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搅拌摩擦焊接头摩擦磨损性能研究

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2007年2月 润滑与密封 Feb.2oo7 第32卷第2期 LUBRICATION ENGINEERING V01.32 No.2 搅拌摩擦焊接头摩擦磨损性能研究 王快社 王训宏 徐可为 (1.西安建筑科技大学陕西西安710055;2.西安交通大学金属材料强度国家重点实验室陕西西安710048) 摘要:在MM-200型摩擦磨损试验机上分别试验了LF2铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区和母材的摩擦磨损性能。通 过测定失重量和摩擦力矩的波动情况,得出了在不同的工艺参数条件下试样的抗磨损性和摩擦因数的变化规律。实验结 果表明:搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能明显优于母材,当正压力从50 N增加到100 N时,母材的失重量增加近6倍, 母材的失重量在同等垂直载荷的情况下是焊缝的10—20倍。实验还表明搅拌摩擦焊接接头的摩擦力矩较小并且波动平 缓。搅拌摩擦焊接头区域的磨损机制从磨粒磨损方式转变为疲劳磨损方式。 关键词:搅拌摩擦焊;接头;摩擦磨损;摩擦力矩 中图分类号:TH117.1文献标识码:A文章编号:0254—0150(2007)2—114—3 Research 0n Friction and Wear Properties 0f Joint by Friction Stir Welding Wang Kuaishe。’ Wang Xunhong Xu Kewei (1.xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an Shaanxi 7 10055,China; 2,State Key Laboratory for Mechanical Behavior of Materials。Xi’all Jiaotong University,Xi’an Shaanxi 710048,China) Abstract:Friction and weal"behaviors were studied between the untreated base material and the firction stir welds of LF2 aluminum alloy on MM.200 abrasion tester.Van‘ation rule of wear—resistance prope ̄y and coefifcient of friction were investigated by testing for wear mass 1OSS and moment of friction under different parameter condition.The result shows that friction stir weld show much better wear—resistance than base materia1.The abrasion loss of base material increases by six times when position pressure increases from 50 N to 100 N and the abrasion loss iS as 10~20 times as that of friction stir welds.The number of friction.moment of friction stir welds is 1OW and stable and abrasion principle changes from grain ab— rsaion to fatigue wear. Keywords:firction stir welding;joint;firction and wear;moment of firction 铝合金具有高的比强度、易加工成形等优点,广 开展铝合金搅拌摩擦焊接材料的摩擦磨损研究,为铝 泛应用于航空航天、船舶、机械、建筑、电器、汽车 合金搅拌摩擦焊磨损控制、建立完善的材料损伤失效 制造等领域。采用常规熔化焊焊接铝合金时,易产生 理论提供实验依据。本文作者针对铝合金搅拌摩擦焊 裂纹、气孔、疏松等缺陷。1991年英国焊接研究所 接接头的摩擦磨损性能进行了研究,通过测定失重量 发明的搅拌摩擦连接方法为铝合金的有效连接问题提 和摩擦力矩的波动情况,得出了在不同的工艺参数条 供了一条新的途径。搅拌摩擦焊焊缝具有细化的锻造 件下试样的抗磨性和摩擦因数的变化规律,并对实验 组织,无气孔、裂纹和元素烧损等熔化焊缺陷,残余 结果进行了分析,从而为铝合金材料的进一步广泛应 应力与变形很小 -61。目前国内外在搅拌摩擦焊接的 用提供实验基础 …。 工艺与成型方面做了大量的研究工作。而关于搅拌摩 1实验部分 擦焊接头部分摩擦磨损方面的研究还未见报道。无论 1.1试样准备 是铝合金轮圈还是铝合金汽车发动机等部件工作时受 热和受力情况都比较复杂,各配合副本身会因摩擦和 磨损破坏各配合副的相互关系,进而影响到整个部件 的性能指标。例如磨损区域的磨损行为。因此有必要 图1搅拌摩擦焊接接头 基金项目:陕西省科技计划项目(2003K07一G8);陕西省教 育厅产业化项目(04JC18);西安市工业攻关项目(GG04063), 选用140 mm×70 mm×6 mm的LF2铝合金板材 收稿日期:2006—07—04 进行搅拌摩擦焊接实验,搅拌头材质选用65Mn合金 作者简介:王快社(1966一),男,博士,副教授.E—mail: 钢,轴肩直径为20 mm,焊针高度为5.8 mm,直径 wangkuaishe@yahoo.COB.en. 为6 mm。搅拌头的旋转速度为1 500 r/min,焊接速 维普资讯 http://www.cqvip.com

