Improvement of Weldment Properties by Hot Forming Quenching of Friction Stir Welded TWB Sheet
通过热成型淬火改善搅拌摩擦拼焊板的性能
Ko-Hoon Ko，1 Jae-Hong Kim，1 Dae-Cheol Ko，2和Byung-Min Kim3
1釜山国立大学精密制造系统部，釜山金井区，釜山609-735，韩国
2韩国釜山金山区釜山国立大学工业联络创新中心609-735
3釜山国立大学机械工程系，韩国釜山609-735，金井区
信函应该发给Byung-Min Kim;bmkim@pusan.ac.kr
2014年1月29日收到; 2014年3月8日修订; 2014年3月30日接受; 2014年4月16日发布
学术编辑：林建国
版权所有copy;2014 Dae-Hoon Ko et al。 这是一个开放获取文章，根据知识共享署名许可协议分发，允许在任何媒体上无限制地使用，分发和复制，前提是原创作品被正确引用。
本研究的目的是通过一种称为热成形淬火（HFQ）的新型成形方法来改善Al6061合金的搅拌摩擦焊拼焊板（TWBs）的力学性能和成形性能，其中固溶热处理铝板在高温下形成。在HFQ过程中的成形和淬火与用于固溶热处理片材的成形模具同时进行。在这项研究中，通过搅拌摩擦焊（FSW）对接铝板来来制备铝拼焊板的样品。通过观察不同厚度的板材的宏观结构来评估FSW接合的有效性。为了评估经过HFQ处理的拼焊板的可成形性，限制圆顶高度的半球圆顶伸展测试在各种温度下没有样品失效。维氏试验也进行了测量，做出了焊件硬度随位置改变的函数关系。把HFQ形成的产品的成形性和机械性能与通过常规成形方法形成的产品的性能相比较，证明了HFQ用于搅拌摩擦焊接拼焊板板材成形的适用性。
1.引言
减轻车辆重量是提高燃油经济性和减少二氧化碳排放的关键优先事项 [1, 2]。减轻重量的一种方法是用较轻的材料，如用铝或镁合金代替钢材 [3]。近几年，为了节省材料并使重量减少，铝合金拼焊板（TWBs）已经过测试用过冲压工艺用于生产车身面板 [4–6]。但是，铝合金拼焊板发展中存在一些问题，例如传统的激光焊接中发生的热裂和固有的氧化层 [6]。摩擦搅拌焊接（FSW）一种固态金属连接技术，近年来由于它与常规熔焊相比有很多优点，因此已被用于生产铝拼焊板。FSW通过不熔化的固态金属连接方法可以生产质量高，尺寸稳定且残余应力小或变形小的焊件 [7, 8]。
一些调查发现，诸如2XXX，6XXX和7XXX等系列合金FSW拼焊板材在时效过程中存在着时效硬化的严重缺陷[9]。由于在FSW热循环过程中强化沉淀物的溶解和生长，沉淀强化合金在焊件中显示出比较差的机械性能。许多关于FSW焊件的研究表明，由于焊件的不均匀微观结构，焊件的机械性能仅为其母材的20％-40％[10]。因此，由搅拌摩擦焊（FSW）生产的铝合金板在车身面板冲压中的应用受到限制。
在FSW焊后热处理（PWHT）后，一种恢复焊件机械性能的方法是对摩擦搅拌焊接板进行再加热和淬火[8– 11]。FSW引起的焊件强度损失由PWHT明显降低，PWHT主要由固溶体 和自然/人工老化。 然而，通过PWHT提高焊接强度也会导致与可成形性相关的不良延展性。焊后热处理（热处理）是一种来恢复摩擦搅拌焊件焊后的力学性能的方法，是将搅拌摩擦焊板进行加热和淬火处理。通过焊后热处理，主要由固溶和自然失效或人工时效的处理，显著降低了由于搅拌摩擦焊所造成的焊件强度上不足的缺陷。然而，通过焊后热处理的焊件强度得到了提升，但也导致了与成形性有关的塑性比较差。因此，冲压成型薄铝板的新成型方法和热处理方法对于同时提高铝板的机械性能和成形性是必不可少的。
本研究的目的是应用一种称为热成形淬火（HFQ）的铝板的新成形方法，以改善Al6061铝合金的摩擦搅拌焊接拼焊板的机械性能和可成形性。HFQ于2010年首次由Poster和同事开发，旨在提高铝合金板材成形的成形性[12]。HFQ中的成形和热处理在固溶体淬火期间通过成形模具同时进行。使用厚度组合为1.6mm和1.0mm的拼焊板试样。首先，把搅拌摩擦焊对接焊缝制成拼焊板试样，模具形状是基于对拼焊板的几何特征所设计。通过测量硬度和观察宏观结构优先估计拼焊板的焊缝。为了评估HFQ过程中拼焊板的可成形性，利用模具，夹具和冲头在各种温度下进行半球形圆顶拉伸测试。然后把实验数据与传统成型生产的样品进行比较。
