CN107570861A - 一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法，针对现有表征手段存在的不足，实现无损、方便快捷且准确地对FSW过程中焊缝金属塑性流动的检测表征，具体为：在搅拌摩擦焊对接焊前，在前进侧和后退侧母材的拟焊侧分别嵌入数量不少于三根的纯铜丝作为标识材料，铜丝直径1.0‑1.5mm、长度大于搅拌头轴肩半径，嵌入后与搅拌头及焊接方向呈垂直状态，且在焊接方向上间隔≥10mm、在厚度方向上均分布；搅拌摩擦焊后使用ICT(工业计算机断层扫描机)对焊缝进行三维断层扫描，获得铜丝变形后的三维形貌，用以表征被焊母材焊缝材料在搅拌摩擦焊时的塑性流动特征。本发明的优点是无需破坏焊接试样，操作安全，实用性强，能够快速准确地表征搅拌摩擦焊过程中材料的塑性流动特征。

Description

一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法

技术领域

本发明涉及搅拌摩擦焊技术，尤其涉及一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法。

背景技术

搅拌摩擦焊，即Friction Stir Welding(缩写为“FSW”，为了叙述更简洁，下文均使用“FSW”替代“搅拌摩擦焊”)，是英国焊接研究所于1991年发明的一种固相焊接技术，其原理是将旋转的搅拌头***到焊件，边旋转边向前运动，通过旋转搅拌母材，摩擦生热使被焊材料产生塑性流动并使其最终焊合在一起。FSW过程中母材不会熔化，所以可以避免传统熔化焊产生的液体飞溅、裂纹、气孔等缺陷，在铝、镁等低熔点轻合金材料的焊接上已经广泛应用。

在FSW过程中，焊缝金属的塑性流动是实现焊合的关键，对焊缝质量(焊缝成形、组织和性能等)有着直接影响。然而，受到现有检测方法及手段的限制，目前学术界和工程界对FSW过程中焊缝金属的塑性流动规律和机理并不完全清楚，使FSW焊缝质量的精确调控变得相对困难，也在某种程度上限制了FSW进一步推广应用。

目前，对FSW过程中焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法主要有：异种材料金相组织显示法、彩泥模拟法、标识材料示踪法等，以下分别介绍：

1)异种材料金相组织显示法，是将异种材料通过FSW连接，焊后截取截面制成金相试样，通过异种材料在同一腐蚀液下耐腐蚀性不同而呈现出截然不同形貌的对比，进而探究FSW焊缝金属的塑性流动情况。该方法直观简明，但只能观察材料的宏观流动趋势，而不能观察塑性流动的细节，并且需要破坏试样，因此具有一定的局限性。

2)彩泥模拟法是用彩泥代替金属模拟FSW焊缝金属塑性流动状况的一种方法。但彩泥毕竟是非晶体材料，其显微结构与金属差别较大，故该方法获得的结果与实际情况往往存在较大的差异。

3)标识材料示踪法是最常用于观察FSW焊缝材料塑性流动的实验方法，该法主要通过焊前将标识材料嵌入被焊母材中，焊后观察标识材料位置及形状变化以此来获取材料流动信息，较常使用的标识材料有钢球、铜箔、铝箔、钨粉、铁粉等。但焊后为了观察所嵌入标示材料的变化，往往还是需要采用截取焊缝截面制取金相试样的方法进行观察，不仅需要破坏试样，而且很难观察到标识材料的全貌；也有人采用X射线传输实时成像的方法来观察标识材料的变化，但设备昂贵，且为了防止实验过程中产生X射线泄漏，其实验防护要求很高，在工程实践中的可用性不强。

综上，现有FSW过程中焊缝金属塑性流动的检测方法大致分为两种情况，一种是需要破坏焊接试样，操作繁琐，而且实验结果不准确；另一种无需破坏试样，但实验设备昂贵，对实验条件要求高，实用性不强。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是，如何实现无损、方便快捷且准确的实现对FSW过程中焊缝金属塑性流动的检测表征。

为了解决上述技术问题，本发明中采用如下技术方案：

1)采用多根纯铜丝作为标识材料嵌入被焊母材的拟焊侧中，搅拌摩擦焊后使用ICT(工业计算机断层扫描机)对焊缝进行三维断层扫描，获得铜丝变形后的三维形貌，用该三维形貌表征被焊母材焊缝中金属在FSW时的塑性流动特征；纯铜塑性好、变形抗力小，对焊接母材在FSW过程中的塑性流动影响小，且与铝、镁低熔点轻合金的密度差大，便于后续ICT检测。

2)在焊缝前进侧母材和后退侧母材分别嵌入数量不少于三根的铜丝，分别表征焊缝前进侧和后退侧的塑性流动情况；铜丝直径1.0mm-2.0mm、长度大于搅拌头轴肩半径，嵌入后与搅拌头及焊接方向均呈垂直状态，且在焊接方向上的间距不小于10mm(避免铜丝间相互干扰)、在母材厚度方向上均匀分布(分别表征焊缝厚度方向相应部位的塑性流动情况)。

3)具体操作步骤如下：

首先、在焊接母材拟焊侧的横截面上钻孔，深度大于搅拌头轴肩半径，孔的方向与搅拌头及焊接方向均垂直；在焊缝前进侧母材和后退侧母材上所钻的孔数量均不少于三个，且孔在焊接方向上的间距不小于10mm、在母材厚度方向上均匀分布。

