搅拌摩擦焊拼焊板板热成形淬火焊接性能的改进
Ko-Hoon Ko，1 Jae-Hong Kim，1 Dae-Cheol Ko，2和Byung-Min Kim 3
1韩国釜山609-735金山区釜山国立大学精密制造系统分部
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。这是一份根据知识共享署名许可分发的开放获取文章，允许在任何媒介中无限制地使用，分发和复制，只要原始作品被适当引用。
这项研究的目的是通过一种称为热成形淬火（HFQ）的新的成型方法改善Al6061合金搅拌摩擦焊拼焊板（TWBs）的机械性能和成形性。其中铝合金板材通过固溶热处理在高温下成型。在HFQ过程中的成形和淬火同时在模具中进行以形成固溶热处理片材。在这项研究中，通过摩擦搅拌焊（FSW）来制备铝合金拼焊板的样品焊接与对接。通过观察不同的宏观结构来评估FSW接合的有效性。为了通过HFQ评估拼焊板的可成形性，进行了半球圆顶拉伸试验，在实验温度范围内均没有样品失效的情况。维氏试验也进行了测量焊件硬度与位置的函数关系。将HFQ形成的产品的成形性能和机械性能与传统成形方法形成的产品性能和机械性能进行了比较，证明了HFQ对摩擦搅拌焊拼焊板的板材成形的适用性。
引言
减轻车辆重量已被认为是重要的优先事项，提高燃油经济性和减少二氧化碳排放[1,2]。减轻重量的一种方法是替换钢材使用较轻的材料，如铝或镁镁合金[3]。最近，可以节省材料并使重量最大化减少的铝合金拼焊板（TWBs）已经过测试，并用于生产车身面板冲压工艺[4-6]。但是，有几个铝合金拼焊板发展中存在的困难。传统的熔焊方法如激光焊接，由于热裂的发生和固有的原因氧化层[6]。近年来，摩擦焊（FSW），一种固态金属接合技术，已被用于生产铝拼焊板，因为它具有各种各样的与常规熔焊相比的优点技术。 FSW生产质量高，尺寸稳定，最小残余应力或变形，与焊件固态金属接合而不熔化[7,8]。但是一些调查发现FSW存在严重缺陷的可时效硬化的铝片例如2XXX，6XXX和7XXX系列合金[9]。由于FSW热循环过程中强化析出物的溶解和生长，沉淀强化合金的焊接机械性能显着恶化。许多FSW焊件的研究表明，焊件的机械性能仅为其焊接件母材的20％-40％，因为它们的不均匀微观结构[10]。因此，FSW生产的铝板已经有了用于车身面板冲压的应用受到限制。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片进行再加热和淬火[8-11]。由FSW引起的焊件强度损失显着由PWHT减少，主要由固溶体组成和自然/人工老化。但是，增加焊件PWHT的强度也会导致关系的延展性差。因此，新的成型和热处理冲压铝板的方法是必要的，同时提高机械性能和成形性 。
图1 铝合金板材传统成型与热成型淬火的比较
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合金的摩擦搅拌焊接拼焊板的机械性能和成形性。 2010年，HFQ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中的成形和热处理同时进行在淬火期间通过成型模进行具有耐用性组合的样品拼焊板使用1.6mm和1.0mm。首先，根据拼焊板的几何特征，进行FSW对接焊接以产生样本拼焊板，其中工具形状被设计。 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，夹具和冲头的各种工具温度进行半球形圆顶拉伸测试。 结果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，以评估与通过常规成型方法生产的那些相比焊接性能的改进。
2.热成形淬火
2.1。HFQ过程
在传统的成型方法中，可热处理（时效硬化）铝板材通常是在T4或T6状态，这些条件通过固溶热处理，淬火以及自然或人工老化来实现。一般来说，可热处理铝合金的延展性是固溶热处理后获得的，但强度较高从老化获得。因此，传统的成型方法存在固有的问题，如大回弹，由于老化引起的高强度增加，成形性低。为克服上述问题，一个新的铝冲压成形过程是必要的。
