通过 DP780 钢上的摩擦搅拌点焊生成圈接头

Summary

在这里,我们提出了双相780钢的摩擦搅拌点焊(FSSW)协议。高速旋转的工具销产生摩擦产生热量以软化材料,然后,销柱插入 2 个片接头以创建膝关节。

Abstract

摩擦搅拌点焊(FSSW)是摩擦搅拌焊接(FSW)的衍生物,是1991年发展起来的一种固态焊接技术。2003 年,汽车行业在汽车后门使用的铝合金领域得到了应用。摩擦搅拌点焊接主要用于铝合金,以创建圈关节。摩擦搅拌点焊的好处包括接近 80% 的熔融温度,与电阻点焊相比,可降低热变形焊缝,而不会溅起。摩擦搅拌点焊接包括 3 个步骤:跌跌、搅拌和回缩。在本研究中,包括高强度钢在内的其他材料也用于摩擦搅拌焊接方法,以形成接头。DP780 的传统焊接工艺涉及电阻点焊,是汽车行业中使用的几种高强度钢材料之一。本文采用DP780进行摩擦搅拌点焊,并测量了其微观结构和微硬度。微观结构资料表明,有细粒的聚变区,有带岛马腾的热效应区。微硬度结果表明,中心区与基金属相比,具有较大的硬度。全部数据表明,两相钢780中使用的摩擦搅拌点焊可以产生良好的圈接头。将来,摩擦搅拌点焊可用于工业制造工艺中的高强度钢焊接。

Introduction

摩擦搅拌焊接(FSW)首次报告于1991年在TWI,阿宾顿,英国1。2003 年,Piccini 和 Svoboda 确定了一种增强 FSW 优势的优越方法,称为摩擦搅拌点焊 (FSSW),用于商用汽车制造工艺²。FSSW 方法涉及创建无体积区域熔化的点圈接头。FSSW 使用的最重要发展是铝合金,因为铝合金在高温条件下的焊接过程中变形。第一个成功的例子是在汽车行业,其中FSSW被用于制造整个后门的马自达的RX-81,3,4。

同时,高强度钢是车身的主要材料,特别是双相钢。文献表明,使用FSSW生产的DP600可以具有与基础金属相同的特性,所有焊接区域具有相似的微观结构和硬度5。FSSW在搅拌区(SZ)、热力学影响区(TMAZ)的微观结构上使用DP钢的方法,以及DP590和DP600钢的失效模型,已经由一些研究人员进行了研究。他们观察到DP590和DP600钢在各种旋转速度6、7、8、9、10的微观结构(铁氧体、苯铁矿和马腾酸盐)的一致性上的差异。一些研究人员对DP780钢8、9进行了FSSW和RSW的比较研究。他们报告说,更长的连接时间和更高的刀具旋转速度导致所有跳转的粘合面积增加,从而导致剪切力升高,并将模式从界面转向拉出。他们还得出结论,FSSW的强度高于RSW。FSSW 过程包括 3 个步骤:暴跌、搅拌和回缩。第一步是将旋转工具销靠近膝关节的纸张并插入纸张中。FSSW 工艺中的旋转工具肩会产生摩擦热。在第二步中,热量可以软化纸张,便于将工具销插入纸张中,并留在材料中,将两个工件搅拌在一起,并在销区域周围混合。最后,从工具肩压压在工件上的压力可以增强粘合性。焊接过程结束后,销可以从钥匙孔中缩回。与 RSW 相比,FSSW 的好处是焊接温度更低、无飞溅,并且制造过程中更加稳定。

尽管各种研究人员报告了对先进高强度钢 (AHSS) 的 FSSW 的研究,但 DP590、DP600 和 DP780 的 FSSW 研究侧重于微结构以及使用各种工艺的机械和故障模型参数。在本研究中,考虑了DP780钢的FSSW。详细报道了FSSW工艺方案,并根据测得的微硬度对搅拌区、热力学影响区、热影响区以及基金属的个别硬度进行了评估。

