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异种金属钎焊与固相焊新技术
查看:818  发稿日期:2016-01-13 20:01:19

1    搅拌摩擦焊的优点与存在问题             

     搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是英国焊接研究所于1991年发明的一种尤为适于Al材的固态焊接技术。其核心技术特征在于采用了由粗肩与细针组成的同轴台阶式耐磨工具(搅拌头)。肩的主要作用在于:保护、摩擦加热(包括预热与维持两方面)、保证焊缝表面光滑成形、锻压焊缝、驱动表层塑化材料转移等;针的主要作用在于:搅拌、破膜、界面混合、转移塑化材料等。搅拌头所采用的这种分段式特殊结构为同时实现焊缝表面光滑成形(主要靠肩)与焊缝内部界面混合(主要靠针)创造了条件。另一方面,利用工件/工具间的摩擦热代替工件/工件间的摩擦热,从而为工件固定、工具运动创造了条件, 进而为其适用于各种接头型式(对接、搭接、角接等)创造了条件。        

      迄今为止,适于Al材的焊接技术有:交流TIG及VPTIG(变极性TIG)、MIG、VPPAW(变极性等离子弧焊接)等。与上述熔焊工艺相比,属于固态焊接的FSW具有显著优点:耗能小、无须焊丝与保护气体、焊接变形小、参与应力水平低、焊缝晶粒不易长大、无热裂纹与气孔这两类与凝固有关的缺陷、适于各种Al合金(包括熔焊无法焊接的硬铝——2XXX系列、超硬铝 ——7XXX系列)等。由于FSW的上述优点,美国波音公司(Boeing Co.)、美国国家宇航局(NASA)早在1994年以后便采用了FSW焊接技术焊接Al合金。               

FSW存在的问题主要有:            

     (1)要求母材必须能够被刚性固定于工作台面。对此,目前已有采用双肩搅拌头的改进型焊接技术的报道。             

     (2)焊缝末端存在针拔出时残留的匙孔(keyhole)。对此,已有采用可伸缩针的改进型焊接技术的报道。            

     (3)当母材之一或两种母材均为屈服强度较高的材料(如钢材)时,搅拌头磨损严重。目前尚难以应用于钢材的焊接。对此,日本有人采用陶瓷搅拌头。但陶瓷搅拌头存在制备难、加工难、价格贵、供货及时性差等经济与技术不足,难以在工业领域普遍推广。               

FSW的改进工艺方兴未艾,在美国于1995~2006年间已有50项相关专利被授权[1]。

      为解决Al与异种高强金属材料(如铜、钢、不锈钢等)焊接过程中的工具磨损问题,拓宽搅拌摩擦焊的应用范围,西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺—— 搅拌摩擦钎焊(FSB:friction stir bra-zing)与嵌入式搅拌摩擦点焊(EFSSW:embedding friction stir spot welding),并均已申报国家专利。其中FSB不仅可用于Al/steel焊接,还可用于制备Al/steel 双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究成果。  

2      Al/steel搅拌摩擦钎焊  

2.1    搅拌摩擦钎焊的推出              

       虽然搅拌摩擦焊在国内外业界有强势影响,但搅拌摩擦焊并非万能的:最典型的情况是当母材之一是钢材时(制备双金属板时,常常有一种为较硬的钢材)经典搅拌摩擦焊便难以胜任。其原因在于:若使用普通工具钢制搅拌头,则因工具严重磨损而难以为继(除非采用陶瓷搅拌头,不仅价贵、易碎且市场供货难以保证);若为了避免工具磨损而采用无针式搅拌头时,则无论如何调整参数,两板界面上无变形、无粘附,界面结合极差, 断裂于原始界面。此时,恰好正是搅拌摩擦钎焊的用武之地。  