一种有效的成形方法被称为热成形淬火（HFQ）已被广泛使用和研究，门控以提高成形性和力学性能铝冲压[13-16]。本研究应用HFQ对Al6061合金的搅拌摩擦焊拼焊板进行改进机械性能和成型性进行比较与传统的成形。图1显示了一个比较传统的铝板成形和HFQ程序。在HFQ过程中，铝片被加热到固溶温度，然后保持在此温度下进行足够的时间冻结完全饱和的材料。加热的板材很快转移到成型模，然后直接冷却到室温以形成过饱和物质。因此，加热的铝片同时形成并在封闭模具中淬火，将成形和热处理结合成一个过程。最后，形成自然的或人为地老化以通过形成细小来提高强度沉淀。用该控制淬火温度特别是成型模具对于改进非常重要可成形性和力量。
2.2。 HFQ在拼焊板中的应用
拼焊板的铝合金通常具有低的可成形性和强度导致焊件的不均匀性。自从焊接件比基础材料拼焊板具有较低的延展性成形过程中发生的失效发生在焊件[7]。为了为了恢复成形性和强度，焊接板是由PWHT重新加热并处理成T4或T6状态。拼焊板成形操作因此非常困难且需要额外的处理，即PWHT。HFQ在铝拼焊板上的应用可能会很多比将其用于普通铝板更有效。在形成铝拼焊板时，需要额外的处理HFQ，可以发挥热处理同时成型的优点。
图2 FSW拼焊板（1.6mm / 1.0mm）的焊接方法和工具形状
3.通过摩擦制造拼焊板
搅拌焊接
3.1。拼焊板的工具形状设计。
拼焊板在这方面考虑研究由FSW工艺获得。为了焊接拼焊板，获得有效的专业焊接方法是必要的焊接件与普通板材相比。如图2所示用于拼焊板的FSW的焊接方法和工具形状1.6mm和1.0mm的厚度组合。拼焊板在平板上的焊接妨碍了FSW，因为肩部和薄片之间没有接触。因此，倾斜板的角度为3.44°在这项研究中使用，以允许肩膀之间的充分接触和拼焊板。 倾斜板（theta;）的角度等于肩部角度（alpha;），它可以从肩部直径，销直径，距离Delta;X确定销的末端和片材的底部以及厚度拼焊板的结合。阻值Delta;X和平方米的肩部和销钉分别为0.2mm，⌀10mm和⌀4mm，分别根据有关FSW的文献Al6111-T4 [17]。工具材料是硬度为55 HRC的H13钢的。 使用0.982mm高度的圆柱形销钉用0.4mm间距的左螺钉。
3.2。摩擦搅拌焊接实验。
在这项研究中，一个FSW进行实验以制备具有a的样品拼焊板厚度为1.6mm和1.0mm的厚度组合。该焊接试样纵向对焊平行到轧制方向。图3显示了实验设置以及Al6061 拼焊板的FSW实验视图合金。焊接实验使用FSW进行机器（Winxen Co.，韩国）配备22kW主轴伺服电机。标本用四个夹子固定。聚氨酯使用夹具和片材之间的碎片来防止FSW期间板材在倾斜板上滑动。在这项研究中，选择较薄的片材作为推进剂方（AS）的选择给出了更适当的材料流量如文献[11,18]所示。另一方面，选择较厚的片作为退回侧（RS）克服不良物质流动。该工具被倾斜在一个从板材的法线方向朝向3°的角度工具的尾随方向。旋转速度和进给速度的刀具分别为1000RPM和300mm / min，基于铝合金的一般条件[7]。图4显示了FSW实验的结果和倾斜板分别。在这种情况下，没有倾斜板（即铝板），焊接缺陷是由1.0mmas的低材料流量厚度造成的如图4（a）所示，可能由此产生不足工具与稀释剂的材料之间的接触截面（1.0mm）。然而，FSW方法在中开发这项研究的结果是一个没有失效的适当焊件材料的粘合，如图4（b）所示。所以，FSW方法适用于焊接不同的拼焊板厚度并用于评估样本的成形性和机械性能。
图3 搅拌摩擦焊拼焊板的实验装置和视图
图4 平板和倾斜板的FSW实验结果
4.摩擦搅拌焊接拼焊板的HFQ
4.1。成形性评估
一个半球形的伸展进行了试验以研究其成形性HFQ期间的Al6061 拼焊板。 拼焊板与厚度组合 - 选择1.6mm和1.0mm的国家进行测试。 基础材料（BM）片材厚度为1.6mm和1.0mm也用作成形性的基线参考。试样的拼焊板从室温（20℃）加热到950℃在1kW的电炉中进行2小时的固溶热处理。图5显示了实验装置和尺寸，用于半球形穹顶拉伸测试的模具组。包括模具，夹具和冲头在内的工具被加热总共20个筒式加热器及其温度用K型热电偶精确测量。空白用液压冲头施加200kN的保持力容量为50吨。打孔速度固定在10mm / s，这是接近商业捣固工艺的应变率。使用100mm直径的半球冲头，而使用模具和支架的内径为105.5mm。 使用环形拉筋来防止试样从中脱落流入模腔。工具被预热到所需的目标温度，然后将片材放在一个中央如图5（a）所示，样本拼焊板的焊件位于中心并且与主应变方向垂直，如图5（b）所示。