随着汽车和航空航天行业对重量减轻的持续增长和需求的严格要求,汽车行业对 AHSS 和膝关节的兴趣日益浓厚。例如,传统的钢制车身的汽车,平均有2000多个点焊圈^接头11。行业中使用的膝关节有3种常见的焊接工艺,包括电阻点焊、激光点焊和摩擦点^焊12。减轻重量的一种方法是使用先进的高强度钢 (AHSS)。最流行的材料是双相和转化诱导的可塑性(TRIP)钢,它们越来越多地用于汽车行业13,14,15,16。由于汽车重量降低,由于油耗提高和碰撞能量吸收,汽车行业提高了强度标准,因此使用不同的材料和焊接工艺正成为一个重要问题。

Protocol

1. 材料准备

注:将 1.6 mm 厚的 DP780 纸张加工成 40 mm x 125 mm 优惠券。FSSW 接头设计为用于机械测试的膝部剪切试样。在 RSW 标准 NF ISO 18278-2 之后,将两张 125 mm x 40 mm 的纸张与 35 mm x 40 mm 重叠连接在一起;2005. 几何设计多晶金刚石工具,锥形肩部截断。几何设计如图1a所示。销的直径为 5 mm;长度为2.5毫米,肩部宽度为10毫米。真正的工具销如图1b所示。

1. 安全指南
   1. 使用遮罩或挡板、护目镜和手套等设备进行保护。
   2. 站在引擎盖或挡板后面。戴上护目镜和手套,防止溅水接触或热损伤。
2. FSSW 机器设置
   1. 使用 MIRDC 制造的摩擦搅拌焊机制造所有接头。
   2. 使用嵌入式数据采集 (DAQ) 系统记录每次连接操作期间的 Z 轴向力和穿透深度。
3. 参数设置
   1. 在本研究中,使用以下参数:工具销转速为 2,500 rpm,刀具销驻点时间为 4 s,工具销的速率 pf 0.5 mm/s 插入板材。
   2. 优化操作员的参数。转速范围为 1,000- 2,500 rpm。活动时间范围为 2-10 s,暴跌速率为 0.1-0.5 mm/s。

2. 程序

注:工作空间如图2所示。 所有制造过程都在工作空间内完成。在该过程之前,焊接过程序列由刀具旋转和穿透深度的组合,以及一系列序列组成,包括预热、俯冲、住宅、缩回和后加热。所有步骤均以工作流图的形式如图3所示。

1. DP780 工件准备
   1. 在焊接过程之前,确保没有杂质基板污染工件。使用针织微纤维织物擦拭工件表面,消除任何小颗粒。
2. 将 DP780 工件和夹紧 2 张 DP780 板材(尺寸:125 mm x 40 mm),重叠为 35 mm。将清洁的工件固定在铁锤上,以防止换档。
3. 确保销清洁,防止基板污染不纯。使用针织超细纤维织物擦拭工具销的表面,以消除小颗粒。
4. 用卡箍固定机器上的销。
   1. 再次将工具销拧紧,以便进行工具销夹紧。
   2. 注意销夹紧步骤。确保销在机器中夹紧,以避免危险。旋转工具被一个非旋转夹紧环包围,在焊接前和焊接过程中,通过施加夹紧力,将工件牢固地压在另一个夹紧环上。图 3a所示的图中显示了用于固定工具销的夹环。此步骤后,生产将显示在流程图中。
   3. 确保安全。
   4. 确认没有夹环的高速旋转销松动。将工具销放在机器上时,出于安全原因,确保工具销在旋转过程中不会与夹具分离。工具销在 1 分钟内使用从 10 到 100 rpm 的低旋转速率。转速可在 1 分钟内从 100 转速加速至 1,000 rpm(图 3b)。
5. 机器设置
   1. 使用以下参数:转速为 3,000 rpm,4 s 的坐量和 0.5 mm/s 的暴跌率(图 3c)。
6. 校准焊接位置(图3d和图4a所示的真实产品)。
   1. 将销放在搅拌点焊机中。销和工件之间的间隙小于 5 厘米,用于校准接头位置。确认位置后,进入焊接过程。
7. 在焊接过程中,请佩戴护目镜和手套以避免受伤。
   1. 在高速旋转下用工具开始焊接过程,将工具销插入工件。工具肩接触工件并停止旋转并缩回销。
8. 暴跌
   1. 打开搅拌按钮。当机器预热时,确认工具销始终以 2,500 rpm 转速工作。确保工具销在 2,500 rpm 的高速旋转下夹紧良好。销在高速旋转下插入工件,肩部以高角度速度接触工件(图 3e)。实际产品如图4b所示。
9. 搅拌
   1. 当柱塞工具销在工件中继续搅拌时,从摩擦热中软化销和材料的界面以产生颗粒。当工具销的肩部与工件顶部接触时,停止该过程,因为工具销的高旋转会产生高温。佩戴确保操作安全的防护装备非常重要(参见图 3f)。实际产品如图4c所示。
10. 撤消
    1. 以垂直方向绘制工具销。手术后,销在圈接头中创建键孔焊接点。请注意,在此步骤中,摩擦搅拌点焊点停止 (图 3g)。实际产品如图4e所示。
11. 卸下工件。
    1. 关闭机器电源。
    2. 焊接完成后,从铁锤中取出工件。观察样品有无裂纹和缺乏融合。
    3. 拆下工具销。
    4. 手术后,从夹环上拆下工具销。观察并检查工具销的外观 (图 5)。

