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镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊工艺参数对接头扩散程度的影响

时间:2018-07-27 13:01:46

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镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊工艺参数对接头扩散程度的影响

0 序 言

搅拌摩擦点焊(friction stir spot welding, FSSW)是基于搅拌摩擦焊(FSW)新近研发的一种新的焊接方法,因其具有经济、高效等众多优点能够代替传统点焊方法用于汽车工业,尤其在焊接轻质合金时具有工艺简单、清洁、接头质量高等优势,具有非常高的应用价值和市场潜力[1-2].

在企业发展过程中,对员工采取激励措施是一种常见现象。采用多元化的激励方式,必须注重不同激励方式之间的交互关系和协同作用。让不同激励方式共同激发员工潜能,从而促进技术创新。将协同原理运用在高管薪酬激励对技术创新的影响研究中,可以更全面地探究二者间的关系。以此激励高管进行技术创新,可以更大程度上发挥激励方式的协同效应。

现有的FSSW 有两种形式[3],一种形式是日本川崎和日本马自达公司共同研究开发的,其焊后工件的外形特征是在工件上形成一个匙孔;另一种是由德国GKSS 研究所和Riftic公司研究开发的,它完全消除了用日本FSSW 形式所形成的焊点匙孔,焊点表面与工件表面基本齐平,外形美观,接头强度也明显改善.后者虽然能完成无匙孔的点焊接头,但其只是针对轻质合金的无匙孔焊接[4-7].镁合金是现代工业用合金中密度最轻的合金之一,具有较高的强度质量比[8].DP600双相钢具有高强度、高成形性等性能,尤其适用于汽车车体的制造[9].镁合金的广泛应用必将涉及与其它金属的连接问题,镁与钢的连接就是其中之一[10].

试验采用最新自行设计与加工制造的工作台可旋转无匙孔FSSW机构对1 mm厚的DP600镀锌钢板和3 mm厚的AZ31B镁合金板进行搭接点焊试验,基于镁合金的塑性较差,匙孔的回填效果较差,故选择钢板在上,镁板在下的搭接方式[11].采用在不同的焊接工艺参数(搅拌头转速、轴肩下压量和搅拌针伸出量)组合下,对镁钢异种金属进行无匙孔搅拌摩擦点焊,并进行力学性能测试.利用正交试验,确定上述三种工艺参数影响的主次因素并确定最优方案.采用WE-100型万能材料试验机测试点焊接头的剪切力,并对不同参数下的点焊接头进行扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)及能谱分析(EDS),探讨工艺参数对镁钢点焊接头元素扩散程度的影响.

我咋流氓了。你不要听外人瞎戳哄,他们是唯恐天下不乱的那种人。他们盼着你把事情做大,你杀了我,然后吃枪子,你老婆不又成了别人的老婆吗?自己的老婆成了别人的老婆,让别人天天搂着睡,天天弄那事,你在九泉之下做鬼也不踏实哩。

1 试验方法

试验用1 mm厚DP600镀锌钢板和3 mm厚AZ31B镁合金板尺寸均为150 mm×50 mm,两种材料的供货状态均为轧制成形,其搭接方式如图1所示,两种材料的化学成分如表1与表2所示.

图1 搭接方式示意图(mm)

Fig.1 Schematic of lap joint

表1 试验用DP600镀锌钢板化学成分(质量分数,%)

Table 1 Chemical compositions of DP600

Mn Si Cr Ni 0.11 1.6 0.182 0.34 0.027 Nb Ti V Mo Fe 0.003 7 0.002 0.003 5 0.098 余量C

表2 试验用AZ31镁合金化学成分(质量分数,%)

Table 2 Chemical compositions of AZ31 magnesium ally

Al Zn Mn Ni Si Fe Mg 3.01 0.9 0.5 0.005 0.04 0.005 余量

在不同的焊接工艺参数(搅拌头转速、轴肩下压量和搅拌针伸出量)组合下,对镁钢进行搅拌摩擦点焊,通过正交试验确定影响因素的主次和最优试验方案,然后对接头进行宏观、微观形貌及界面元素分布分析.

试验在实验室新研制设备上进行,新设备的焊接原理与实验室原有设备不同,原有设备的工件通过夹具固定在工作台上,在焊接过程中工件不旋转,而新设备的工件通过夹具固定在一个可旋转的工作台上,其焊接过程分为三个阶段.(1)搅拌针插入;(2)当轴肩下压量到达设定值,保压结束后,工作台开始平移1 mm,同时固定工件的工作台开始转动,且搅拌针开始回抽,工作台平移与旋转产生新的塑性变形金属,这些金属正好填充搅拌针回抽在工件里形成的空腔,当搅拌针回抽到与轴肩一个平面时,匙孔被填充完毕,得到无匙孔焊点;(3)最后工作台停止旋转,搅拌头整体上升,完成焊接.该焊机与原有设备相比得到的无匙孔焊点面积更大,连接强度更高,得到成形美观的圆形焊点.焊接过程如图2所示.选用沉淀强化高温镍基合金GH4169作为搅拌头的加工材料,其化学成分如表3所示.

