搅拌摩擦加工工艺参数对5083铝合金接头性能的影响.pdf-资料库

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中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 搅拌摩擦加工工艺参数对 5083 铝合金接头性能的影响丁强，李红军，刘迪，杨鹏** （浙江理工大学机械与自动控制学院）摘要：通过正交试验法选取最具代表性的实验参数进行搅拌摩擦加工，研究旋转速度、焊接速度和下压量对 5083 铝合金 FSP 接头组织性能的影响，并对加工完成后的式样进行力学性能分析、金相观察分析和显微硬度测试。研究结果表明：对于 5083 铝合金最优的工艺参数为：旋转速度 1300r/min、焊接速度 400mm/min、下压量 0.3mm，此时的抗拉强度为 214MPa，达到母材的 93.05%。经过搅拌摩擦加工后焊核区的晶粒会得到明显的细化，为细小的等轴晶粒，晶粒尺寸为 10um 左右。焊接热输入会导致接头存在一段软化区域，上部和下部的软化区域宽度分别为 16mm 和 7mm，接头上部软化区域的硬度较低，在接头后退侧的硬度会略低于前进侧。关键词：搅拌摩擦加工；5083 铝合金；正交试验中图分类号：TG456.9 Influence of Friction Stir Processing parameters on the properties of 5083 aluminum alloy joints DING Qiang, LI Hongjun, LIU Di, YANG Peng (School of mechanical and automatic control ，Zhejiang Sci-tec University) Abstract: Through orthogonal test to select the most representative of experimental parameters on friction st ir p rocessing,study t he e ffectiveness of r otation spe ed、welding s peed a nd pr essing amount on t he p roperties of 5083 a luminum a lloy F SP j oint organization,and t hen t esting t he mechanical p roperty、microstructure、microhardness of th e jo int.Results sh ow that t he most optimized p rocess p arameters i s:rotation s peed i s 1300r /min;welding s peed i s 400 mm/min a nd pressing amount is 0.3mm.At this time,the tensile strength is 214MPa,is about 93.05% of the base metal.After FSP,the grain size on the nugget zone will be much more small,it is the fine equiaxed grain,the siz e is a bout 1 0um.The j oint w ill exist a s oftening a rea b ecause of t he welding heat input.The width of softening zone on the upper s urface and b ottom surface is about 16 mm and 7mm.Compared to the bottom surface,the hardness of the upper softening zone will be smaller.In the joint,the hardness will be slightly below the advancing side of the retreating side. Key words: Friction stir processing;5083 aluminum alloy;Orthogonal test 5 10 15 20 25 30 35 0 引言搅拌摩擦加工是 Mishra 等人在搅拌摩擦焊演变而来的一种加工技术，其原理是通过搅拌头的强烈搅拌作用使被加工材料发生剧烈塑性变形、混合、破碎，实现微观 40 结构的致密化、均匀化和细化。与传统的加工方法相比，搅拌摩擦加工可以消除铸造产品中的缩松、缩孔等缺陷，还可以细化晶粒，进而提高材料性能[1-4]。在搅拌摩擦加工过程中，搅拌摩擦加工工艺参数会对接头性能产生重要影响。因此，探作者简介：丁强（1992-），男，硕士研究生，主要从事搅拌摩擦焊接方面研究通信联系人：李红军（1981-），男，副教授，主要从事搅拌摩擦焊接方面研究. E-mail: lihongjun@zstu.edu.cn - 1 -

45 50 55 60 65 70 75 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 究 5083 铝合金的工艺参数显得尤为重要。本研究以 5mm 厚的 5083 铝合金作为研究对象，采用正交试验法选取最具有代表性的实验参数进行搅拌摩擦加工，对加工所得到的式样进行拉伸试验、硬度试验及金相组织观察试验。以研究式样的接头性能与搅拌头旋转速度、焊接速度、下压量之间的关系。 1 试验方法 1.1 试验材料试验选取了 5mm 厚的 5083 铝合金作为试验材料，尺寸为 200×100×5mm，化学成分如表 1 所示。表 1 5083 铝合金化学成分(%) Table1 chemical composition of Aluminum alloy（%） Si 0.4 0. Cu M g Zn 4.5 0. 1 25 Mn 0.4 Ti 0.15 Cr 0.25 Al Fe 0.4 余量 1.2 正交试验正交试验计划如下表 2 所示，搅拌头旋转速度分别为 600r/min、1000r/min、1300r/min、 1500r/min；焊接速度分别为 100mm/min、200mm/min、300mm/min、400mm/min；轴肩下压量分别为 0.2mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm。以 A、B、C 分别表示方差分析中的因素：旋转速度、焊接速度和下压量。表2 试验计划表 Table2 T est of schedule 焊接速度旋转速度（mm/min）（r/min） /min 100mm/min 200mm/min r/min 300mm/min /min r/min 400mm/min 轴肩下压量（mm） 0.2mm 0.3mm 0.35mm 0.4mm 因素试验号 1 600r 2 1000 3 300r 4 1500 1.3 试验过程用正交试验方法选取工艺参数在 5083 铝合金板的宽度方向上进行长为 150mm的一道次加工。加工完成后，切取拉伸式样进行拉伸试验；切取式样进行粗磨和精磨，待完成后在抛光机上进行粗抛和精抛。抛光完成后对式样进行电解抛光和阳极附膜。待阳极附膜完成后，用清水洗净，然后用酒精擦洗，直到能在显微镜下看到晶粒组织为止，进行金相试验。将式样抛光至显微镜下无划痕后，分别测试式样上部和下部的显微硬度。 2 试验结果分析 2.1 正交试验结果在拉伸机上测得的正交试验结果如表 3 所示。抗拉强度以 iY 表示。 - 2 -

