（材料物理与化学专业论文）铝合金薄板的搅拌摩擦焊工艺及性能的研究.pdf

北京科技大学硕士学位论文 摘要 搅拌摩擦焊是一项新型的焊接技术，目前主要应用于船舶、航空航天、轨道交 通等领域，基本上是对较厚板材的焊接展开研究，而对建筑行业使用的，特别是l m m 左右厚度的薄板的焊接尚没有开始研究。因此本文在此背景下，对l m m 厚度的2 0 2 4 及6 0 6 1 铝合金的搅拌摩擦焊的工艺及性能展开研究，探索l m m 薄板的焊接工艺参 数范围；确定最佳的焊接工艺参数；弄清接头力学性能与焊接工艺参数以及与微观 组织之间的关系。 通过对2 0 2 4 t 4 铝合金的搅拌摩擦焊的研究发现，铝合金薄板的焊接工艺参数 范围比厚板的大。对于l m m 厚度6 0 6 1 t b 铝合金，最佳的工艺参数是转速为 1 8 0 0 r p m 、走速为1 0 0 0 r a m r a i n ，在此参数下，接头的硬度、强度、延伸率分别达到 母材的7 5 、8 1 、5 4 左右，耐腐蚀性能也达到较好的状态。l m m 厚度6 0 6 1 t 6 铝合金接头由于在焊接过程中发生了部分固溶现象降低了强化相m 9 2 s i 的含量，所 以导致了接头力学性能低于母材；焊后对接头在合适的温度下进行热处理后，接头 的硬度及强度较热处理前有所回升。l m m 厚度6 0 6 1 - t 6 铝合金接头硬度及强度随焊 接工艺参数变化的趋势，是焊核区晶粒尺寸的大小、第二相含量及分布、位错的密 度、亚结构的多少等多种因素综合作用的结果。搅拌摩擦焊过程中，接头内部产生 了大量的位错，位错塞积导致形成亚结构，这些亚结构在随后的热循环以及搅拌头 的继续作用下，逐渐转变成大角晶界，并最终形成焊核区的等轴晶粒，而新的位错 及亚结构又会不断的产生并继续变化，从而形成搅拌摩擦焊过程中材料的微观组织 结构的变化。 关键词：搅拌摩擦焊接，铝合金薄板，工艺范围，力学性能，微观组织 北京科技大学硕士学位论文 s t u d y o ht e c h n i c sa n d p r o p e r t i e so f t h ef r i c t i o ns t i r w e l d e dt h i ns h e e t so fa l u m i n u ma l l o y 蹦c t i o ns t i rw e l d i n g ( f s v oi san e wa n dp r o m i s i n gw e l d i n gp r o c e s s i n ga n dn o wi s w i d e l yu s e di na i r c r a f t , w a t e r c r a f ta n dv e h i c l e , w h i c hm a i n l yr e l a t et ot h es t u d i e so f 鹏w o nt h i c ks h e e t so fa l u m i n u ma l l o y s , a n dt h e 醛￥ps t u d i e so n 氇遮s h e e l se s p e c i a l l yw i t h l m mt h i c 妇e s sw h i c ha r ea l w a y su s e da sb u i l d i n ga n dd e c o r a t i n gm a t e d a l sa r ef e w s o t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e dt h et e c h n i c sa n dp r o p e r t i e so ft h ef r i c t i o ns t i rw e l d e dl m m t h i c k n e s s2 0 2 4a n d6 0 6 1a l u m i n u l l la l l o y s , t og r o p et h et e c h n i c a lp a r a m e t e r sf i e l do f l m mt h i c k n e s sa l u m i n u ma l l o y , g e tt h eo p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r s , g e lt ot h eb o t t o m o ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep r o p e r t i e sa n dt e c h n i c a lp a r a m e t e r s , m a k es u r et h e 衔c t i o ns t i rw c l d e dl m mt h i c l m e s st h i ns h e e t sc a nh eu s e da sb u i l d i n ga n dd e c o r a t i n g ， m a t e r i a l s t h r o u g ht h es t u d yo nf s wo f2 0 2 la l u m i n u ma l l o y , i