<address id="1zzb3"></address>
    <noframes id="1zzb3"><form id="1zzb3"></form>

    <form id="1zzb3"></form>

    <noframes id="1zzb3"><em id="1zzb3"></em>

      全國服務熱線
      0512-6883-0001
      18016327626
      鈦合金6AL-4V攪拌摩擦焊表面織構、超塑性成形和疲勞性能的影響

      鈦合金6AL-4V攪拌摩擦焊表面織構、超塑性成形和疲勞性能的影響

      G. Sanders, M. Ramulu, P.D. Edwards,  A. Cantrel

       

      研究了攪拌摩擦焊(FSW)焊接速度和進給量對熔核頂部表面織構的影響。試驗使用標稱厚度為2.5 mm的細晶粒(0.8-2 lm)鈦合金6Al-4V進行。結果表明,焊縫頂面上的針狀工具痕跡對焊接板的超塑性成形(SPF)特性和疲勞性能都有很大的危害。發現FSW焊后,通過加工頂面去除劃痕,消除了SPF過程中焊縫的主要撕裂,并恢復了大部分橫貫焊縫的疲勞壽命。通過進一步開發FSW工藝參數,使對接焊熔核具有與母材相同的SPF特性。通過使用水冷銷釘工具和其他冷卻技術,可以認為在攪拌摩擦焊接過程中,焊接區域可以保持在β-transus溫度以下,這使得與傳統熔焊工藝相比,能夠形成獨特有利于超塑性行為的晶粒結構。

      關鍵詞:疲勞;攪拌摩擦焊;超塑性成形;表面織構;鈦

       

      1介紹

      本研究的目的是研究生產定制鈦坯料所需的使能技術,用于制造商用噴氣飛機上使用的超大型單片SPF成形部件。在此開發工作之前,鈦板金屬部件的尺寸受到軋鋼廠生產的最大板料尺寸的嚴重限制。結合FSW和SPF工藝,可以制造并隨后形成復雜形狀的毛坯尺寸不再受原材料的限制。

      FSW工藝只是最近才被應用于鈦的對接連接,關于焊接材料疲勞性能的數據很少。由于飛行的嚴格性、機身增壓、著陸/起飛載荷、機翼加載/卸載和許多其他設計因素,大多數飛機結構都承受疲勞載荷。已有研究對鈦攪拌摩擦焊對接焊縫的力學性能進行了研究[1-3]。然而,為了合理比較FSW工藝和其他連接方法,有必要對焊縫進行高周疲勞試驗。

      初步試驗表明,由于各種原因,鈦合金6Al-4V的攪拌摩擦焊比鋁合金攪拌摩擦焊復雜得多。在開發過程中,必須開發特殊的方法和工藝控制,以使可重復的FSW對接焊縫無缺陷,根據航空航天標準,這種焊接質量被視為“a級”。圖1(a)顯示了在南卡羅來納大學[2.3]制造的一個初始FSW焊縫,圖1(b)顯示了最近在波音公司擁有的FSW機器上制造的焊縫,該機器專門為鈦而設計,并使用了最佳工藝參數。在as -FSW焊道SPF試驗的早期階段,很明顯,留在頂面上的銷工具標記(也稱為銷工具標記)對試驗零件的SPF成形特性有著深遠的影響。在某些情況下,粗糙織構非常嚴重,以致于在制造過程中沿著焊道接頭完全撕裂薄板,如圖1(a)所示。注意觀察到的毛刺減少和圖1(b)所示表面粗糙度方面的改善。

      image.png 

      圖1(a)中所示的攪拌摩擦焊是早期嘗試攪拌鈦合金的結果,(b)中所示的試樣是最近使用高度優化的攪拌摩擦焊參數和設備進行試驗的結果

       

      圖2顯示了一個FSW的橫截面,它突出顯示了在第一次焊接試驗中,其中一個試驗的頂面上由銷釘工具產生的非常尖銳的峰值和裂紋狀谷,而沒有使用優化的工藝。正是這些嚴重標記產生的應力集中導致最初的SPF試件因開裂失效,在后來的試驗中,證明對疲勞壽命極為不利。

      image.png 

      圖2:FSW鈦試樣寬度上的顯微照片。它清楚地顯示了由于攪拌針在焊縫頂面上的運動而產生的尖峰和谷

       