2.2    搅拌摩擦钎焊工艺、机理与应用               

       为了避免钢材与针的直接接触导致的对针的严重磨损,搅拌摩擦钎焊(friction stir brazing,FSB)在所用工具、压入深度、能量利用重点方面均不同于传统搅拌摩擦焊。(1)FSB所采用的工具为无针工具,这是FSB区别于FSW的一个显著特征。(2)FSB要求柱状工具的压入深度较浅,无须穿透Al母材而达到Al/steel界面,这是FSB 区别于搭接搅拌摩擦焊(FSLW)的一个显著特征。(3)在这种使用无针工具的情况下,上/下界面之间的破膜、机械混合因丧失了针的搅拌作用而难以实现。为此,提出采用冶金途径—— 即预置中间层,利用冶金反应(共晶反应、还原反应)、溶解代替机械破膜与机械混合,以实现上/下界面之间的洁净、致密连接。该思路的特点在于充分挖掘摩擦加热及Al母材热传导快的可能潜力,以降低对界面处机械搅拌的要求,从而免去对针的磨损。只要界面温度适可,便有可能在免机械搅拌情况下,实现上/下界面之间的致密、牢固的连接。相比而言,传统搅拌摩擦焊更侧重于利用强烈塑性变形及其引发的动态再结晶来形成致密、牢固的接头。              

      当加入锌钎料后,基于活用搅拌摩擦热源的思路,以清洁、高效的摩擦热使锌充分液化,通过钎料的熔化、母材的快速溶解、氧化膜的破碎与分散、多余液态金属的挤出,即可在待焊上/下界面间获得牢固而致密的焊接, 从而完成焊接过程。这样,便同时解决了经典搅拌摩擦焊存在的或工具磨损(有针情况下),或很容易地沿原始界面开裂(无针情况下)的问题。因此,从应用范围角度看,搅拌摩擦钎焊的适用范围更广,不仅可以用于铝/铝搭接,更适于铝/钢类含有较硬异种材料搭接的工况,是传统搅拌摩擦焊的重要补充。

FSB接头拉剪测试结果(断裂于Al母材而非界面)
 

接头不同区域的组织

接头不同区域的组织

近期本课题组在关于FSB界面组织演变过程及机理研究中,通过对比急停接头的纵截面组织(反映界面组织动态演变过程)与正常接头的横截面组织(反映最终所得组织),初步提出了如下新观点(有关试验结果另文发表):钎料熔化(实测焊接界面温度达500℃);在界面温度较高的Al /Zn界面,Al母材因共晶反应而快速溶解,形成流动性好的共晶液相,并破碎了Al基体侧的氧化膜;在肩下面的前沿部分液相被沿Al/Zn界面向前方、侧面呈放射态挤出;在肩下面的中间部分,Fe原子向共晶液相中溶解;在肩下面的后沿部分,Al-Zn-Fe三元液相被挤出;洁净的Al、steel母材得以直接接触,并相互扩散形成接头。基于焊缝最终所留Zn量极低(2%以下)这一基本事实、元素分布特征与上述分析,初步认为,接头的最终形成机理更为接近于扩散焊,而Zn只是起到了表面预清洁作用。    

      事实上,几乎所有接头的能谱分析均表明,焊后接头界面残留Zn量极少(尽管Zn箔原始厚度为100μm)。为阐明Zn被挤出的机制,对比了横截面不同位置处元素的分布与挤出液相流布特征;进而对比了纵截面不同位置处元素的分布与液相挤出流布特征。Zn实际上经历了两次较为显著的挤出过程:第一次发生在肩下较靠前的位置,即Al/Zn共晶反应后,Zn随共晶液相被沿上界面(Zn/Al界面)挤出,这次挤出有利于破除Al材表面的氧化膜;第二次发生在肩下较靠后的位置,即此时,少量的Fe原子已溶解入Al-Zn 液相之中,被挤出的实际是Al-Zn-Fe 三元液相,这次挤出几近彻底地排除了Zn,这样,界面洁净的Al、Fe得以直接相互扩散,最终在焊接界面处形成几乎无Zn的Al-Fe金属间化合物。    

      FSB的应用主要分两个方面:其一,用于Al/steel异种金属的焊接;其二,用于制备Al/steel双金属复合板、复合型材与复合管(见图3)。

Al/steel双金属复合板

Al/steel双金属复合板

.3   搅拌摩擦钎焊的优点  

2.3.1 搅拌摩擦钎焊相对于传统炉中钎焊的优点         

      搅拌摩擦钎焊在生产成本方面,省去了钎剂、保护气体、节能环保,显示了其低成本、高生产率、低消耗与简捷的优势。更为重要的是,在接头质量改善方面具有以下四大优点:  

2.3.1.1    高温停留时间短:利用摩擦热进行局部加热并可实现快热/快冷,这一方面有利于提高生产率,更为重要的一面是缩短了高温停留时间,有利于抑制脆性金属间化合物的过度增厚。   2.3.1.2    钎缝致密性好:通过倾斜安装工具可导入竖向分压力,进而强化挤压效应,这十分有利于改善搭接接头致密性。  

