[發明專利]一種攪拌摩擦焊焊縫金屬塑性流動特征的檢測表征方法

在審

• 申請號: 201710967877.1
• 申請日: 2017-10-17
• 公開（公告）號: CN107570861A
• 公開（公告）日: 2018-01-12
• 發明（設計）人: 吳春艷;游國強;李佩琪
• 申請（專利權）人: 重慶電子工程職業學院;重慶大學
• 主分類號: B23K20/12
• 分類號: B23K20/12;B23K31/12
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及攪拌摩擦焊技術，尤其涉及一種攪拌摩擦焊焊縫金屬塑性流動特征的檢測表征方法。

背景技術

攪拌摩擦焊，即Friction Stir Welding(縮寫為“FSW”，為了敘述更簡潔，下文均使用“FSW”替代“攪拌摩擦焊”)，是英國焊接研究所于1991年發明的一種固相焊接技術，其原理是將旋轉的攪拌頭插入到焊件，邊旋轉邊向前運動，通過旋轉攪拌母材，摩擦生熱使被焊材料產生塑性流動并使其最終焊合在一起。FSW過程中母材不會熔化，所以可以避免傳統熔化焊產生的液體飛濺、裂紋、氣孔等缺陷，在鋁、鎂等低熔點輕合金材料的焊接上已經廣泛應用。

在FSW過程中，焊縫金屬的塑性流動是實現焊合的關鍵，對焊縫質量(焊縫成形、組織和性能等)有著直接影響。然而，受到現有檢測方法及手段的限制，目前學術界和工程界對FSW過程中焊縫金屬的塑性流動規律和機理并不完全清楚，使FSW焊縫質量的精確調控變得相對困難，也在某種程度上限制了FSW進一步推廣應用。

目前，對FSW過程中焊縫金屬塑性流動特征的檢測表征方法主要有：異種材料金相組織顯示法、彩泥模擬法、標識材料示蹤法等，以下分別介紹：

1)異種材料金相組織顯示法，是將異種材料通過FSW連接，焊后截取截面制成金相試樣，通過異種材料在同一腐蝕液下耐腐蝕性不同而呈現出截然不同形貌的對比，進而探究FSW焊縫金屬的塑性流動情況。該方法直觀簡明，但只能觀察材料的宏觀流動趨勢，而不能觀察塑性流動的細節，并且需要破壞試樣，因此具有一定的局限性。

2)彩泥模擬法是用彩泥代替金屬模擬FSW焊縫金屬塑性流動狀況的一種方法。但彩泥畢竟是非晶體材料，其顯微結構與金屬差別較大，故該方法獲得的結果與實際情況往往存在較大的差異。

3)標識材料示蹤法是最常用于觀察FSW焊縫材料塑性流動的實驗方法，該法主要通過焊前將標識材料嵌入被焊母材中，焊后觀察標識材料位置及形狀變化以此來獲取材料流動信息，較常使用的標識材料有鋼球、銅箔、鋁箔、鎢粉、鐵粉等。但焊后為了觀察所嵌入標示材料的變化，往往還是需要采用截取焊縫截面制取金相試樣的方法進行觀察，不僅需要破壞試樣，而且很難觀察到標識材料的全貌；也有人采用X射線傳輸實時成像的方法來觀察標識材料的變化，但設備昂貴，且為了防止實驗過程中產生X射線泄漏，其實驗防護要求很高，在工程實踐中的可用性不強。

綜上，現有FSW過程中焊縫金屬塑性流動的檢測方法大致分為兩種情況，一種是需要破壞焊接試樣，操作繁瑣，而且實驗結果不準確；另一種無需破壞試樣，但實驗設備昂貴，對實驗條件要求高，實用性不強。

發明內容

針對現有技術存在的上述不足，本發明所要解決的技術問題是，如何實現無損、方便快捷且準確的實現對FSW過程中焊縫金屬塑性流動的檢測表征。

為了解決上述技術問題，本發明中采用如下技術方案：

1)采用多根純銅絲作為標識材料嵌入被焊母材的擬焊側中，攪拌摩擦焊后使用ICT(工業計算機斷層掃描機)對焊縫進行三維斷層掃描，獲得銅絲變形后的三維形貌，用該三維形貌表征被焊母材焊縫中金屬在FSW時的塑性流動特征；純銅塑性好、變形抗力小，對焊接母材在FSW過程中的塑性流動影響小，且與鋁、鎂低熔點輕合金的密度差大，便于后續ICT檢測。

2)在焊縫前進側母材和后退側母材分別嵌入數量不少于三根的銅絲，分別表征焊縫前進側和后退側的塑性流動情況；銅絲直徑1.0mm-2.0mm、長度大于攪拌頭軸肩半徑，嵌入后與攪拌頭及焊接方向均呈垂直狀態，且在焊接方向上的間距不小于10mm(避免銅絲間相互干擾)、在母材厚度方向上均勻分布(分別表征焊縫厚度方向相應部位的塑性流動情況)。

3)具體操作步驟如下：

首先、在焊接母材擬焊側的橫截面上鉆孔，深度大于攪拌頭軸肩半徑，孔的方向與攪拌頭及焊接方向均垂直；在焊縫前進側母材和后退側母材上所鉆的孔數量均不少于三個，且孔在焊接方向上的間距不小于10mm、在母材厚度方向上均勻分布。

其次、將直徑與孔徑相當的清潔銅絲嵌入孔中。

再次、將焊接母材嵌有銅絲的一側作為被焊側，按照對接焊的裝夾方式將焊接母材裝夾于攪拌摩擦焊機上，按照常規攪拌摩擦焊程序完成對接焊接。

最后、焊后采用ICT(工業計算機斷層掃描機)對焊縫進行三維斷層掃描，獲得變形后銅絲的三維形貌，用該三維形貌表征被焊材料在在攪拌摩擦焊時的塑性流動特征。

相比現有技術，本發明具有如下有益效果：