      2實驗程序

      2.1攪拌摩擦焊的發展

      攪拌針承受高溫和應力,使其設計和材料選擇成為工藝的關鍵因素。為了避免鈦氧化,需要使用惰性氬氣進行保護,這意味著在冷卻過程中,笨重的拖車必須覆蓋攪拌區,這使得觀察攪拌過程變得困難。圖3顯示了一個簡單的氬“拖車”箱,用于在冷卻時用氬氣覆蓋熱FSW對接焊縫。

      image.png 

      圖3:在FSW銷釘工具和主軸后面使用一個簡單的“拖車”,用氬氣保護焊縫,防止焊接和冷卻過程中發生氧化

       

      鈦摩擦攪拌焊是在熔核溫度范圍內進行的,熔核溫度范圍估計在750到950℃之間(從工藝和金相觀察到的亮橙色判斷)。上層溫度梯度非常接近于β-transus溫度,在短時間內不能超過該溫度而不嚴重改變材料性能。另一方面,采用工藝參數制造的FSW焊縫溫度低于正常焊縫(750到850°C) 傾向于具有高度精細的晶粒結構,這導致超細晶粒尺寸與母材相比過于超塑性,并導致焊縫極度變薄。發現必須使用銷釘工具的水冷卻和其他專有冷卻方法從攪拌區域除去熱量,以獲得所需的結果。據觀察,整個過程對排出熱量的微小變化極為敏感。

      FSW的主要工藝參數是z方向鍛造載荷或相對于背砧的z尺寸位置(設置旋轉銷刀具底部與砧座之間的間隙距離,優化為約0.075 mm)、主軸轉速、刀具銷幾何結構,針形刀具的水冷卻系數(水流量)和進給速率。這些變量中的每一個都可以用來增加額外的能量,從而使熱量進入攪拌區,或者減少它。由于攪拌摩擦焊是一個熱力機械過程,攪拌機理在很大程度上取決于實際攪拌過程中熔核的溫度。攪拌應力和銷釘工具之間的摩擦力可以增加也可以減少,例如增加主軸的轉速會明顯提高攪拌焊接溫度,而降低轉速則會冷卻攪拌焊接溫度。

      FSW鈦的基本工藝參數(RPM和進給速度)必須比鋁的控制好得多[4-6]。發現5到10的轉速變化會導致焊接結果的顯著差異,5至15 mm/min的進給速度變化對焊接質量有顯著影響。這兩個參數表明,鈦攪拌摩擦焊工藝對變化的敏感性大約是攪拌摩擦焊工藝的5到10倍。因此,需要非常嚴格的過程控制。z方向(軸向)鍛造載荷約為45 kN,這是攪拌可比鋁部件所需力的三倍多,這意味著許多設計用于鋁焊接的FSW機器可能不適合與鈦一起使用。必須采取額外的措施,在焊接結構中將鋼板緊緊地夾在一起,以保持鋼板的邊緣對接在一起,從而使鋼板之間不會在橫向方向上發生分裂。圖4(a)顯示了焊接過程中用于將兩個試樣固定在一起的簡單夾緊裝置,圖4(b)顯示了后來在南卡羅來納大學設計的更安全的系統一對定制的桁架梁。

      image.png 

      圖4(a)夾緊力不足的簡單夾緊裝置

      (b)采用桁架式夾梁裝置

      在進行鈦FSW對接焊時,將兩片鋼板緊緊固定在一起

       

      2.2超塑性成形發展

      采用球磨退火的6Al-4V細晶鈦對FSW接頭的超塑性成形(SPF)特性進行了研究,以確定該工藝是否適用于制造復雜形狀的深成形盤。初始范圍界定試驗計劃包括熱拉伸試件的制造和測試,FSW中心位于標距區域,如圖5所示,其中大約一半標距長度作為母材,另一半為FSW材料。在太平洋西北國家實驗室用774℃的成形溫度測量了超塑性性能和恒定應變率為2.7×10-4s-1通常,在試驗停止前,試件被拉至70%至100%之間的總超塑性應變水平。圖5是在這個項目中測試的幾個測試樣本的照片。

      image.png 

      圖5:拉伸母材和FSW區后的四個FSW超塑性拉伸試件,以確定每個區域(母材和焊縫)的相對超塑性

      在母材和FSW焊接區之間實現等效超塑性應變的鈦攪拌摩擦焊的典型工藝參數的轉速范圍為150至400,進給速度為0.83至5.00 mm/s,鍛造載荷約為25至65 kN。這可與鋁合金5083-SP FSW焊縫進行比較,后者具有與母材相同的超塑性,其工藝公差帶為200至1500 RPM,進給速度為1.25至6.67 mm/s,典型鍛造載荷僅為5至25 kN。迄今為止,生產的最佳鈦6Al-4V細晶粒試驗焊縫的轉速為325 RPM,進給速度為1.67 mm/s,鍛造載荷為55 kN(使用z方向位置控制)。