最后，测量由HFQ形成的试样的机械性能，与常规成形方法生产的那些试样的机械性能相比，评估新的焊接方法在机械性能上的提高。
2.热成型淬火
2.1简介HFQ过程。在传统的成型方法中，热处理（时效硬化）铝板通常在T4或T6条件下形成，即通过固溶热处理，淬火和自然时效或人工时效实现。通常认为，可热处理的铝合金的延展性是在固溶热处理之后获得的，但强度是从时效获得的。因此，传统的成形方法存在固有的问题，例如由于时效的高强度增加导致的大的回弹和低成形性。所以，为了克服上述问题，需要一种新的铝冲压成形工艺。
一种有效的成形方法被称为热成形淬火（HFQ），它已被广泛使用和研究，以提高铝冲压成形性和力学性能[13–16]。本研究将HFQ应用于Al6061合金的搅拌摩擦焊拼焊板，以改善与传统成形相比的机械性能和成形性。图1显示了传统铝箔成型和HFQ工艺的比较。在HFQ过程中，将铝片加热至固溶温度，然后将片材保持在该温度足够的时间以冻结完全饱和的材料。加热后的片材被迅速转移到成型模具中，然后直接冷却到室温以形成过饱和材料。因此，加热的铝片同时形成并在闭模中淬火，将成形和热处理结合成一个工艺。 最后，形成的片材自然或人工老化以通过形成细小沉淀物来提高强度。 特别是用成形模具控制淬火温度对于提高成形性和强度都是非常重要的。
2.2HFQ在拼焊板中的应用。由于焊件的不均匀特性，铝合金拼焊板通常具有低成形性和强度。 由于焊件的延展性比母材低，拼焊板在成形过程中出现很多问题[7]。为了恢复焊件的可成形性和强度，焊接板被重新加热并通过PWHT处理成T4或T6状态。因此，拼焊板成形操作非常困难并且需要额外的处理，这就是PWHT。
将HFQ应用于铝合金拼焊板可能比将其应用于普通铝板更有效。在铝合金拼焊板成型时，由于HFQ具有将成型和热处理同时进行的主要优点，所以可以通过HFQ减少热处理的附加处理。
3.通过摩擦搅拌焊接来制造拼焊板
3.1 拼焊板的搅拌头形状设计 本试验研究的拼焊板由FSW编制。为了焊接拼焊板，与普通板材相比，需要专门的焊接方法来获得有效的焊件。图2显示了厚度组合为1.6mm和1.0mm的拼焊板的FSW的焊接方法和搅拌头形状。拼焊板在平板上的焊接妨碍了FSW，因为肩部和薄板之间没有接触。因此，在本研究中使用角度为3.44的倾斜板以允许肩部和拼焊板之间的充分接触。倾斜板（theta;）的角度等于肩部角度（alpha;），其可以由肩部直径，销直径，销的端部和片材的底部之间的距离Delta;X以及片材的厚度决定。基于Al6111-T4的FSW的文献，距离X和肩部和销的直径分别为0.2mm，phi;10mm和phi;4mm[17]。搅拌头材料是硬度为55HRC的H13钢。使用0.982mm高度的圆柱形销与0.4mm间距的左螺纹。
3.2。 摩擦搅拌焊接实验。 在这项研究中，进行FSW实验以制备具有1.6mm和1.0mm厚度的厚度组合的拼焊板试样。焊接试样纵向平行于轧制方向进行对焊。 图3显示了用于Al6061合金的拼焊板的实验装置和FSW实验的视图。
焊接实验使用具有22kW主轴伺服电机的FSW机（Winxen Co.，South Korea）进行。标本用四个夹子固定。 使用夹具和片材之间的聚氨酯片以防止片材在FSW期间在倾斜板上滑动。 在这项研究中，选择较薄的片作为前进侧（AS），其选择给出了如文献[11,18]中所示的更适当的材料流。 另一方面，选择较厚的片材作为退回侧（RS）以克服不良的材料流动。 该搅拌头从片材的法线方向向工具的拖尾方向倾斜3°。根据铝合金的一般条件，该搅拌头的转速和进给速率分别为1000 RPM和300 mm / min [7]
图4分别显示没有倾斜板和有倾斜板的FSW实验的结果。在没有倾斜板（即平板）的情况下，如图4（a）所示，由于厚度为1.0mm的材料流动性低导致焊接缺陷，这可能由搅拌头和较薄部分的材料（1.0毫米）。然而，本研究中开发的FSW方法可以生成合适的焊件，而不会产生无效的材料粘结，如图4（b）所示。 因此，FSW方法适用于焊接不同厚度的拼焊板，并用于制备可以评估成形性和机械性能的试样。
4.搅拌摩擦焊接拼焊板的HFQ