tw a sf o u n d 磕a tt h et h i n n e r a l t t m i n u ma l l o yt h el a r g e rf s wt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf i e l d f o ri m mt h i c k n e s s6 | 陋1 a l u m i n u ma l l o y , t h eo p t i m u mt e c h n i c a lp a r a m e t e r sa r er o t a t es p e e de q u a lt o1 8 0 0 r p ma n d a d v a n c es p e e de q u a lt o1 0 ( 胁n m m i n 。o nt h i sc o n d i t i o n 。t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h e f sw e l d e di o i n ts u c ha sv i c k e r sh a r d n e s s , y i e l ds t r e n g t h ，e l o n g a t i o nr a t er e a c h e dt o7 5 ， 8 l 5 4 o ft h ep a r e 溅m a t e r i a lr e s p e c t i v e l y , a n dt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c ea l s o p e r f o r m e dv e r y w e l l t h er e a s o nf o rt h ed e c r e a s i n go ft h eh a r d n e s sa n dt h es t r e n g t ho f t h ef sw e l d e dj o i n ti st h a tt h es o l i ds o l u t i o np a r t i a l l yo c c u r r e di nt h e 骼wp r o c e s s ，a n d t h ec o n t e n to ft h es t r e n g t h e n i n gp h a s em 9 2 s ii nt h ej o i n ti sl e s st h a ni nt h ep a r e n t m a t e r i a l 。a f t e rh e a tt r e a t m e n tf o rt h ef sw e l d e d o i n ta tac e r t a i nt c m p e r a t a r e , t h e m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sr e c o v e r e d 。羽豫t r e n df o r t h ec h a n g i n go fm c c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h ej o i n tw h i c hw a si n v e s t i g a t e di nt h i sp a p e ri sa f f e c t e db ym a n yf a c t o r ss u c ha sg r a i n s s i z ei nt h ej o i n t ，c o n t e n ta n dd i s t r i b u t i o no ft h es t r e n g t h e n i n gp h a s em 9 2 s i ，d e n s i t yo f d i s l o c a t i o n s , c o n t e n to fs u b g r a ms t r u c t u r e sa n ds oo i l t h em i c r o s t m c t u r ec h a n g ed u r i n g f s wp r o c e s sc a nkd e s c r i b e da sf o l l o w i n g ：a tf i r s tt h e r ew e r em a n yd i s l o c a t i o n s g e n e r a t e di nt h ej o i n t ，t h ed i s l o c a t i o n sa g g r e g a t e dt of o r ms u b - g a i ns t r u c t t l r e s ，w h m h w e r ec h a n g e dt oh i g ha n g l eb o u n d a r i e s ( h a b lb yt h es t i r r e ra n dt h et l l e r m a lc y c l eo ft h e f s w p r o c e s s , a n df i n a l l yb e c a m et h