2007年第2期 王快社等:搅拌摩擦焊接头摩擦磨损性能研究 115 度为60 mm/min,焊接压力为150 N。焊接完成的试 样横截面形貌如图1所示。 1.2摩擦磨损试验 采用MM200型磨损试验机进行摩擦磨损性能试 验,滑动摩擦副上试样(块状试样)分别为LF2铝 合金搅拌摩擦焊接接头与母材试样,试样尺寸为30 mm×7 mm×6 mm。下试样(环形状)为45 钢,硬 度为HRC 40—45,直径为40 mm,表面粗糙度为 R。0.8 mm,以200 r/min的转速均匀转动。摩擦磨损 实验在湿态下进行,湿态介质采用矿物润滑油,以每 5 s左右一滴的速度滴入摩擦面。对磨时分别施加的 正压力为50 N、75 N、100 N。每一个试样的摩擦运 行时间为2 h。每隔0.5 h用干净的棉纱拭去上下摩 擦副间的磨屑,每一个试样在完成实验后用丙酮仔细 清洗,并缓慢加热至105℃,保温40 min,随炉冷却 至室温后,用GT2A型分析天平(精度0.1 mg)称 量摩擦副质量。通过测定失重量和摩擦力矩的波动情 况,来分析试样的摩擦磨损性能¨。。”]。 2实验结果 2.1搅拌摩擦焊接头区域硬度分布 图2为连接工艺参数为旋转速度R:I 500 r/min, 连接速度 =60 mm/min,连接压力F=150 N时LF2 铝合金连接接头硬度分布。 由图2可见,LF2铝 合金搅拌摩擦焊焊核区除 某些点硬度比母材高外,嚣  ir ’ , 。 ● f - 其余点上硬度均与母材硬 度相当;热机械影响区和 热影响区内,硬度分布不 均匀,且比母材硬度低。 这主要是由于这些区域与 图2接头显微硬度分_栖 焊核的应变相差较大,热梯度的共同作用在此区域生 成了某些沉淀相。焊核区内硬度相应较高是由细小的 等轴晶粒的Hal1.Petch效应引起。 2.2磨损量与摩擦力矩 变化到0.045 9 g,而焊缝试样失重量由0.001 6 g变 化到0.003 l g。试样清洗后观察其磨痕状况,发现 焊缝的摩擦宽度和深度明显小于母材。正压力继续增 大到100 N时,母材与焊缝失重量都继续加大,但母 材失重量相对速率较大且从图中可以看出磨损速率有 继续增大的趋势。母材的磨损量相对实验前增加近6 倍,在同等垂直加载的情况下是焊缝的1O~20倍。 虽然在焊缝区也有某些区域的硬度相对母材有少量降 低,其耐磨性却比母材好,其原因可能是搅拌摩擦焊 接接头与油的亲合力较母材大,即使在重载条件下, 也能保证试样表面有一定厚度的连续油膜,避免了摩 擦副的直接接触,不仅改变了摩擦副的接触形式,而 且带走了摩擦时产生的热. 量,使之在较稳定的温度 下摩擦,不易产生粘着,蔷 从而降低了磨损量;母材基 与油的亲合力较小,当正 压力增大时,试样表面油 膜连续性受到破坏,造成图4母材与焊缝的磨损量 了摩擦副的直接接触,致 (转速 :200 r/ i ) 使磨损量成倍增加。 摩擦因数与摩擦力矩的关系为: : —xR —(1)L l p 其中 为摩擦因数;T为摩擦力矩(N・m);R为下 试样的半径(m);P为垂直载荷(N)。 在下试样的半径和垂直载荷一定的情况下,摩擦 力矩的波动情况直接反映了摩擦因数的变化。无论在 何种载荷情况下,焊缝的摩擦力矩的最大值和波动范 围均较母材小且稳定。这一方面是因为焊缝材料与油 的亲合力较母材大,减小了摩擦因数;另一方面,在 低周疲劳作用下,突起的片状剥层经反复碾压而脱离 表层成为细小片状磨屑,即使这些磨屑再次进入摩擦 面,引起摩擦因数改变的程度也较小,因而其力矩波 动范围较小。而母材在重载荷下其油膜的连续性被破 坏,从试样表面脱落的金属颗粒再次进入摩擦面时会 显著改变摩擦因数,摩擦力矩随之增大,形成较大的 波动。 2.3摩擦磨损机制 在搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损的初期,摩擦副表 面微凸体之间的反复作用使得材料微体积受循环接触 应力和重复摩擦塑性变形,造成表层位错密度显著增 大,但整体变化不大。第二阶段位错密度变化不大, 表层发生塑性破坏,压痕周围的材料发生磨损剥落如 图5所示。对磨粒磨损来说,接触点表面下区域内的 弹塑性应力场及位错相互作用时,先是在应力场作用 的表面下产生一系列位错,通过位错堆积等过渡形成 空穴,空穴汇合引起表面的裂纹,当裂纹达到某一临 维普资讯 http://www.cqvip.com

116 润滑与密封 第32卷 界长度时,就产生粒状或者微小的片状磨屑,如图6 所示。当横向裂纹互相交叉或扩散到表面时就造成局 增加到100 N时,母材的磨损量相对实验前增加近6 部破坏,出现线状裂纹并且分离出微片或颗粒,使摩 擦磨损机制转变为疲劳磨损。由于经过搅拌摩擦焊接 的试样接头区域的晶粒大小明显降低,使得塑性破坏 所产生的微小磨粒进入表层的深度小,横向裂纹互相 交叉或扩散到表面时往往变得比较困难,相对母材而 倍。在同等垂直加载的情况下,母材的磨损量是焊缝 的l0—2O倍。 (2)与母材相比较,焊缝区域摩擦力矩波动稳 定,摩擦因数变化不大,明显减弱了表面的疲劳磨损 效应。 (3)搅拌摩擦焊接头区域的磨损机制从磨粒磨 言可以明显减弱表面的疲劳磨损效应。 图5搅拌摩擦焊接头表面 图6磨屑的形貌 磨损的扫描电镜照片 另外材料中存有物理 和化学缺陷,物理缺陷主 要有晶格缺陷、位错、空 格等,化学缺陷主要有金 属夹杂物等,如图7所示, 这些区域导致应力集中, 成为裂纹的萌生处并迅速 图7试样中夹杂物的 扩展。