80 85 90 95 100 105 110 115 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 表3 抗拉强度结果 Table3 R esult of Tensile strength A B 1 2 1 1 1 2 1 3 1 4 2 1 2 2 2 3 2 4 3 1 3 2 3 3 3 4 4 1 4 2 4 3 4 4 C 3 1 2 3 4 2 1 4 3 3 4 1 2 4 3 2 1 4 1 2 3 4 3 4 1 2 4 3 2 1 2 1 4 3 5 1 2 3 4 4 3 2 1 2 1 4 3 3 4 1 2 iY 183.7 193.3 182.1 189.3 212.5 198.5 199.4 212.5 208.9 213.1 194.8 214.0 207.3 209.7 200.3 208.4 748 812 785 823 815 820 831 777 813 826 824 809 807 810 808 810 816 802 797 806 表头列号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 jⅠ jⅡ jⅢ jⅣ 2.2 正交试验结果分析 CT 由公式 S j=Z - j =Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 2 j 2 j + 2 j + 2 j CT = Z j + 4 f 5 eS = S 4 + S 5 = ef f 4 + = f A f B = 16 =  Y i i = 1 2 G 16 f C G = 3 经过计算可知： = F A 查 F 表可得：结论： F 0.01(3,6) 9.78 = 40.74 f f A e S A S e = = F B S B S F 0.05(3,6) 4.76 = f f e e F 0.1(3,6) 3.20 = B = 11.57 = F C S C S e f f C e = 6.03 - 3 -