ee q u i a x e dg r a i n si nt h e w e l d e dn u g g e tz o n e ，b u tn e w d i s l o c a t i o n sa n ds u b - g r a i ns t r u c t u r e sw o u l df o r ma n de v o k ei nt h el a t e rp r o c e s s k e yw o r d s ：f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，t h i ns h e e t s a l - a h o y ，t e c h n i c a lp a r a m e t e r s f i d d , 羚耋e 曲a 螬镶lp r o p e r t i e s , m i e r o s t r u e t u r e 珏 独翻性说明 本人熬重声明：掰呈交的论文是我令人凌导师指导下进行的磺突工 作及取褥研究成采。尽我所知，除了文中特潮加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 北京科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我同 工作斡弱悫对本骚究酝敲的任舞嚣黻垮已在论文孛镁了鹗礁懿说明势表 示了谢意。 签名：辛赴舀瓤垫难 关于论文使用授权的说明 零入完全了鬃j 窳科技大学骞关傈警、镶露学位论文熬规定，鞠： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在懈密后应遵循此规定) 签名：椎导师签名：夏羔k 日期：垫孚也 北京科技大学硕士学位论文 引言 1 研究的背景和意义 轻金属如铝及铝合金、铜和镁及其合金等通常是采用惰性气体保护焊进行焊 接，如交流t i g 焊、m i g 焊以及变极性等离子焊等。这些焊接方法所得到的焊接接 头的组织、性能和质量有很大的差别，虽然能够解决大量的焊接结构件的连接问题， 但由于它们都属于熔化焊的范畴，故轻合金在熔化焊接时容易产生的缺陷如气孔、 裂纹等在上述熔化焊时很难完全避免。并且为了提高焊接接头的质量，在焊前准备、 工艺参数的控制等方面需要投入大量的时间和经费。为此焊接研究人员_ 直在寻找 一种能够有效消除轻金属焊接时气孔和裂纹而且经济性又好的新型焊接方法。 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i r w e l d i n g ，f s w ) 是英国焊接研究所( r w 0 发明的一种 新型的固态连接方法，它的出现为轻合金的焊接提供了一个有效的解决途径。与弧 焊、激光焊、电子束、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有焊接 温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小等优点。由于搅拌摩擦焊的焊接温度低 于合金元素的熔点，从而避免了合金内易挥发性元素和低熔点元素的损失，接头内 不易形成气孔和热裂纹等焊接缺陷。由于搅拌摩擦焊的这些优点，搅拌摩擦焊接接 头的力学性能较高，并且能一次完成较长、较大截面、多方位的焊接，操作便于机 械化、自动化，所消耗的成本也较低。因此搅拌摩擦焊也被焊接界誉为“继激光焊 接之后又一次革命性的焊接技术”。目前，搅拌摩擦焊主要是在铝合金方面广泛应 用，且正在向铜、铜合金、镁、钢和钛等其它加工领域延伸。 搅拌摩擦焊在铝合金可焊接厚度方面，截至2 0 0 1 年末为1 6 - 3 0 r a m ，可焊接最 大尺寸为1 6 r e x1 4m 的铝合金。至2 0 0 2 年，可焊接厚度已经达到了1 2 - 7 5 m m 。 当前，国际上已经定义了“m i c r of s w ”即1 毫米厚度及以下的搅拌摩擦焊技术， 正成为热门研究，并可以焊接0 8 m m 厚度的某些合金。在过去的研究中多为较厚 ( 2 r a m ) 的铝合金的焊接，而对在建筑行业需求的铝合金薄板特别是l m m 左右铝 合金门窗型材的搅拌摩擦焊接的研究极少。我国铝合金门窗材料的应用，随着人们 生活水平的提高，将越来越普遍。据不完全统计，2 0 0 4 年全年中国国内完成铝合金 门窗约1 亿平方米，铝合金门窗的使用量占门窗总量的6 0 左右。在发达国家中， 铝合金门窗始终作为中高档门窗，并在门窗产品中保留有3 0 以上的份额。目前， 铝合金门窗型材的连接都是铆接，制造工艺复杂、成本较贵，而且由于其连接是点 接触，抗变形和断裂等力学性能较差。如果能利用f s w 焊接铝合金门窗型材，将 大大简化工艺程序，降低制造成本，提高铝合金门窗的性能如果解决了焊接问题， 铝合金作为建材的使用范围也会大大增加。 1 北京科技大学硕士学位论文 2 研究设想 铝合金搅拌摩擦焊接工艺在近年来发展迅速，但无论是国外还是刚刚起步的国 内多数在2 m m 以上的范围内开展着多方面的研究，而在厚度为l m m 薄板及以下的 研究工作投入还是较少而厚度为l m m 的薄板在用f s w 焊接时，其工艺特性和成 型机理以及接头的组织分区都与其它尺寸的板材不尽相同。这就使得l m m 铝合金 薄板搅拌摩擦焊的研究更为迫切。