4.1成形性评估 为了研究HFQ过程中Al6061 拼焊板的成形性，进行了半球形的圆顶拉伸试验，选择厚度组合为1.6mm和1.0mm的拼焊板进行测试。 1.6mm和1.0mm厚度的基材（BM）片材也用作可成形性的基准参考。 在1kW的电炉中将拼焊板样品从室温（20℃）加热到950℃保温2小时以进行固溶热处理条件。然后，将固溶体热处理试样手动转移到模具中5秒，并分别用室温（RT），100和200℃的工具快速淬火。
图5显示了用于半球形圆顶拉伸测试的模具组的实验装置和尺寸。包括模具，支架和冲头在内的工具通过总共20个筒式加热器进行加热，并使用K型热电偶精确测量它们的温度。 一台容量为50吨的液压机施加了200 kN的压边力。打孔速度固定在10毫米/秒，这接近商业冲压工艺的应变率。 使用100mm直径的半球形冲头，而模具和支座的内径为105.5mm。 应用环形拉伸头是为了防止样品流入模腔。
将工具预热至所需的目标温度，然后通过导向装置将铝合金片材置于对准的模具中央，如图5（a）所示，拼焊板试样的焊件位于冲头的中心位置并垂直于主应变方向。使用具有不同高度的模具来平衡由拼焊板的厚度差引起的不均匀保持力，并实现模具和试样之间的充分接触。最后，用五个不同宽度的焊接中岛试样进行试验，试样宽度从50mm到200mm不等，如图6所示。每个试样表面标有直径为1mm的圆形网格，用于测量应变。
图7显示了搅拌摩擦焊Al6061合金拼焊板根据变形模式对各种试样宽度的极限圆顶高度（LDH）结果。 在常规成型的情况下，宽度为125mm的LDH仅为9.47mm，这是所有条件下的最低值。 但是，随着工具温度的升高，HFQ试样的LDH值显著提高。特别是，在所有变形模式下，模具温度为200℃的HFQ成形试样的LDH几乎是常规成形试样的两倍。图7（b）显示了在相同变形模式下宽度为50 mm的实验变形板。 这些结果表明常规的拼焊板形成产生10.85mm的LDH，而在RT，100℃和200℃下TWB的HFQ分别产生15.77,17.46和20.21mm的LDH。因此，半球形圆顶拉伸试验清楚地表明，随着工具温度的升高，HFQ可以显着提高成形性能。
如图8所示，半球形穹顶拉伸试验还显示了两种不同类型的摩擦搅拌焊拼焊板的失效类型.I型平行于焊接线，而II型垂直于焊接线。 根据不同变形模式的成形条件，拼焊板变形的失效类型总结在表1中。
II类故障发生在宽度为150和200 mm，HFQ在工具温度为100 C和200 C时发生，而其他条件表明类型II故障。 通常，搅拌摩擦焊接可热处理铝的焊件比基材的强度和延展性要低[19,20]。 因此，I型失效可能与具有应变局部化的较低强度的焊件相关[17]，而II型与材料的延展性相关，因为HFQ期间成形温度的增加更能补偿焊件的影响。
4.2硬度的测量。维氏试验用于评估沿垂直于焊接方向的横截面中心线的焊件的机械性能。 由HFQ形成的试样在室温下自然时效72小时，以达到T4热处理条件。HFQ之前和之后的显微硬度分布可以在图9中看出。由于FSW期间的热效应，HFQ之前焊件的硬度远低于基材。然而，HFQ稍微增加了焊件的软化硬度，这表明HFQ之前的最小硬度可以达到与母材相似的水平。
HFQ的硬度增加并没有显示随着模具温度的升高而发生的显著变化。然而，HFQ对成形和热处理过程的影响分别通过半球形穹顶拉伸和维氏试验验证。因此，HFQ可显着提高焊件的力学性能，表明其适用于搅拌摩擦焊铝合金拼焊板的成形。
5.结论
在这项研究中，通过HFQ对Al6061拼焊板的处理，改善了由FSW引起的焊件的机械性能降低的缺陷。通过基于半球圆顶拉伸和维氏试验实验，可以得出以下结论。
1）使用倾斜板为3.44的专用FSW方法来制备拼焊板试样。基于FSW实验的可知，该方法可以得到没有无效材料的良好的焊接板块。
2）半球穹顶拉伸试验中，在所有变形模式下，宽度为125mm的常规成形试样的LDH仅为9.47mm，而由模具温度为200℃的HFQ形成的试样的LDH几乎是常规成形试样的两倍。
3）维氏硬度试验表明，HFQ稍微提高了焊件的硬度，并且HFQ之前的最小硬度可以达到与母材（80HV）相似的数值。
4）HFQ是改善焊件成形性和机械性能的一种非常有效的方法，这表明该技术适用于摩擦搅拌焊接铝合金拼焊板的板材成形。
摩擦搅拌焊接和旋转成形的Al-Li合金的热处理
摘要
使用摩擦搅拌焊接和旋压成型技术制造用于低温推
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