120 125 130 135 140 145 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn （1）表 4 为搅拌摩擦加工正交试验结果方差分析表。由表可知：在搅拌摩擦加工过程中，旋转速度与焊接速度水平的改变对式样拉伸性能有高度显著的影响；轴肩下压量的水平的改变对式样拉伸性能有显著影响。（2）图 1 为旋转速度、焊接速度、下压量与抗拉强度之间的关系。由图可知：旋转速度、焊接速度、下压量应分别取 3 水平、4 水平和 2 水平。即最优的搅拌摩擦加工参数组合为 A3B4C2（旋转速度为 1300r/min、焊接速度为 400mm/min、下压量为 0.3mm）。此时：抗压强度为 214MPa；屈服强度为 112.4MPa；断后延伸率为 18.37%。表 4 方差分析表 Table4 A nalysis of variance table 方差来源偏差平方和自由度平均偏差平方和 383.6 108.9 56.8 9.4 A B C 误差 3 3 3 6 AS = BS = CS = eS = 1150.8 326.7 170.3 56.5 F 比显著性 40.74 11.57 6.03 高度显著高度显著显著 840 δb 830.8 旋转速度 825.7 822.9 840 δb 焊接速度 824.2 800 760 748.4 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 840 δb 810 780 812.4 814.6 776.6 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 820.1 下压量 813.2 809.1 810 780 785.4 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 图 1 工艺参数与抗拉强度关系 Fig.1 Relationship between parameters and strength 2.3 接头金相组织分析图 2 为接头式样的宏观图片。图 3 所示分别为式样 12（旋转速度、焊接速度和轴肩下压量分别为 1300r/min、400mm/min、0.3mm）的焊核区及各个区域的微观组织照片。由图可知，（1）由于板材为轧制板，使得沿轧制方向晶粒被拉长，形成带状组织；（2）焊核区的组织没有明显的方向性，晶粒有明显的细化，为细小的等轴晶粒。该区域材料在搅拌针强烈的搅拌作用和轴肩的摩擦热作用下，发生了严重的塑形变形，达到了再结晶的条件而发生了再结晶，晶粒发生细化；（3）热机影响区的晶粒尺寸较大于焊核区晶粒尺寸。这是因为该区域在焊接过程中同时受到机械搅拌和焊接热循环双重作用，部分材料发生变形，晶粒发生长 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 大；（4）前进侧和后退侧热机影响区和焊核区之间都会存在着明显的过渡。但是前进侧晶粒的变化程度更大，与母材晶粒的差异更为明显。这是因为前进侧塑化金属的流向与母材的相对动方向相反，后退侧塑化金属的流向与母材的相对运动方向相同[5-7]。 150 图 2 接头宏观图 Fig.2 Macro figure of joint 155 焊核区热机影响区前进侧后退侧 160 165 170 母材区图 3 接头微观组织 Fig.3 Fine texture of joint 2.4 接头硬度分析搅拌摩擦加工式样的显微硬度值如下图 4 所示。图中的两条曲线分别代表了式样的上部和下部的显微硬度值。由图可知，两条曲线都有一段硬度较低的区域（软化区），上部和下部的软化区的宽度分别为 16mm 和 7mm，这与搅拌头的形状基本吻合（搅拌头轴肩直径为 15mm，搅拌针端部直径为 3.66mm）。在软化区下部的硬度值要高上部的硬度值，这是因为在搅拌摩擦加工过程中，下部所产生的热量要低于上部，热输入会使得材料原来的加工硬度被消除，所以硬度降低，形成软化区[8-9]。这也可由晶粒尺寸的大小来解释，下部的晶粒尺寸要低于上部的晶粒尺寸，晶粒越小，同样大小的一块材料中，晶界就越多，对位错运动 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 的阻碍就越大，材料形变的阻力就越大，宏观上就表现为硬度较高。后退侧的显微硬度比前进侧的低，这是因为后退侧的热输入量更大，软化程度大。 / V H 度硬微显 88 86 84 82 80 78 76 74 72 70 68 -15 BMZ TMAZ TMAZ HAZ WNZ HAZ BMZ 上部下部 Advancing Side Retreating Side BMZ HAZ TMAZ WNZ TMAZ HAZ BMZ -10 0 -5 5 距焊距的距距/mm 10 15 图 4 显微硬度分布曲线 Fig.4 T he microhardness distribution curve 3 结论（1）运用正交试验法，得到了 5083 铝合金最优搅拌摩擦工艺参数为：旋转速度为 1300r/min、焊接速度为 400mm/min、下压量为 0.3mm，此时旋转速度与焊接速度的比值为 3.25。（2）旋转速度和焊接速度对接头的拉伸性能有着高度显著的影响，而下压量对接头性能的影响没有那么显著。（3）经过搅拌摩擦加工后，加工区域晶粒的尺寸会得到细化，焊核区为细小的等轴晶粒，尺寸约为 10um 左右。接头上部的晶粒尺寸会大于接头下部的晶粒尺寸。（4）焊接热输入会导致接头存在一段软化区域，上部和下部的软化区域宽度分别为 16mm 和 7mm，接头上部区域的硬度较低。在接头的后退侧的硬度会低于前进侧。 [参考文献] (References) [1] 王瑞卓,刘拥军,周友龙等.焊接规范对6061铝合金FSW接头组织性能的影响[J].电焊机,2013,43(10)： 102-105. [2] 栾国红.铝合金搅拌摩擦焊[J].焊接技术,2003,32(1):1-4. [3] 邱宇,郭晓娟,李光等.5083 铝合金的搅拌摩擦焊研究[J].电焊机,2014,44(4):58-61. [4] 曹朝霞.搅拌摩擦焊工艺研究[D].大连:大连铁道学院,2002. [5] 崔少朋, 朱浩, 郭柱等 . 焊接参数对 7075 铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能的影响 [J]. 焊接技术,2015,44(2):24-27. [6] Rajakumar S,Muralidharan C and Balasubramanian V.Influence of friction s tir w elding process and tool parameters on strength properties of AA7075－T6 aluminum alloy joints[J].Materials and Design,2011,32(2):535－549. - 6 - 175 180 185 190 195

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 200 [7] 何建军,李玉斌,李盛和,等.7075 铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能研究[J]. 金属铸锻焊技术,2011,40(19):142－144. [8] 杨阳.5083铝合金高温变形行为及超塑性研究[D].湖南:中南大学,2007. [9] Hao H L,Ni D R，Huang H,etal.Effect of welding parameters on microstructure and mechanical properties of friction stir welded Al-Mg-Er alloy[J].Materials Science and Engineering A,2013,5(59):889-896 - 7 -

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