图2 焊接过程示意图

Fig.2 Welding process diagram

表3 GH4169化学成分(质量分数,%)

Table 3 Chemical compositions of GH4169

Ni Cr Mo Nb Co C Mn Si S Cu Al Ti Fe 55 21 3.3 5.50 1.0 0.08 0.35 0.35 0.015 0.30 0.80 1.15 余量

2 试验结果及分析

2.1 试验数据计算与分析

选择搅拌头转速、轴肩下压量、搅拌针伸出量三个参数作为因素,每一个因素选取三个水平(表4),选用L9(34)正交表来安排FSSW试验,正交试验结果如表5所示.

(3)接缝处理。新建沥青路面接缝通常可分为横向接缝和纵向接缝。横向接缝施工常采用平接缝方式处理,沿纵向方向与垫板平齐部位进行施工,然后使用锯缝机将接头整平铲除。在连续施工时需对摊铺层锯切残留灰浆进行清理,并用黏层沥青进行涂抹。当存在纵向接缝时,要使用两台以上的摊铺机实行橡胶沥青路面的热接施工,在一定条件下,还可采用碾压方式碾平接缝交接痕迹。

从表5中可以看出试验号为5的方案拉伸剪切力最大,即抗剪强度最大.故初步确定为最优方案(A2B2C3),即搅拌头转速1 200 r/min,轴肩下压量0.3 mm,搅拌针伸出量2.0 mm.从极差值RB>RA>RC,表明影响因素主次为轴肩下压量→搅拌头转速→搅拌针伸出量.从焊接过程看,轴肩下压量的大小决定焊接接头热输入量的大小,同时也影响匙孔的回填效果,轴肩的下压可以将搅拌针插入时挤压出的母材随着搅拌针的回抽重新回填到匙孔,故轴肩下压量对试验结果的影响最大.

表4 因素-水平表

Table 4 Factor-level table

水平1 1 400 0.1 1.2水平2 1 200 0.3 1.6水平3 1 000 0.5 2.0

表5 正交试验结果

Table 5 Results of orthogonal tests

试验号 A搅拌头转速v/(r.min-1)拉伸载荷Fm/kN 1 1 400 0.1 1.2 8.4 2 1 400 0.3 1.6 9.8 3 1 400 0.5 2.0 9.1 4 1 200 0.1 1.6 8.7 5 1 200 0.3 2.0 10.1 6 1 200 0.5 1.2 9.2 7 1 000 0.1 2.0 7.3 8 1 000 0.3 1.2 8.4 9 1 000 0.5 1.6 9.5 K1 27.30 24.40 26.00 -K2 28.00 28.30 28.00 -K3 25.20 27.80 25.10 -k1 9.100 8.133 8.667 -k2 9.333 9.433 9.333 -k3 8.400 9.267 8.833 -极差R 0.933 1.300 0.433 -B轴肩下压量d/mm C搅拌针伸出量h/mm

2.2 点焊接头的宏观形貌分析

在最优参数下,镁钢点焊接头如图3所示,圆形焊点表面平整美观,中心没有匙孔,焊点周围几乎无飞边,成形较好.

图3 最优参数下点焊接头表面成形

Fig.3 Joint appearance under the optimal parameters

图4 为不同工艺参数下的接头宏观形貌,从图4a和图4b中可以看出,当搅拌头转速较低时,由于热输入不足,镁和钢的塑性程度不高,匙孔不能被完全填满,导致表面出现凹坑,成形不好;当搅拌头转速较大时,金属几乎完全塑化,匙孔被完全填满,但焊接过程中接头温度迅速升高,使轴肩失效,大片的轴肩材料粘附在接头表面上,成形较差.图4c和图4d中,当轴肩下压量较小时,焊点周边没有明显“飞边”等缺陷,匙孔被完全填满,点焊接头表面成形美观;当轴肩下压量较大时,部分金属在轴肩的挤压下溢出,焊点周边出现“飞边”缺陷,同时,由于温度较高,轴肩大量粘附在接头上,表面成形不好,而且力学性能也较差.图4e和图4f中,当搅拌针伸出量较小时,只有少量的金属被搅拌,塑性流动较差,致使接头的强度降低,当搅拌针伸出量较大时,被搅拌的金属较多,塑性流动及成形较好,连接强度较高.但搅拌针伸出量过大时,匙孔不能被完全填满,表面会出现一个凹坑.