      超塑性拉伸試驗之后,使用波音公司現有的試驗模具制造小規模SPF盤,其產生的試驗零件類似于半個飛艇(比航空船輕),通常被稱為“齊柏林飛艇”,參考圖6。FSW焊縫沿成形件寬度的中心。隨著FSW工藝的進一步發展,表面撕裂和毛刺減少,但在試驗盤的SPF成形過程中,仍然可以觀察到焊縫內部寬度或長度的撕裂,參考圖7。

      image.png 

      圖6(a)所示為SPF成型齊柏林測試盤在熱模具中成形后立即冷卻

      (b) 成形的齊柏林平底平底鍋,適用于切割試樣

       

      image.png 

      圖7:SPF成形的第一批齊柏林飛艇平底船之一顯示了嚴重的FSW表面缺陷:

      (a)FSW頂面撕裂;(b)FSW整個厚度上有一個撕裂的孔

       

      圖8(a)顯示了FSW區域的稍微放大的宏觀視圖,該區域在“齊柏林”盤的SPF成形過程中受到焊縫頂面上的銷工具標記的高度影響??梢钥闯?,銷工具痕跡的小峰和谷受到了非常大的拉伸和材料的局部減薄,這也導致一些波谷在峰值之間以不同程度的嚴重程度變寬。人們發現,山谷地貌的形成量與山谷形成之前的深度和銳度有關。

      image.png 

      圖8(a)銷工具標記峰值之間嚴重變形的超塑性FSW焊縫頂面宏觀視圖

      (b)針形工具在SPF后有漩渦痕跡,在許多高度拉長的山谷之間有許多非常小的裂縫

       

      最深的針形工具漩渦痕跡往往具有最嚴重的局部拉伸,在某些情況下,變薄導致峰值之間形成裂紋。圖8(b)顯示了高度拉長超塑性成形熔核的頂面放大圖,圓銷工具標記的峰值之間有許多非常小的裂縫。

      經過大量的開發和試驗,發現在成形前完全加工或磨掉銷刀痕跡,可以獲得最佳的SPF性能,因此,SPF在焊縫處的性能與成形母材非常相似。

       

      3結果

      通過小尺度熱拉伸超塑性試驗,獲得了更多關于攪拌摩擦焊超塑性特性的數據,通過調整攪拌摩擦焊工藝參數,焊縫質量得到了很大改善。最終,這使得齊柏林飛艇盤的形成更加容易,缺陷也少得多。盡管一些存在缺陷的小面試件盡管質量較差,但仍進行了拉伸試驗,但在試驗區域后期制作的具有較好焊縫的試件,其機械拉伸性能顯著改善,其中一些試樣的機械性能與母板非常接近,除了延伸率[1]。

      根據FSW和SPF工藝的發展,在充分優化的基礎上,對as-FSW焊道進行了疲勞性能測試。在試驗過程中,“齊柏林飛艇”成形試驗表明,如果通過機械加工去除FSW焊道鋸齒狀的頂面,則可以完全避免SPF成形過程中的撕裂。機械測試也顯示出了巨大的改善,幾乎接近母材的性能,前提是銷工具的痕跡在測試前被磨掉或加工[7]??紤]到這一點,進行了疲勞試驗,以測量橫向和縱向FSW珠相對于試件長度的相對疲勞性能。圖9(a)顯示了一組FSW橫向焊道的位置,圖9(b)是單個疲勞試驗樣品上的縱向FSW圖像。

      image.png 

      圖9(a)從具有橫向FSW焊縫的FSW面板上切下的四個疲勞試樣

      (b) 縱向FSW疲勞試件

       

      對首批測試的一個疲勞試件的微觀結構進行了檢查,發現有多個疲勞裂紋起始于幾個銷工具標記谷。圖10(A)所示為as-FSW頂面照片。圖10(b)是本研究過程中制作的第一個疲勞試件的30倍放大倍數,在該圖中,可以清楚地看到整個FSW表面的多個疲勞裂紋萌生,其中包含重復的銷工具標記。

      image.png 

      圖10典型的FSW試樣亞表面和疲勞斷裂面:(a)5X處的分段焊核;

      (b)30X處疲勞試件頂面的多個疲勞斷裂

       