2.3.1.3    界面均一性好,钎着率高:预置钎料、压力的导入、母材快速溶解三方面的因素可改善固/液界面润湿性,破碎氧化膜,避免普通钎焊宏观填缝过程中出现的“大包围”与“小包围”现象。  

2.3.1.4    可挤出多余液态钎料,限制金属间化合物过度增厚:正是由于搅拌摩擦钎焊具有可导入压力这一普通炉中钎焊所不具备的明显优势特征,因而可挤出多余钎料,从而可避免母材过度溶解,最终有利于减小残留金属间化合物的厚度。所以,从焊接质量保证方面看,搅拌摩擦钎焊也尤为适于铝材与较硬的异种金属材料的钎焊。  

 2.3.2   搅拌摩擦钎焊相对于搅拌摩擦焊的特点          

         另一方面,考虑到搅拌摩擦焊在国内外业界的强势影响,在此,有必要更清楚、全面地论述搅拌摩擦钎焊相对于搅拌摩擦焊的特征及显著改进效果,以便充分展示两者的区别。在搅拌摩擦钎焊中,针对搭接焊接上/下界面混合困难、较硬母材对针端部的摩损严重这两大难点,提出了采用无针搅拌头与共晶反应冶金作用这两项措施来综合改善界面结合致密性的技术思路。对于搅拌摩擦焊与搅拌摩擦钎焊两者间的区别,综合分析如下:   

2.3.2.1    接合机理不同:用母材的快速溶解(搅拌摩擦钎焊的主要机理)代替了母材的强烈塑性流变与再结晶(搅拌摩擦焊的主要机理),免除了传统搅拌摩擦焊中要求硬质母材也发生塑性变形的苛求,进而也免除了对设备加压、加热能力的苛求。  

2.3.2.2    所用工具不同:大胆采用无针工具带来三方面的优点:简化了摩擦工具的设计与制作;避免了针的磨损;消除了残留尾孔(也称匙孔或拔出孔),改善了外观平整度。但应注意具体实施时,考虑到在“无针”情况下,无法用机械方式破除氧化膜(传统搅拌摩擦焊的主要破膜方式),为保证界面间的紧密接触与破膜,提出下述两方面的配合措施:其一,通过冶金措施成功实现上/下界面间的密合、溶解、破膜;其二,通过摩擦工具的倾斜安装来强化竖向挤压效果,保证了上板/钎料/下板三者之间的紧密接触, 为摩擦热的产生、传导、界面的活化、冶金反应的顺利实现,特别是为界面致密化、多余液态金属的挤出以及限制金属间化合物的厚度创造了有利条件。

2.3.2.3    延长了工具使用寿命:通过三方面措施避免搅拌头端部的磨损:采用无针柱状工具,取消了较细而弱的针;工件装配(屈服强度低的铝材置于上部,高强耐磨的钢材则置于下部);限制压入深度(只需保证搅拌头断面与上板表层完全接触即可,无需穿透上板,避免了与高强耐磨母材的直接接触)。

2.3.2.4    适用的材质范围不同:传统搅拌摩擦焊仅适于Al/Al类较软母材焊接的情况,无法实现对钢材的焊接。而搅拌摩擦钎焊中工具与较硬的钢材之间无需接触,利用母材的溶解代替了高硬度母材的塑性变形与再结晶,尤为适于母材中有一种为铝材,而另一种为钢材(或其他高强耐磨母材)的情况,解决了钢材焊接的难题,对材质的适应范围更广。

2.3.2.5    改进效果的显著性:        

           首先,外观方面:消除了尾孔。而搅拌摩擦焊焊缝末端的尾孔必须封填或割除。其次,组织与性能方面:液相的出现使母材迅速溶解,这样,即使较硬的高强耐磨母材不发生塑性变形也能实现界面间的致密化与冶金连接;获得了拉剪测试时断裂位置位于母材铝板上而非铝/钢原始界面的高强度接头。再次,工具寿命与制作方面:工具制作简便;不与高强耐磨母材直接接触而延长了工具的使用寿命。

