3.4刀具销廓对温度的影响
晶粒尺寸 刀具销周围的温度 搅拌摩擦焊过程进行了测量，如图5所示。 不同类型刀具销的关系 剖面和三个节理的晶粒尺寸分别为 表示在图6中。最大粒径值 搅拌接头是在接头装配时实现的。 用T 3刀具销廓，而最小晶粒 当用T 2制造接头时，就获得了尺寸。 刀具销廓。因此，可以断定 T 2刀具销轮廓比T 1和T 3给出更细的晶粒。 焊接接头下的工具销轮廓 相同焊接参数。平田等人[ 25 ]， Ilangovan等人[ 26 ]报道，晶粒尺寸 当摩擦热输入减小时，NZ减小。 因此，可以推断T 2刀具销廓型。 减少由于接触小而产生的热量。 从而达到细化晶粒的目的。不同刀具销形对6061晶粒度的影响 铝合金接头
【图5热电偶检测到的瞬态温度 不同的工具销外形】
【图6不同针脚轮廓对6061晶粒尺寸的影响 铝合金接头】
3.5工具肩直径的影响
图7显示了工具肩的效果 NZ温度分布的直径 在靠近肩部的区域，得到 利用ansys软件，对温度进行了解释。 通过可读的温度尺度分布。它是 从图7中可以看出，当焊接区域为 用工具肩直径9毫米进行 摩擦产生的热量明显不如 与工具肩所产生的比较 直径13毫米。相比之下，当直径是 稍微小一些，热量就会集中在小的地方。 肩下接触面积。这反过来，更少的热量。 将传导到热影响区， 导致一些机械性能的增加 沉淀物的体积分数保持不变而不溶解。此外，如果刀具的肩部直径很大，则 由于接触面积大，热输入量会很高。 这些发现与参考文献一致。[ 25,27 ]。
【图7铝板搅拌摩擦焊温度分布 不同的刀肩直径：（a）13毫米；（b）9毫米】
3.6 x射线衍射（XRD）分析
图
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