其次、将直径与孔径相当的清洁铜丝嵌入孔中。

再次、将焊接母材嵌有铜丝的一侧作为被焊侧，按照对接焊的装夹方式将焊接母材装夹于搅拌摩擦焊机上，按照常规搅拌摩擦焊程序完成对接焊接。

最后、焊后采用ICT(工业计算机断层扫描机)对焊缝进行三维断层扫描，获得变形后铜丝的三维形貌，用该三维形貌表征被焊材料在在搅拌摩擦焊时的塑性流动特征。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1)与现有非无损式表征方法相比，本发明为无损表征，无需破坏焊接试样，而且快速准确。

2)与现有无损型表征方法(X射线传输实时成像法)相比，本发明所采用的表征方法更为方便快捷，为事后表征检测，操作的安全性更强，实用性也更强。

附图说明

图1为实施例中铜丝嵌入孔的位置和尺寸；其中：(1)-前进侧母材，(2)-后退侧母材，(3)-焊接方向

图2为实施例中用ICT对焊缝进行扫描后获得的铜丝变形后形貌；其中：(a)-俯视图，(b)-侧视图，1-实施例1(铝合金母材)，2-实施例2(镁合金母材)

图3为实施例中用ICT对焊缝进行扫描后获得的铜丝变形后形貌；其中：(a)-视角1，(b)-视角2，1-实施例1(铝合金母材)，2-实施例2(镁合金母材)。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：

焊接材料：焊接母材为ADC12铝合金，4mm厚；焊前，在焊接母材被焊侧的横截面上钻孔，孔的直径为1.4mm、深度10mm，孔与搅拌头及焊接方向垂直；孔的位置分别取在横截面的底部，中部和上部，以便观察沿焊缝厚度方向金属的塑性流动特征；采用常规物理和化学处理方法对母材和铜丝进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水。

焊接设备及工艺参数：搅拌摩擦焊采用的是北京赛福斯特有限公司生产的，型号为FSW-3LM-4012的焊机；焊接形式为对接焊，焊接速度为100mm/min，转速为1300r/min，搅拌针长度4mm，轴肩直径8mm，右旋螺纹，倾角为2.5°，不偏移。

焊后锯掉多余母材、留下镶嵌有铜丝的焊缝部分，采用ICT对焊缝进行三维断层扫描，获得铜丝的三维形貌，用该三维形貌表征被焊材料在在搅拌摩擦焊时的塑性流动特征，结果如图2和图3所示。

实施例2：

焊接材料：焊接母材为AZ91D镁合金，4mm厚；焊前，在焊接母材被焊侧的横截面上钻孔，孔的直径为1.4mm、深度10mm，孔与搅拌头及焊接方向垂直；孔的位置分别取在横截面的底部，中部和上部，以便观察沿焊缝厚度方向金属的塑性流动特征；采用常规物理和化学处理方法对母材和铜丝进行焊前清理，去除表面氧化膜、油污和水。

焊接设备及工艺参数：搅拌摩擦焊采用的是北京赛福斯特有限公司生产的，型号为FSW-3LM-4012的焊机；焊接形式为对接焊，焊接速度为120mm/min，转速为1500r/min，搅拌针长度4mm，轴肩直径8mm，右旋螺纹，倾角为2.5°，不偏移。

焊后锯掉多余母材、留下镶嵌有铜丝的焊缝部分，采用ICT对焊缝进行三维断层扫描，获得铜丝的三维形貌，用该三维形貌表征被焊材料在在搅拌摩擦焊时的塑性流动特征，结果如图2和图3所示。

需要指出的是，以上实施例仅是对本发明作的更详尽阐述而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法，其特征在于：采用多根纯铜丝作为标识材料嵌入被焊母材的拟焊侧中，搅拌摩擦焊后使用ICT(工业计算机断层扫描机)对焊缝进行三维断层扫描，获得铜丝变形后的三维形貌，用该三维形貌表征被焊母材焊缝中金属在搅拌摩擦焊时的塑性流动特征。

2.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法，其特征在于：在焊缝前进侧母材和后退侧母材分别嵌入数量不少于三根的铜丝，铜丝直径1.0mm-2.0mm、长度大于搅拌头轴肩半径，嵌入后与搅拌头及焊接方向均垂直，且在焊接方向上的间距不小于10mm、在母材厚度方向上均匀分布。

3.根据权利要求1所述搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动特征的检测表征方法，其特征在于，具体操作步骤如下：

1)在焊接母材拟焊侧的横截面上钻孔，深度大于搅拌头轴肩半径，孔的方向与搅拌头及焊接方向均垂直；在焊缝前进侧母材和后退侧母材上所钻的孔数量均不少于三个，且孔在焊接方向上的间距不小于10mm、在母材厚度方向上均匀分布。

2)将直径与孔径相当的清洁铜丝嵌入孔中。

3)将焊接母材嵌有铜丝的一侧作为被焊侧，按照对接焊的装夹方式将焊接母材装夹于搅拌摩擦焊机上，按照常规搅拌摩擦焊程序完成对接焊接。

4)焊后采用ICT(工业计算机断层扫描机)对焊缝进行三维断层扫描，获得变形后铜丝的三维形貌，用该三维形貌表征被焊材料在在搅拌摩擦焊时的塑性流动特征。