3      Al/steel嵌入式搅拌摩擦点焊

3.1    日本开发的传统搅拌摩擦点焊简介        

       2001年,日本川崎重工公司与马自达公司合作首次报道了“搅拌摩擦点焊(Friction spot joining,FSJ或Fri-ction stir spot welding,FSSW)”技术, 当时的主要目的是用于代替Al/Al板材间的电阻点焊。令人惊奇的是,与搅拌摩擦焊一样,搅拌摩擦点焊技术在1~2年内便也极为迅速地获得了成功的工业应用。目前,搅拌摩擦点焊技术已被用于汽车生产,如局部采用搅拌摩擦点焊技术(车门等)的马自达RX -8已于2003年4月投放市场。国内亦有跟踪报道与研究[2-4]。         

       由日本川崎重工与马自达公司合作开发的传统搅拌摩擦点焊所用“工具”的重要特点有:(1)有针,且针外周加工有螺纹,以促进板厚方向的塑性流动与混合;(2)肩端为内凹式, 以扩大搅拌区空间沿板厚方向扩展,进而改善上/下界面间的竖向混合。该技术包括下述工序:(1)压入针(Pl- unging);(2)搅拌、一体化(Stir-ring),一般持续摩擦时间1~5s;(3)拔出针(Drawing out)。传统搅拌摩擦点焊的接合机理可简要概括为:利用搅拌工具摩擦与压入(旋压),使第二母材软化并强迫其产生塑性流动(环向与轴向复合流动,特别是伴随工具下压过程出现的沿板厚方向的轴向对流流动),从而形成一“搅拌区”。该搅拌区的特点为:其位置在紧邻针的“外周”;沿板厚方向成功获得了跨越原始焊接界面的上/下混合;呈不连续椭圆状。正是由于“搅拌区”的形成从而实现了上/下板材间的混合与可靠连接。

       早期关于搅拌摩擦点焊的研究主要集中于证明搅拌摩擦点焊相对于电阻点焊的优点。在薄板铝材焊接方面, 业已证明传统搅拌摩擦点焊相对于电阻点焊主要具有以下显著优点:

      (1)性能优:铝材搭接点焊的性能指标包括拉剪强度、剥离强度与疲劳强度。关于拉剪强度已证明,当焊接规范(特别是工具加压摩擦时间)合适,形成足够大的搅拌区时,搅拌摩擦点焊接头拉剪强度将略高于电阻点焊接头,且分散性小。这得益于搅拌摩擦点焊为固相接合。但当摩擦时间过长时,引起压入深度过深,板材减薄严重,接头断裂载荷因之受影响。

      (2)极为显著的节能优势:铝板电阻点焊有诸多弊端,包括:所需焊接电流大(钢材的3倍以上);配电系统所需容量大;回路损耗大(包括焊钳本体、二次电缆、变压器损耗);能量利用率极低,仅为16.7%(为此常须用硬规范)。当采用搅拌摩擦点焊时,对于常用Al合金薄板,驱动电机的电流峰值降至约14A;搅拌摩擦点焊的耗能可小至0.4Wh/点,仅为电阻点焊(40Wh/点)的1%~5%。

      (3)设备系统大为简化,设备投资小:无需大容量配电系统、焊接变压器、水冷系统、气压系统等设施。  

      (4)易于管理:避免了频繁的电极修磨与更换。

 3.2   日本开发的传统搅拌摩擦点焊存在的问题

       由日本川崎重工与马自达汽车开发的传统搅拌摩擦点焊技术主要存在下述缺点:

      (1)在接头外观方面,存在明显的匙孔。其原因在于使用的工具为经典的有针工具。

      (2)在适宜材质方面,仅适于上/下板材均为屈服强度较低的铝材;不适于接头下板为屈服强度较高的钢材。其原因在于由于钢的硬度、屈服强度远高于铝材,由此导致两方面的缺点:一是工具的端部在与钢材的摩擦中易被钢材磨损,缩短了钢制工具的使用寿命;二是在工具压入过程中由于钢材难以发生朝上翻卷的强烈塑性变形, 因而钢材向上嵌入铝材(位于上板位置)的程度,即上/下界面间的混合程度极为有限,由此导致接头界面结合强度极低。