针对搅拌摩擦焊接 扫描电镜照片 接头而言金属夹杂物被弥 散分布或者被打断破碎。 在摩擦表层内同时作用的剪 应力和正应力,最大剪应力是变 应力,它对表层内裂纹的萌生起 着决定性作用,正应力是脉动的 循环应力,它使裂纹不断扩展。 假设在晶界产生裂纹后,作 用在晶体问的晶界能 和 处 于平衡状态如图8所示,可用下 式表示: c AcosOl+ Bcos02 (2) 图8结晶晶界及表 如果由于物理和化学缺陷, 面能示意图 使 和 值降低,所以界面能和表面能处于不平 衡状态。即¨ : c> AcosOl+ Bcos02 (3) 上述的过程是不可逆的。为了达到新的平衡,裂 纹继续扩展,此外在图8所示的P区域内由于应力集 中热产生塑性流动,并放出热量。大气中某些反应性 物质和金属在这些部位容易引起化学反应,使裂纹更 易扩展。 3 结论 (1)在低速重载润滑条件下,当正压力从50 N 损方式转变为疲劳磨损方式。 参考文献 【1】王快社,王训宏,沈洋,等.搅拌摩擦焊技术的最新进展 [J].热加工工艺,2004(10):53—54. Wang Kuaishe,Wang Xunhong,Shen Yang,et a1.The lat- est development of friction stir welding technology[J].Hot Working Technology,2004(1o):53—54. 【2】Jin Haiou,Ko Conehita,Saimoto S,et a1.Microstructure of firction stir welded joints in AA5 1 82[J].Materials Science Forum,2000,331/337:1725—1730. 【3】Djapic Oosterkamp L,Webster P J,Browne P A,et a1.Re・ sidual stress field in a friction stir welded aluminum extrusion [J].Materials Science Forum,2000,347/349:678—683. 【4】M Guerra,C Schmidt,J C McClure,et al,Flow patterns duirng firction stir welding[J].Materials Characteirzation, 2003,49:95—101. 【5】Reynolds A P,Lockwood W D,Seidel T U.Processing prop erty correlation in frietion stir welds[J].Mater Sci Forum, 2000,331/337:1719—1724. 【6】Flores O V,Kennedy C,Murr L E。et a1.Mieorstructurla issues in a firction stir welded aluminum alloy[J].Seripta Materialia,1998。38(5):703—708. 【7】Lienert T J,Grylls R J,Gould J E,et a1.Deformation mi— erostruetures in friction 8tir welds on 6061一T651『C].Hot Deformation of Aluminum Alloys,1998:159—167. 【8】Oerteh G,Babu S S,David S A,et a1.Effect ofthermal cy— cling on firction stir welds of 2 195 aluminum alloy『J].Weld— ing Journal,2001,89(3):71—79. 【9】Jata K V,Semiatin S L.Continuous dynamic recrystallization during friction stir welding of high strength aluminum alloys [J].Scripta Mater,2000,43(8):743—749. 【10】Jata S V,Sankaran K K,Ruschau JJ.Friction stir welding effects on mierostrueture and fatigue of aluminum alloy 7050 一T745 1[J].Metallurgical and Mateirals Transactions A, 2000,31A(9):2181—2192+ 【11】冶银平,张永胜,孙晓军,等.Ni/聚氨酯纳米复合涂层 的制备及其摩擦学性能研究[J].摩擦学学报,2003, 23(2):104—107. Ye Yinping,Zhang Yongsheng,Sun Xiaojun,et a1.Prepa— ration and tribological behavior of Nifpolyurethane nanocom- posite coatings[J].Tribology,2003,23(2):104—107. 【l21徐龙堂,徐滨士,周美玲,等.电刷镀镍/镍包纳米 A1 0 颗粒复合镀层微动磨损性能研究[J].摩擦学学 报,2001,21(1):24—27. (下转第158页) 维普资讯 http://www.cqvip.com

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