因此，开展对薄板铝合金的搅拌摩擦焊工艺及性 能的研究，对进搅拌摩擦焊技术发展和广泛应用起到一定的作用 首先，要实现铝合金门窗型材使用的铝合金类型的薄板的搅拌摩擦焊连接，探 索可以实现焊接的工艺参数范围；测试其力学性能，如强度，硬度，韧性，延伸率 等是否满足其使用要求；研究其成形机理，如薄板搅拌摩擦过程中金属的塑性流动 规律，焊接不同工艺参数对焊件表面质量的影响；测试焊缝的耐腐蚀性能，寻找它 与焊接参数之间的关系：通过微观分析，研究不同工艺参数和微观组织结构之问的 关系；通过以上这些最终确定一个最佳的工艺参数范围。 再者，利用搅拌摩擦焊接方法实现厚度为l m m 左右铝合金门窗型材结构件的 焊接。对焊接装夹工具进行设计开发，对焊接方法进行探索改进 3 研究内容 本文的所研究内容包括： ( 1 ) 探索l m m 厚度6 0 6 1 铝合金搅拌摩擦焊工艺参数范围，包括搅拌头的尺寸、 焊接旋转速度、焊接行进速度等； ( 2 ) 研究焊缝力学性能与焊接参数之间的关系，包括对焊缝进行拉伸、硬度、弯 曲、延伸率等测试； ( 3 ) 研究焊接过程中金属塑性流动，如前进侧回转侧材料流动情况的差别，不同 焊接参数对焊缝表面的形貌的影响； ( 4 ) 研究不同焊接工艺参数下焊缝的耐腐蚀性能，如极化曲线、环境腐蚀等； ( 5 ) 研究不同焊接工艺参数对焊缝微观结构的影响，如晶粒大小、形貌，析出相 大小、形貌、分布、成分等； ( 6 ) 研究焊后焊缝不同热处理情况下的力学性能，分析其微观机理； ( 7 ) 设计焊接铝合金门窗型材结构件的装夹工具，寻找合适的结构件焊接方法； ( 8 ) 通过以上的研究来最终确定一个最佳的焊接工艺参数范围，并最终实现铝合 金门窗型材结构件的搅拌摩擦焊连接。 北京科技大学硕士学位论文 1 文献综述 1 1 搅拌摩擦焊接的原理及特点 1 1 1 搅拌摩擦焊原理 搅拌摩擦焊【1 】是一种固相连接过程，其实质是通过特型搅拌头在待焊工件表面 旋转，从而通过摩擦产生足够的热量来将工件的两部分连接在一起。这种焊接方法 是让金属“塑化”而不是熔化，使表面氧化物破坏而进行分子间的接合。它的焊接 过程是；一个特制形状的搅拌针伸入工件的接缝处，通过搅拌头的高速旋转，使其 轴肩与焊接工件材料摩擦，从而使连接部位的材料温度升高软化，同时对焊缝区域 的材料进行搅拌而完成焊接。搅拌摩擦焊接过程如图1 1 所示 2 1 。 在焊接之前，工件要通过夹具夹紧固定在刚性的工作平台上，以防止对接接头 在焊接过程中松开。在焊接过程中，搅拌头在旋转的同时沿工件的接缝方向与工件 相对运动，搅拌头在外力作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至轴肩紧密接 触工件表面为止。焊接过程中，搅拌针摩擦接缝、破碎氧化膜、搅拌和重组搅拌头 后方磨碎的材料。搅拌针所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满，然 后材料冷却后就形成固态焊缝。焊接最后在工件的尾部形成一个小孔，这个小孔可 以用其它方法填满或切除掉。 图1 1 搅拌摩擦焊的焊接原理及过程 1 1 2 搅拌摩擦焊术语 英国焊接研究所和中国地区搅拌摩擦焊技术的先锋一中国搅拌摩擦焊中心对 搅拌摩擦焊的技术术语进行了定义【3 】，部分如图1 1 左所示的原理图中所示。搅拌 头( p i nt o o ) - 搅拌摩擦焊的施焊工具；搅拌头轴肩( t o o ls h o u l d e r ) 搅拌头与工件表面 接触的肩台部分；搅拌针( t o o lp i n ) 搅拌头插入工件的部分；前进便 ( a d v a n c e ds i d e ) - 焊接方向与搅拌头轴肩旋转方向一致的焊缝侧面；回转侧( r e t r e a t i n gs i d e ) - 焊接方向 与搅拌头轴肩旋转方向相反的焊缝侧面；轴向压力( d o w n0 1 a x i a lf o f ) 向搅拌头 施加的使搅拌针插入工件和保持搅拌头轴肩与工件表面接触的压力。 就京辩按大学硬士学酝论文 1 1 3 搅拌摩擦焊的特点 i i 3 1 熊保持母材的冶金性熊，焊接接头力学饿能好 一般精援下会金在采用熔纯瀑逶孬焊接封，荔产生纂 绞、气我、交形等焊接缺 貉。弱辩，由予焊接溢度较麓，其性麓会降低，瓣两限制了诲多合众豹广泛应雳。 由于搅拌摩擦焊是一种固栩焊接方法，在焊接时不会产生与熔化焊有荚的焊接缺 陷，也不套降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的晶粒结构比母材众属的更细小， 焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度，没榭群缝金属蒸发产生的含金元属损 失，不改变含金的成分，戮憩接头戆力学性能好睁露 l 。1 3 。2 辫磊交形夺、残余投力夺 由予搅拌摩擦焊的焊接漱度较低，焊接后结构的变形量和残余艨力比熔化焊小 得多，如图1 2 所利1 1 】。同时，由于不存在熔焊道程中接头部位大范潮的热塑性变 形过程，烨后接头的内应力小。变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接【4 1 。 ￥酬b 酬知瞄畸雕鼬蝴i 鞠融r x # 0 蓬1 2 揽拌摩擦簿与接簿麴辫接交形对比 1 1 3 3 挥接成本低、效率湔 搅拌摩擦焊所需设备简单，操作方便，能量利用效率高( 可以用总功率3kw 的 设备爆按1 2 5 mm 涤单焊道辫缝的错合金) ，由于揽拌痒擦挥仅仅燕纛爆头旋转著 移磅，逐疹实瑗整象浮缝静逡旋，掰敬跑熔纯焊麓至鬻魏海更节省熬深。并显在簿 前和焊接过程中对环境的污染小，焊前工件无须进行严格的面清理礁铸，焊接过程 中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅。还可以 在存在磁场的条件下进行焊接，并适合自动化焊接l 扣卫。 1 1 3 4 适用范围广 耄警镶箨瘴擦浮溪狳了熔纯舞酝形成戆装绞，热滚住裂纹或缝瀑裂纹，嚣魏， 可以焊接热裂纹敏感的材料( 例如可以实现用熔烽难以保证质量的裂纹敏感性强的 7 x x x 、2 x x x 系列铝合金的i 箭成量连接) 。搅拌摩擦焊能适应包括几乎众部铝合金的 焊接( 如图1 3 所示) ，能焊接部分镁合金、铜含众、钛合金以及铁念念祷。还能实 现不霹材辩的焊接，如铝和锻的连接i s 、铝和缝铖的连接、铝帮钢的逡攘等【1 。拦 l i 北京科技大学硕士学位论文 拌摩擦焊可实现从仰焊到俯焊的各种位置的焊接，并可实现多种形式的焊接接头， 如对接、角接、搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接1 4 6 1 ，如图1 4 所示。目前，对于空间曲线焊缝的研究也取得了成功。 图1 3 搅拌摩擦焊可焊接的铝合金 缁鲻趔幽 缁鲻膨氙 幽嘭够 图1 4 不同形式的焊接接头 1 1 3 5 局限性 一。+ + 搅拌摩擦焊由于其焊接原理的限制，存在一些缺点，主要是：被焊接工件必 须在垫板上被夹紧，以防止被焊穿；焊针退出会在焊缝末段留下一个小孔，在大 多数情况下，只能用其它焊接方法填充：受工件需要夹紧和焊缝方向的限制，在 需要使用手提焊机的情况下，不适合采用搅拌摩擦焊1 9 】。 总之，作为一种固相连接技术，搅拌摩擦焊接具有温度低、变形小、接头机械 性能好、焊前及焊后处理简单、能够进行全位置的焊接、适应性好、效率高、操作 简单、节能环保等特点，被誉为“最为革命性的焊接技术”。 憩索疆技大学疆学像论文 1 1 4 搅拌摩擦焊的接头形貌及性能 1 1 4 1 接头形貌及分区 典型豹搅拌摩擦焊接头滚露形虢及努区魏鬣1 5 蜃示。麸匿l - 5 审可以看出，焊 接接头煞横截瑟宏溪形貔璧筏爱翡“u 8 字鍪形羧。“u 8 字鍪形貌豹犬冬取决手浮 接工具的形状、焊接参数和被焊材料的强度。焊缝组织可大致分为a 、b 、c 、d 四 个区域f 9 j # a 区为母材区( b a s i cm c m l ，简称b m ) ，无热影响也无热变形；b 区为热 影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e ，简称h a z ) ，该区域的材料因受热循环的影响，微观组织 和力学憾缝均发生了变化，褪没有发生塑瞧变形；c 区为热变形影响区 ( t h e r m o - m c c h a n i c a l l ya f f e c t e dz o n e ，筵髂弱俄冷，该嚣壤嚣辩己经产纛了鬃爨豹塑 性变形。就铝合金而言，荐结蕊区域和t m a z 之阕通常有明显的界限，缎在其它没有 热致相炎的材料中，如在纯钛、p 钛合金、奥氏体不锈钢和铜中，似乎t m a z 整体己 再结晶化，产生了无应变再缁龋，这可能使得h a z ，r m z 舶边界难以精确划分；d 区 为焊核( d y n a m i c a l l yr c e r y s t a l l i z e df - , o l l e ，简称o x z ) ，焊核是最接近轴肩的区域，组织 续梅逶露鸯较大魏交往。盒鞠缝缀蘩蚕1 6 瑟承( 掰缛耱餐为z l l l 4 a ) 。获露1 6 孛 a 和b 黼的眈较可班看出，稻措：母材粗大瓣树枝状铸造组织，挥孩嚣微观组织是无 方向性的、细小的等轴晶粒。 黧l 毒接头歪垂形貌蚕( 土) ，横藏嚣形襞强( 下裹) ，及努区示蠹鹜( 下毒) 图1 , 6 母材( 左) 与焊接头( 右) 微观组织对比 5 i l 裘猎技大学硬士学霞论变 1 1 4 2 接头的挝伸强度和硬度 到目前为止，国内及国外的研究工作较多的对铝禽愈的搅拌摩擦焊接头的力学 牲鑫芝遘孬了磅巍及憨结，覆j i | 其缝豺辩嚣搅拌摩擦焊接头力学挂藐豹研究较少。一 些典型斡铝合念搅拌摩擦焊接头懿强发测试数据鲡表1 1 所示l 瑚。 对于非热处理强化铝合金材料，如5 0 8 3 o 和5 4 5 4 - 0 ，搅拌摩擦焊的热循环过 程对材料的连接黼度没有影响，但怒由于搅拌摩擦焊的机械摩擦、挤压和锻造行为 的作用，f s w 接头会变硬，尤其是焊核区的硬度会明盥提高，与母材相比大约提高 1 0 h v 。所以控静瓣试对于5 x x x 蓉捌锯会金，一般在遴藉烽缝戆母誊手瑟裂。 对手燕处璞强铯键台金，磐6 d _ 8 2 砸、2 2 l 笋l 嚣7 耪7 0 7 5 - 3 3 5 1 ，接头静嫒发懿 最低值一般出现在靠近焊核区的前谶侧，经过焊后热处理，接头的硬度有所阐复。 在2 x x x 、6 x x x 和7 x x x 系列锅龠垒的焊核区域通常w 以得到了固溶处理，所以 经过人工或自然时效接头的强度可以得到进一步的提商。 