一个不同的死亡高度被用来平衡所引起的不均匀保持力由拼焊板的厚度差异并达到饱满，模具和标本之间的接触。最后，测试是用五个不同的焊接中岛标本进行宽度从50mm到200m以下图6：圆形在每个表面上标记直径1mm的网格用于测量应变的样本。图7显示了极限圆顶高度（LDH）结果搅拌摩擦焊Al6061合金拼焊板用于各种试样根据变形模式的宽度。如果是常规成型，宽度为125mm的LDH只有9.47mm，是所有条件下的最低值。然而，标本的LDH值明显改善HFQ增加了工具温度。特别是，HFQ的LDH形成具有工具温度的样本200∘C几乎是传统形成的两倍标本在所有变形模式。如图7（b）所示，在相同的变形下实验性地变形的拼焊板，模式宽度为50毫米。这些结果表明传统的拼焊板形成产生10.85mm的LDH，而在RT，100℃和200℃产生拼焊板的HFQLDH分别为15.77,17.46和20.21mm。因此，半球形穹顶拉伸测试清楚地表明了这一点，通过HFQ提高工具温度，可成形性Al6061合金拼焊板可以显着提高。半球形穹顶拉伸测试也显示了两个摩擦搅拌焊拼焊板的不同类型的失效，如如图8所示。类型I平行于焊接线，而类型II垂直于焊接线。表1总结了变形拼焊板的类型。以不同变形模式成形的条件。 热成型II型故障发生在宽度150和200mm，工具温度为100℃和200℃，其他情况表明II型失败。一般来说，摩擦搅拌焊接可热处理铝焊件比基材具有更低的强度和延展性[19,20]。因此，I型故障可能与较低的相关。而应变局部化的焊件强度[17]II型与材料的延展性相关，因为效果的焊件更多的补偿了增加在HFQ期间形成温度。
图5 用于半球形穹顶拉伸测试的模具组的实验装置和尺寸
表1根据不同的变形模式的失效类型
图6 不同宽度的中岛标本的形状和尺寸
4.2。硬度的测量。
维氏试验被用来评估焊件的力学性能垂直于焊接的横截面的中心线方向。 HFQ形成的标本自然年龄在室温72h，达到T4热处理条件。 HFQ前后的显微硬度分布如图9所示。焊接前的硬度由于HFQ，HFQ远远低于基材在FSW期间有热效应。但是，软化硬度HFQ稍微提高了焊件的质量HFQ之前的最小硬度可以达到相似价值与基础材料的价值。HFQ的硬度增加没有显示出随着工具温度的升高而发生显着变化 然而，HFQ对成形和热处理过程的影响是通过半球形拉伸来实现的和维克斯测试，因此，机械焊件的性能可以通过以下方式显着提高HFQ显示其适合形成搅拌摩擦焊接铝拼焊板。
图7 HFQ对摩擦搅拌焊拼焊板成形性（LDH）的影响
图8 摩擦搅拌焊拼焊板产生两种不同类型的失效
图9 HFQ对焊件显微硬度分布的影响
5。结论
在这项研究中，降低了焊件的机械性能通过HFQ为Al6061改善FSW所致拼焊板。基于半球形穹顶的拉伸和弯曲维克斯测试实验，可得出以下结论。
1）具有倾斜板的专用FSW方法的3.44∘被用来准备标本TWBs。基于FSW实验，此方法结果在没有无效材料的适当焊件中结合。
2在半球形穹顶拉伸测试中，LDH的宽度的传统形成的标本125mm仅为9.47mm，而LDH为125mm用HFQ形成的试样温度为50℃200℃几乎是传统形式的两倍，标本在所有变形模式。
3）维氏试验表明，硬度差HFQ使焊件略有增加，HFQ达到某个值之前的最小硬度类似于基础材料（80HV）。
4）HFQ是一种非常有效的改进方法焊件的成形性和机械性能，这显示了这种技术的适用于摩擦搅拌焊接铝板材成形拼焊板。
参考文献
[1] H. Wang，Y.-B.罗，P.弗里德曼，M.-H.陈和L.高，“AA7075高强度铝合金的热成型行为”，“中国有色金属学会学报”，第22卷，第1节，第1-7页，2012年。
[2] Y.W.Park，J.Yu和S.Reee，“关于焊接特性的研究：YAG激光焊接5182铝合金的特性汽车车身填充焊丝”,“国际汽车技术杂志”，第11卷，第5节，第729-736页，2010年。
[3] H.-W. Kim和C.-Y. Lim，“用于车身的柔性轧制Al-5.5的退火的Mg合金片设计”第31卷。增刊1，第S71-S75页，2010年。
[4] R. W. Davies，G. J. Grant，H. E. Oliver，M. A. Khaleel和M.T. Smith，“铝焊接成形极限图——空白焊接材料”，“冶金与材料事
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