图4 不同参数下的接头形貌

Fig.4 Joint appearance under different parameters

2.3 接头界面元素分布分析

在最优工艺参数下,得到优质的镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头,沿接头纵向切开,观察金相组织,如图5所示.从图可知,点焊接头可分为搅拌区和扩散区,在搅拌区,镁钢连接界面上出现“钉子”、“弯钩”状形貌,镁钢互相嵌入到对方的基体中,形成机械互锁结构,将两者牢牢的连接在一起,得到了优质的点焊接头;在扩散区,由于只受到轴肩的高速摩擦作用,镁钢界面比较平整,连接紧密.通过对界面元素及物相分析,可知在该区域界面上发生了元素的重新分布,并形成一系列金属间化合物.

图5 最优参数下点焊接头截面宏观形貌

Fig.5 Macroscopic morphology under the Optimal parameters

图6 a,b分别为最优参数下搅拌区和扩散区的SEM形貌,在搅拌区主要以机械结合为主,而在扩散区没有明显的机械互锁结构,扩散区的连接主要靠焊接过程中生成新的中间层的作用,故只分析扩散区界面上的元素分布.

图6 点焊接头微观形貌

Fig.6 Microstructure of the joint

从图6b可知,中间层的厚度约8 μm.通过对接头进行XRD物相分析,如图7所示,界面上除了Fe,Mg元素的扩散外,还有由Fe,Al,O和Mg元素扩散形成的(Mg) x(Fe) y(O) z复合相[12]及Fe3Al,MgZn2等金属间化合物.说明在扩散区,元素通过扩散发生了冶金反应.

2.4 工艺参数对元素扩散程度影响分析

图7 截面XRD图谱

Fig.7 X-ray Diffraction patterns

图8 不同参数下接头扩散区界面形貌和元素分布

Fig.8 Interface morphology and elemental distribution under different parameters

试验所选的三个工艺参数中,搅拌头转速和轴肩下压量对元素扩散程度影响较大,以下主要分析搅拌头转速和轴肩下压量对点焊接头扩散程度的影响,结果如图8所示.从图中可以看出,镁钢界面的Zn元素含量存在差异,在焊接过程中,Zn元素主要从镁侧扩散到中间层.图8a和图8b中镁钢界面处扩散层厚度约3和15 μm,即随着转速增加时,扩散层化合物厚度在增加,主要因为搅拌头的转速较大时,热输入量较大,焊接区温度迅速升高,增大了金属间的固溶度,生成更多的金属间化合物,但是当搅拌头转速过大时,金属间化合物层上会出现微孔,降低镁钢接头的连接强度.因而在一定的转速范围内(1 000~1 400 r/min),增大搅拌头的转速可以促进镁钢中元素之间的扩散.图8c和8d中间层的厚度约5和18 μm,即随着轴肩下压量的增加,扩散层的厚度也在增加,主要是因为随着轴肩下压量的增加,施加在工件上的顶锻力增大,从而提供了较大的焊接热输入,促使金属间化合物的形成.在一定的范围内(0.3~0.5 mm)增大轴肩下压量可以促进镁钢中元素的扩散.

3 结 论

(1) 在最优工艺参数下,镁钢点焊接头表面成形较好,在搅拌区镁钢呈“钉子”、“弯钩”状分布,机械连接强度高,扩散区界面清晰,连接紧密.

在分析电能表用外置断路器通以恒定电流时由内向外的热传导过程的基础上,基于热电比拟理论建立了EM断路器的热通道热点温升计算模型。通过建模仿真比较了在不同的负荷电流下,所提热通道法和有限元法对内部导体和外壳热点温升计算的结果可知,由于所提模型在计算模型参数时对传热学公式做了近似处理,故求得的温升误差相比于有限元法略大,但最大误差不超过8.6%,且计算速度稍快。如何提高其计算准确度,使计算结果满足断路器状态监测和负载能力评估的应用需求,值得进一步研究。

(2) 在镁钢界面处发生了元素扩散,形成了多种金属间化合物,有一定的冶金结合,在最优工艺参数下扩散层厚度为8 μm,焊缝中形成了Fe,Al元素的金属间化合物,此外,还存在Mg,Zn及Mg,Al元素形成的金属间化合物.

(3) 在一定范围内,随着搅拌头的转速、轴肩下压量增加时,扩散层的厚度也在大幅增加,主要是由于当转速和轴肩下压量增加时,使得焊接区的温度迅速升高,增大了界面处元素之间的扩散程度.

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