表1 1 典懑锻套金醛w 接头拉绋彀艉 馥罐巍辩撬经黉囊 群蝴 犀越菇囊榭p a t鲑静率l 荣垒蠡赛燕蠹 5 0 8 雌甜2 9 81 4 b鹣5 5 0 8 3 - 0f s w 2 9 b1 4 101 0 0 5 0 8 3 - 1 4 3 2 l 母毒f 3 3 6 j 2 4 9 9 一 l 戴5 鞠b 3 4 - 1 2 , 2 1f s 懈3 8 55 喜2 毛s霉曩 6 0 8 2 - t 6 雌辨 3 0 12 昭 辞算 釉l t - t 6f 蝴2 5 l髑霉毒蠹50 j 3 6 0 8 2 - 1 6f s w + a 羔酵簸3 0 0掰“ = 8 0 5 2 - 1 4 瓣挂 2 6 0 1 4 9 2 2 j e b 8 2 t 埠f s w 2 4 43 9 t 蠹jo 9 2 1 蠹1 1 8 2 t 4f s w + 媳时簸 m 0獬 乱垒i ，9 7 岫琊9 母瓣 3 7 02 9 51 4 7 如霉- t i 9f s w瑚2 0豫0 鹅 t 1 0 5 - t 7 9f s w + f l 拣鞋袭毒s 02 , 1 5 l 8 l 辑 1 1 4 3 接头的疲劳性能 搅拌摩擦焊接头的疲劳性能一般都优于熔焊接头。獭豳焊接研究所在1 9 9 6 年 的5 6 5 1 g s p l l 2 】项目中就对铝合金搅拌摩擦焊接头的疲势性能进行了研究，材料为 6 r a m 厚度豹筠2 “r 6 、2 2 1 9 - t 6 、5 0 8 3 - 0 嚣7 0 7 5 - t 3 5 1 蒜镞会金，r 率荛0 1 ，研究 结果表暖，搅摊簿擦焊接头的疲劳馁麓优于欧溯弧霹标壤( e c c si ：l a s sb 3 ) ，势怠所 有测试数据与坶材水平相接近。h a a g e n s e n u l 等对5 r a m 厚度的6 0 8 2 - t 4 铝金材 料的搅拌摩擦焊接头与m i g 焊接汰进行了比较研究，结果表明搅拌摩擦焊接头的 疲劳性能介于姆材和m i g 之间。 一彳- 北京科技大学硕士学位论文 1 1 4 4 接头的冲击韧性 铝合金f s w 接头的冲击韧性在某些工业应用中是比较重要的设计参考指标， 这方面公开的研究文献不多。_ a r b e g a s t l l 4 l 等利用a s t me - 7 4 0 表面裂纹拉伸断裂韧 性试样，对8 1 m m 的2 1 9 5 1 8 铝锂合金材料进行研究，主要目的是对搅拌摩擦焊 接头与变极性等离子( v p p a ) 熔焊接头的k l e 值进行比较，试验结果表明搅拌摩 擦焊和复合搅拌摩擦焊( f s w + v p p a ) 的室温和低温冲击韧性都比较优越。另外日 本h i t a c h i 公司对高速列车用铝合金型材的f s w 接头也进行研究，表明f s w 接 头韧性优良，一般优于熔焊接头。 1 1 4 5 接头的残余应力 在实际焊接中，大壁板铝合金型材的搅拌摩擦焊结构的变形通常小于熔焊结构 件，表明搅拌摩擦焊焊缝的参与应力低于熔焊焊缝。i - l a y d e n 等利用中子衍射在3 个正交方向内对2 1 9 5 - 1 8 7 铝锂合金材料的搅拌摩擦焊接头和, v p p a 接头的应力进 行检测和比较。试验数据说明v p p a 焊缝的横向峰值应力远大于搅拌摩擦焊焊缝， 并且v p p a 焊缝中为拉应力，搅拌摩擦焊缝为压应力，但搅拌摩擦焊接头的纵向拉 伸残余应力大于v p p a 接头，并且由拉应力过渡为压应力，v p p a 接头的纵向应力 为压应力。 1 1 4 6 非铝合金接头的性能 迄今，搅拌摩擦焊的大部分研究开发和应用都集中在铝合金材料，对于非铝合 金材料如铁合金、镁合金、铜合金、锌合金、铅合金甚至热塑材料等，也开展了搅 拌摩擦焊的研究。l i e n e r l 等对6 r a m 厚度的1 0 1 0 中碳钢进行了搅拌摩擦焊研究， 焊接速度为2 5 r a m r a i n ，从试验结果看到搅拌摩擦焊钢合金接头的拉伸性能几乎优 于母材，而f s w 接头焊缝区的硬度有明显的提高。2 0 0 3 年中国搅拌摩擦焊中心对 3 m m 厚度的a z 9 1 镁合金进行搅拌摩擦焊初步研究，f s w 接头的性能可以达到母 材的9 5 。美国n e l s o n 对6 0 6 1 一b 4 c 碳化硼铝基复合材料进行了搅拌摩擦焊工艺性， 研究，焊接结果与t i g 焊进行了比较，f s w 接头的力学性能优于t i g 焊，在某些 方丽如屈服强度上，可以和母材媲美。 8 j t 东攀 鼓大学顼圭学位论文 1 2 搅拌摩擦焊的国内外应用情况 1 2 1 搅拌摩擦爝设备 攘嫠卒擦辫爱备一觳秀专裁莰餐，缀撂被簿攘零移熬耪辩、霉度、秘缝梅形式 的不同，世界范豳内已经开发出多种搅拌摩擦焊设备，在航空、航天、船舶、汽车、 电力等工业制i 鬣领域得到应用。 世界上第一台商业化f s w 设镛( 图1 7 ) 于1 9 9 6 年安装在挪威的m a r i n e a l u m i a u m 公霹，最初该公司用它泉生产渔船用的冷冻中空板和快艇豹一皴部 牛， 嚣来爻霹它来黧产大鍪溪轮，双棼舷豹舷搽、餐叛、戆叛等部 孛，霜露氇燕产盏舞 机降落台。这螽f s w 设备为全钢绐构，质量6 3 t ，尺寸2 0 m x l l m 。