      設計了一個實驗測試方案,以評估as-FSW鈦的拉伸疲勞性能,并確定通過將攪拌態的頂面加工成平面、消除應力和/或低塑性拋光來去除刀具痕跡所產生的疲勞改善。在機械加工的情況下,FSW表面的去除量為200-300lm,保證了粗糙表面和淺亞表面缺陷的完全消除。

      將厚度為2.5和3.0 mm的鈦合金6Al-4V細晶粒金屬板制成的試件通過FSW對接連接在一起,形成20個20 mm寬、60 mm長的試板。圖11顯示了在切割穿過焊縫的試件之前,四個完整試板的照片。

      image.png 

      圖11連接后的照片中顯示了一組四個FSW試板

       

      本研究中使用的測試板是使用位于華盛頓州奧本市波音工廠的FSW機器制造的,并根據研究合同提供給華盛頓大學。所有面板在對接接頭底部用1 mm寬x 1 mm深的焊道進行激光焊接,以消除FSW完成后出現未焊透(LoP)的可能性。FSW后,激光焊接被抹去,除了在接頭底部中心有1 mm寬90.05 mm深的熔核。使用的其他關鍵FSW參數如下:300rpm,1.27mm/s進給速度,a3主軸偏離行程方向傾斜,z方向鍛造負載為31至40 kN。注意,記錄的過程負荷是其他參數的結果。因為輸入的是一個進程,所以沒有使用forge參數。然而,載荷用于補償設備中的缺陷并保持所需的插入深度。

      在FSW連接之后,大多數試板使用溫度為730℃的真空爐進行應力消除,爐內冷卻30分鐘,然后進行C。表1給出了使用各種工藝參數選項(包括應力消除和低塑性拋光(LPB)選項)生產和疲勞試驗的準確數量。

      image.png 

      表1使用七種不同的FSW工藝組合和焊后條件,為本研究制作了疲勞試樣

       

      在U.W.機械工程部的噴水切割機,我們的機器車間被用來切割狗骨頭標本。水射流切割后,用一個精細的復合拋光輪拋光試件邊緣,然后用320400濕手打磨,最后600粗砂砂紙。所有的鎳鐵邊在進行疲勞試驗之前,消除了臺階,并仔細包裝試樣,以避免劃傷。如果FSW頂部表面的前進側或后退側出現一個大的突出毛刺,則在進行疲勞試驗之前,應使用尖嘴鉗將其咬掉。

      對于拉-拉疲勞試驗,使用了位于美國材料科學部試驗實驗室的50 kN計算機控制材料試驗系統(MTS)伺服液壓拉伸試驗架式試驗機。在負荷控制運行模式下,所有試驗的負荷比(R=最小應力/最大應力)保持在0.1。正弦波形被設置為15赫茲的頻率。液壓驅動的夾具用于固定鈦試件。疲勞試驗后對試件的檢查表明,焊態試件從FSW寬度內發生的開裂中斷裂,機加工試件傾向于出現脆性破壞,與完全由母材金屬制成的試件(無FSW)類似,參考圖12。疲勞試驗的結果如圖13所示。

      image.png 

      圖12所示照片為橫向FSW焊接的疲勞壽命試樣。疲勞試驗后顯示出斷裂

      (a) 疲勞試驗前已機加工的試件和(b)留在as FSW表面的試件

       

      image.png 

      圖13所示為疲勞試驗數據,這些數據與制造它們所用的不同工藝條件相對應

      表1進一步解釋了試樣特性和試驗條件


      4結論

      根據圖13中的疲勞試驗結果,可以估計母材的疲勞壽命極限約為620 MPa。其次是橫向FSW試件的最佳性能,該試件通過機械加工去除了表面的攪拌針工具痕跡,還進行了LPB以誘導抗疲勞壓縮應力。這種工藝組合的表觀疲勞極限為565MPa,相當于觀察到的母材的91%耐久極限。這一發現相當顯著,因為其他鈦焊接工藝的疲勞性能下降幅度要大得多。鎢極惰性氣體(TIG)、激光熔接和電阻焊工藝通常設計用于疲勞應用,其耐久極限為205 MPa,符合ASTM手冊,該手冊通常用于非航空機械設備的設計[8]。通過機械加工去除攪拌針痕跡的橫向FSW試件的性能幾乎與使用LPB的零件一樣好,觀察到的持久極限為496 MPa,即母材強度的81%。


      轉載請注明精川材料檢測地址:www.ahmedelazab.com

      《上一頁 下一頁》

      日韩乱码无码