3. 机械性能评估

1. FSSW焊缝的显微镜检查 (图 3h)
   1. 显微样品制备
   2. 使用光学显微镜图像和二次电子图像分析测量粘合区域的横截面面积。使用磨砂尺寸从 200 到 2,000 的砂砾尺寸从 200 开始并依次增加的碎纸制备显微样品。在室温下,用0.03%氧化铝和蚀刻抛光样品,并含有4%的尼塔尔溶液,7~10s。
   3. 显微镜观察
   4. 使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察微结构并表征特征。使用 20 kV 的电压和 10 μm 的工作距离。从光学显微镜中,可以确定任何微小的裂纹线或缺乏融合区。使用扫描电子显微镜分析马腾石和澳特石分布和颗粒大小。
2. 显微 硬度
   1. 验证微硬度实验3次以上。值太小,无法清楚地表示标准偏差。
   2. 使用 300 g 测试负载样品和每次测试 0.5 mm 压压 Vickers 钻石压入。
   3. 使用负载为 300 g 且保持时间为 15 s 的微硬度测试机对 DP780 钢板进行微硬度测试。微硬度测试揭示了搅拌区、热力学影响区、热影响区以及焊缝基金属的硬度分布和个别硬度值。

Representative Results

图 3中有一个图,表明摩擦搅拌点焊接过程由 3 个部分组成:跌接(图3e)、搅拌(图 3f)和缩回(图 3g)。在我们的研究中,可以生成焊点。穿透深度是评估的一个因素。在图6a中,FSSW在中心创建钥匙孔,为2张创建接头。钥匙孔的测量深度是从板顶部到钥匙孔底部表面(图6b)。测量值如图6c所示,其设置值为 2 厘米,实际值为 1.92 到 1.98 厘米。在图7中,该图显示了DP780板材中焊点的键孔整体视图。基础金属微观结构分析表明,铁氧体基质中的马腾岛(图8a)。钥匙孔附近的TMAZ的微观结构显示了针状的马腾酸盐和细的铁氧体(图8b,c)的混合物。钥匙孔周围的搅拌区域显示出细粒的块和孔隙度(图8d)。

徐^等人25日研究了基金属与原始材料特性的硬度。在HAZ互临界区域,硬度值在大约310至330 Hv范围内。TMAZ 的硬度约为 360 Hv。摩擦搅拌点焊的搅拌区硬度明显高于其他地区;数值为370 Hv(图9,修改自徐^等人25)。如果焊接过程不成功,焊区会有一些裂纹和缺乏融合。

图 1.工具销的示意图。
(a)工具销的大小和几何形状 (b) 实际工具销请点击此处查看此图的较大版本。

图 2.演示工作空间的图表。请点击此处查看此图的较大版本。

图 3.用于说明摩擦搅拌点焊接过程的流程图。
(a) 夹针 (b) 安全确认 (c) 机器设置确认 (d) 校准 (e) 跳 (f)回缩(h ) 验证接头的机械性能请点击此处查看此图的较大版本。

图 4.焊接过程。(a) 校准 (b) 暴跌 (c) 搅拌 (d) 缩回请点击此处查看此图的较大版本。

图 5.显示所用引脚的图表。引脚在高温下消耗。请点击此处查看此图的较大版本。

图 6.使用设置的比较确认工作深度。
(a) 创建钥匙孔的 FSSW 的宏视图。(b) 说明测量深度的图表 (c) 住区深度定为 2 厘米。实际测量值范围从1.92至1.98厘米。请点击此处查看此图的较大版本。