到现程融焊接 出3 2 00 0 0 m 长的焊缝，而且几乎没发现过任何焊接缺陷，质量非常稳定 美国e c l i p s e 航空公司于1 9 9 7 馨投资3 亿美元用予开发搅拌摩擦焊在飞机制造 上的应用，并力求通过f s w 技术黔瘦瘸能够造出高憷价比的商务客机，域强自身 豹菝，竟争力。嚣l ，8 是e c l i p s e 公弼瓣大鍪龙门搅搀黪擦簿设备。 圈1 , 7 m a r i n e a l u m i n u m 公司的f s w 设备 圈1 8 e c l i p s e 公司静f s w 设备 图1 9 波音公司用来连接d e l t ai i 激火箭 航天燃辩贮箱的f s w 设备 周1 1 0 瑚典s a p a 公司的大型搅拌摩擦 焊设备 j 索赣技夫学硬圭擎鼗论文 波鼗公霹与葵溺辫接磷冀掰食捧，成功懿攀l 鬻拣箨瘴擦辫技米瓣决7 麓程孛懿 连接问磁。中间舱段连接采用搅搏摩擦爆技术的d e l t au 火箭于1 9 9 9 颦8 胃1 7 日 成功发射，并t - 2 0 0 1 年4 只7 瓣成功用于运载鼍火星探索氅”，该次发越瞧是搅拌 痒擦簿鼓术蓄次痤掰予基矗蜜器，条蔫魏挣囊潦爝毅零连羧熬懋辩萋皇藕王露漫度为 1 9 5 至十1 8 3 摄氏瘦。图1 挚鼹波密公司用于辫接d e l t a 火箭靛天燃料靛箱的大型 搅拌摩擦焊接设备。 强1 1 0 为瑞典副删司的太溅搅拌摩擦焊设备。它拥鸯三个独鼗搅摊头，最大 簿接长发魏1 4 5 m ，袋犬霹揍爨袋舞3 m ，挥接殍发为2 7 r a m 。德m a l s t o m l h b 公司 采焉t s a p a 燃g 台金f s w 掇糖麓造了裂车率黻。德莺b o m b a r d i e r 公司漾薅瑞典 s a p a 癸罚的搅拌摩擦焊拼接檄材制造e l e c s t 皴列举的车体檄，并订购了3 7 6 辆搅拌摩 攘焊劐攀攀溪臻予绫宠多裂鞭线路车舞戆秀级剐。 最i 醺，e s a b 公司制造丁2 螽龙门式搅拌摩擦博设备，其中1 螽安淤在t w l 用于磷究巍毫阻镶铜合金盼辫接。该设备豹撵接范围为8 m m x s m m xl m m ，主要 爱寒完成嚣n 积蝴箨摩擦辫疆褒矮嚣雾荬魏秘爨繇究瑗嚣，该淫赫怒逡今整雾上 最大靛搅棒摩擦溽试验设备。 目前程国内，北京赛福斯特技术有限公司( 中国搅拌摩擦焊中心) 鼹唯一一家 搅拌摩擦烨设备授权制造商( 投城。它致力于搅拌摩擦焊设备的开发和制造，已经为 寰校、研究鲵掰、王r 金鼗鐾举霹类型翡爱户研发斑4 个系魏，不嗣规楱靛浑菝设， 套，著琶绞戏功交簿搜霉。鬓l + 1 1 为赛禳蘩特援零鸯疆公裁象产豹不鬻黉整懿揽捧 摩擦焊设备。f 司时凝福斯特技术有限公司目前在造的有国内璇大型的搅拌摩擦焊设 备，臻予巾等麓髂弱级环缝撵缓；貔龙门式揽= 黪黪擦浮瓿，溺手魏攀零鬏辫接；塔 及承平横爆式缎缝搅搀摩擦撵枫，用于大型璧板煤搂等。 鹜l 1 1 静忿汽武撵瓿( 左) ，c 灏缴、环缝焊梳 巾) ，惹臂式搅箨摩擦搏机 4 7 5 m m m i n 时，接头强度变化不大，渐趋稳定。在拉伸试验中，试样均断裂于 焊缝中心的焊核区，将力学性能结果和组织分析结合起来，可以看出接头性能与焊 核区等轴晶尺寸、沉淀相的尺寸及分布密度有关。因而必须合理地控制焊接速度， 以便控制热输入，形成晶粒细小的焊核区组织和细小、分布密度较大的沉淀相，从 而获得高性能的接头。 1 3 1 3 焊接压力对焊缝质量的影响 增大焊接压力，可提高热输入量，提高焊缝组织的致密度；但由于摩擦力增大， 搅拌头向前移动的阻力增大，且焊接压力过大易使焊缝凹陷，焊缝表面出现飞边、 毛刺。而焊接压力过小，焊缝组织疏松，焊缝内部出现孔洞，甚至肩部对焊接区起 不到封闭作用而使焊缝金属流外溢。曹朝霞等 2 8 1 在3 m m 的工业纯铝薄板的焊接试 验过程中发现，采用肩部直径为9 r a m 、搅拌针直径为3 m m 的搅拌头焊接时，焊接 压力基本保持在2 1 5 n 2 2 0 n 的范围内，可获得较好的焊缝质量。 另外，为了抑制f s w 焊接时产生的飞边及内部缺陷，搅拌头的插入深度必须 按照1 1 0 l 1 0 0 m m 级的精度 2 9 1 予以控制二控制插入深度是仿照接合材料的形状来 控制搅拌头的，与正确地控制搅拌头的移动轨迹的情形不同这一点是与机床精密 加工有本质上区别的。因为要求f s w 装置在上述这样的状态下维持精确的插入深 度，所以，f s w 装置必须有高的强度与好的刚度。作为控制插入深度的方法，常常 使用位置控制、载荷控制、主轴载荷控制等。 1 3 1 4 倾斜角对焊缝质量的影响 焊接过程让搅拌头有一倾斜角主要是为了减小焊接过程中的阻力，防止搅拌头 折损。搅拌头倾斜影响塑性材料的流动，从而对焊核的成型过程有影响。随着倾斜 角的增加，焊核由不规则的形状逐渐成为规则的椭圆状。当倾斜角为0 。时，焊核 几乎对称，近圆形，在焊核与“冠状”区域的交界处存在明显的机械变形特征。而 1 8 l 袁辩技大学磋士学健论文 且，f s w - r z q ，搅拌头向接合材料插入的角度对接头质量产生影响1 2 9 】。以0 l 为行 程角( 运动角) ，0o 为工作角。