       针对上述传统搅拌摩擦点焊的缺点,西安交通大学焊接研究所特种焊室提出了一种适于铝与较硬异种材料(如碳钢、不锈钢等)搭接的“嵌入式搅拌摩擦点焊”方法。

3.3    Al/steel嵌入式搅拌摩擦点焊工艺的提出   

       嵌入式搅拌摩擦点焊(Embedd-ing friction stir spot welding,EFSSW)在所用摩擦工具设计、工件焊前预加工、垫板模具设计、压入深度等方面均不同于传统搅拌摩擦点焊。嵌入式搅拌摩擦点焊的基本思路是,焊前要求在较硬第二母材(如钢材)上“预先钻孔”,并采用“无针式”柱状工具,利用工具端面与软上板(如铝板)间的磨擦热,使上板温度上升、屈服强度急剧降低而发生软化,同时在工具的下压过程中,将高温、塑化的材料嵌入硬板上预先钻好的孔内(与此同时硬第二母材也被加热至较高温度), 从而在“热—力”联合作用下实现上/下板间的固相接合。由此带来以下显著改进:(1)避免了针与较硬第二母材的直接接触及而导致的对针的严重磨损,显著延长了工具的使用寿命;(2)消除了较深的匙孔,使接头外观平整美观;(3)拓宽了搅拌摩擦点焊可适用的材质范围。

3.4    Al/steel嵌入式搅拌摩擦点焊接头  

       图4a与b分别为嵌入式搅拌摩擦点焊接头正面与背面的宏观形貌(试验所用钢板孔径为Φ4mm;垫板槽宽6 mm)。从左至右依次所用规范及拉剪测试中的断裂载荷见附表。由图4 可知,接头正面无匙孔;背面的饱满情况、外翻情况随压入深度增大而趋于明显。图5a~e依次为图4中从左至右各接头拉剪测试后断口宏观形貌。接头断裂型式可分为以下几种类型:

接头断裂型式类型

接头断裂型式类型

(1)被嵌入的铝柱经明显塑性变形后被完全拔出,这种断裂方式发生在嵌入不饱满、无向外翻卷的情况下;   

        (2)被嵌入的铝柱经明显塑性变形后才断裂,但并未被拔出,这种情况较为理想;

        (3)被嵌入的铝柱未发生明显变形而被沿两板界面剪断,断口相对平整但铝柱并未被拔出;         

        (4)被嵌入的铝柱未发生塑性变形、也未被拔出,铝板本身因出现大的缺口(缺口直径接近轴肩直径)而断裂,这种情况发生在压入深度过大的情况。           焊接规范对接头断裂载荷及断裂形式的影响规律可初步概括为:在嵌入饱满且压入深度适中时,断裂载荷较高;压入深度过大,尽管铝柱嵌入饱满并在钢板外侧出现外翻卷,但沿板材方向的承载截面过度减薄,接头强度反而有降低趋势。  

4       结束语  

        尽管搅拌摩擦焊为固相焊接,有望用于Al与高强异种金属(如Al/steel)的焊接,但采用传统搅拌摩擦焊时,为实现界面间的机械混合,搅拌针不可避免地要与较硬钢材直接接触摩擦, 由此导致针的严重磨损。为克服针的严重磨损,拓宽搅拌摩擦焊的工程应用范围,西安交大焊接研究所开发了一种搅拌摩擦钎焊专利技术,并用其成功应用于Al/steel搭接接头(所得接头断裂于Al板母材内而非原始焊接界面)。此外,针对日本开发的搅拌摩擦点焊技术用于Al/steel异种金属接头时同样存在的针的磨损问题,开发了嵌入式搅拌摩擦点焊技术。

        搅拌摩擦钎焊技术不仅可用于Al /steel焊接,还可用于Al/steel双金属复合板、Al/steel/Al三明治复合板的制备。该技术以摩擦热作为热源、采用无针柱状搅拌头、并预置合适钎料在大气环境下施焊。与传统搅拌摩擦焊相比,用母材的溶解代替其塑性变形;可避免钢材对针端的磨损;无匙孔。另一方面,与传统炉中钎焊相比,免用钎剂与保护气体;加热/冷却快;可通过工具的倾斜导入压力;并通过工具旋转带动铝母材的塑性流动在不同施压位置依次挤出低熔点液态钎料、钎料与Al共晶反应所产生的液相、溶入Fe 的液相;由于最后在铝钢界面不残留液相,而是通过铝/钢互扩散形成接头, 以控制金属间化合物的增厚。由于有这些特点,搅拌摩擦钎焊特别适用于低熔点和高熔点金属的焊接,例如Al /steel、Al/Cu、Al/Ti、Ti/steel等组合。


 
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