图 7.摩擦搅拌点焊接的整体视图。分析区域包含 4 个部分:(一)基金属 (II) HAZ (III) TMAZ 和 (IV) 搅拌区。请点击此处查看此图的较大版本。

图8。使用FSSW创建的接头的微观结构组成。(a) 基金属: 工件的基金属由 DP 780 板材组成.基金属在材料性能上没有变化 (b) HAZ: 焊接场地周围的热循环,具有传热性.HAZ 区域显示马滕西群岛。(c) TMAZ: 搅拌区周围的热力学影响区.在 TMAZ 区域中显示的针状的马腾酸盐和细眼铁氧体。(d) 搅拌区:焊接过程中产生的针孔,形成再结晶颗粒。小于10μm的细粒出现在搅拌区。请点击此处查看此图的较大版本。

图 9.使用负载重量为 300 g 的 Vickers 测试机检查的工件的微硬度值保持 15 s。这个数字是从徐^等人25修改。请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

在 FSSW 过程中,暴跌阶段是最重要的。如果针脚肩部产生足够的摩擦热来软化工件,销将断裂。刀具几何形状、旋转速度、驻点时间和刀具穿透深度²⁶个参数的 FSSW 过程在确定接头完整性方面起着至关重要的作用。报道了TPD和刀具^几何27对焊接性和接头性能有重要影响。

引脚的几何形状是圆柱形,Whorl,MX三长,火焰-三叶,A-斜,和重新旋转由TWI²⁸设计。它们适用于屁股焊接,但不适用于圈焊,因为通过剧烈搅拌产生的遍历力,刀具运动和焊接扭矩会减小。火焰-三重槽、A-斜线和再搅拌工具销适用于圈焊;设计的目的是增加销的扫扫体积,以扩大搅拌区域,形成一个更广泛的工作圈^接头29。同时,在 FSSW 期间,摩擦在旋转工具和工件的界面产生热量。刀具几何形状和 FSSW 参数会影响 FSSW 焊缝⁴的强度。工具肩和销是 FSSW 工具⁵的主要部件。针产生摩擦热,变形周围的材料,并搅拌加热的材料6。引脚尺寸7、角度8、螺纹方向9、长度10和轮^廓11取决于金块的形成。同时,工具肩在FSSW过程中产生热量,锻造加热材料,防止材料排出,并协助材料在^工具12周围移动。肩部的大小和凹度也是摩擦搅拌点焊接^{的重要因素13。}

引脚材料由以下组件组成:12%Cr钢、低碳钢、Mo和W合金、W合金、多晶立方氮化硼(PCBN)和多晶立方硼。由于刀具磨损发生在焊接初始阶段的下垂阶段,因此刀具变形和摩擦磨损可在刀具中找到。与工件相比,为针脚选择合适的材料,可以承受高温,从而延长刀具寿命,从而解决此问题。在我们的研究中,我们使用多晶金刚石焊接工件。

引脚长度和穿透深度也是影响焊接过程中最大载荷的因素。已表明,工具穿透深度增加,销长减少,导致²。

旋转速率是导致工件上针摩擦开始焊接过程的重要因素。转速范围为 300-1,000 rpm,可用于检测焊接中心区域中大约 430 至 470 °C 的峰值温度。远离焊接区,铝合金(6061Al-T6)30的热效应区温度降至350°C。从其他参考,摩擦情况在低转速与棍子可以转换为斗杆/滑动在高速。旋转速率是导致产生锻造工件所需的热量的关键因素。过去,研究主要集中在铝合金上。然而,在我们的研究中,重点是DP钢。没有用于识别温度的测试值。然而,根据中心线的微观结构表现出细纹的物位,可以推断基板温度超过Ac3标准。

过去对 FSSW 工件的研究主要集中在铝合金上,因为金属焊接中的低熔融温度会导致变形和低强度,需要通过 FSSW 进行固定。自 FSSW 开发以来,使用了不同的材料,包括轻质钢。用铝合金焊接的DP钢是新的研究领域。基于商业应用,FSSW 是工业生产中使用的不同组分合金的有用方法,因为节省时间和成本。

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
anvil	MIRDC		made by MIRDC
DP780	China steel Corporation	CSC DP780
stir spot welder machine	MIRDC		made by MIRDC
tool pin	KINIK COMPANY	DBN2B005B