直线接合时( 二缑接合) ，由于在撩含中旋转工具 豹移凌秀囱不交化，所孩，0e 逶常是0 4 ；藏线接会黠( - - 维接念) ，出于在接会 线鲍蠢部分旋转工其静移动方囱改交，霆魏，隽了保持l 藿定，必须改交0 扣在 此，维持bl 的方法常常怒暂时地采用8o ，倪怒，0o 的考虑方法冤非是工具旋转轴 在接含材料表面的投影，妁工具移动方向相同，也有01 为0 。能够接合的报道，通 常0 l 采用2 巧4 。 1 3 0 搅拌摩擦焊微残维缀及力学性能的研究 事| 辩熬徽甏缰织结擒麓力学毪麓密餐稳美，诲多疆究耆在f s w 方瑟接头懿微 观组织及力学性能方面进行了研究。s o u t t o nm a r m 等入研究了7 m m 厚度的2 0 2 4 - t 3 铝合愈搅拌摩擦焊接头备联微观组织情况，发现在焊缝横截面方向，焊核区的晶粒 最小，热变形影响区的晶敉其次，热影响区的黼粒最大，基本和母材相当，并且有 发生瓣爱鲍迹象；在焊拔熬厚度方向上，离搅摔夹越近敕地方晶糍越缀，j 、，越远鲍 逢方蒸羧越粗大；还发凌皴律貊裂兹链受专殍羧避程孛援 孛头运凌形袋熬第二程鬏 粒的辫熊区域有关。 j i a n g - o i n g s u l 3 1 j 等人利用透射电子显微镜研究了6 r a m 厚度7 0 7 5 铝合金搅拌摩 擦焊接汰不同区域的微观缀织结构的演变过程。发现在焊接过程巾，焊缝微观结构 的演变疑焊接过程中不弼阶段豹不同视理造成盼；这些辊理包攒# 连续动态再结 藉、豫镱豹雩l 入、动态强笈露连续动态霉维螽；这些瓤瑾壹续导数7 最终豹殍缝缮 织中，禽有不同密度的饶锚和不同回复程度的菇粒 j o n e smj 3 2 1 等人研究丁2 0 2 4 - t 3 5 1 铝台金搅拌摩擦焊微观结构和微观硬度之间 的关浆，发现在离开焊缝中心的靠回转侧方向的热影响区中，材料的硬度有两个最 低俊，一个最高值；通过透射电镜分析表明，第一个硬度的最低馈的斑现是由于离 簿孩矮逶，簿臻过程串热 | 窿入较多雩l 起s 穗邋冀重效逶痰的；第二令豢纛篷是壶予蔫 焊核较遁，细小的s 褶溶解进入基俸两没有越剡时效作用造成静；巾溺的硬瘦最大 值的出现，是由于中间位殿受到的热适中，细小弥散的s 相造成璇饿时效效果造成 的。 l i e 珏j 田l 等人研究了5 m m 厚度的2 0 1 7 1 3 5 1 铝合金的拉伸性熊和断裂位置， 发现囊褥犊转速秀1 5 0 0 r p m ，建速荛l o o m m m i n 瓣绞头懿嚣驻投羧谶发达妥最大僮， 约为母耪的8 2 ；没有缺聚的援头拉律断裂位爨一般在前进铡鳇热力影响区和焊援 区的交界处，有缺陷的接热拽伸断裂位置发生谯焊缝中心处。 b e n a v i d e ss 3 4 1 等人研究了2 0 2 4 铝合金的低温f s w ( - 3 0 c ) ，研究袋明，焊接区 的温度不超过2 4 0 c ，焊缝医晶粒平均尺寸为o 8 pm ，而常温下的f s w 为1 0 1 1m 。 1 铷 北京科技犬学硕士学位论文 s a t oys 嚣k o k a w a 鞋等禚矮定逡藏像显缓穷法潮鞫研究t6 0 6 3 铝会众熬 f s w 韵微蹴结构，并对焊缝组织进行了分类 3 5 铡。f o n d arw 2 a 等人利用电子背敞射 衍射( b b s d ) 方法分析了2 5 m m 厚度a 1 i i2 1 9 5 合盒搅拌摩擦焊接头各区的晶粒 取向情况。e r i c s s o n 耐硼等人研究了不闭鼹搅拌摩擦爆焊接速度对6 0 8 2 铝会金疲劳 毪镌豹影嚼，并与m i g 、骶g 霹迸符了对院。 1 3 3 搅拌艚擦焊材料流动及过程模拟的研究 g u e r r am 1 4 0 1 等采用纯铜在焊接工件表面作标记法和“急停”法分析了f s w 过 程孛的耪瓣浚交特毪，发瑷黎送黎耪瓣与霾转襄l 耪瓣戆滚动诲嚣不一祥。藏透铡毒| 料在带有螺纹的搅拌头的旋转运动影响下，经过螺旋状的上升、前进、下降，凝后 被搅拌头挤出旋转区域，到达旋转区域的外层。回转侧材料则不断填充前进侧材料 移动造成的空敲处。嗣拄雩旋转区域中离揽搀赞近黪上屡材辩与离援捧铮远豹下鼷耱 料豹运动方式也不同，遮导致了在使嗣阔一搅捧头下，顺时针和逆时锋焊接情况的 不同。 k f i s h n a nk n 等分析搅拌摩擦焊接头“洋葱圆环”的形成原圜，指出与焊头几 秘形靛及羔笔参数有关，内予秀考筠影稿塑毪流体戆运动，霾舔麴室成本覆墩次子 塑性流体的运动，环中心组织比较致谢而外围则比较稀疏；圆环闻隙与焊接工具每 一转前进的距离相等。 y s s a 幻嘲等礤究t1 0 5 0 秘5 0 8 3 锅台金浮孩熬熬h a l l - p e r c h 荚系，挺窭爨予在 1 0 5 0 铝合袅粥w 过程串商密度位错的产生以及5 0 8 3 铝合金中太爨细小颗粒阻碍位 错的运动，h a l l p c i c h 关系( h v = h o + k h d i n ) 中常数k h 需要修改。 h a s a no k u y u c u l 4 2 1 等人建立了铝教搅拌摩擦爆黪人工辩经嬲络( a n n ) ，遨耱模 鳌是浮接转速、走速静游数。利用宅讶疆计算不嗣辫按转速、走遮下，毒| 辩静敬镩强 度、屈服强度、延伸率、焊核区的硬度以及热影响隧的硬度。通过实验验证这种模型 的计算值和实验值吻合得 常好，应用这种模型可以预算不同参数下焊接材料的力学 往戆，嚣誉簧送霉丈量豹赛验。 s o n gm 4 3 1 等建立了搅