（机械设计及理论专业论文）高强铝合金厚板搅拌摩擦焊研究工艺试验、焊接机理、建模仿真.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材 。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明 的说明。 作者签名：阖鳢重，日期：型年月兰日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学 位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南大学博士学位论文 摘要 摘要 高强铝合金厚板焊接是搅拌摩擦焊的前沿难题，实现这一难题 的突破是本研究的目标。 2 5 1 9 铝合金是一种新型高强装甲铝铜合金，它不仅比重轻、机 械强度高，而且抗应力腐蚀、抗冲击性能强。2 5 1 9 铝合金厚板焊接 采用传统的熔化焊方法时容易产生气孔、热致裂纹、变形等缺陷， 本论文研究如何应用搅拌摩擦焊方法得到无缺陷、高强度的焊缝组 织。由于2 5 1 9 铝合金厚板的材料组份与性能的特点，焊接难度很大， 是我国国防装备急需而又未能解决的难题，研究2 5 1 9 铝合金厚板的 搅拌摩擦焊接技术及焊接机理具有重要的应用价值和理论意义。 本文通过对2 5 1 9 铝合金厚板的搅拌摩擦焊接试验、微观组织分 析及力学性能试验，研制了一种用于厚板焊接的凹锥粗螺旋结构的 搅拌头，通过红外测温监控和液压控制系统调节焊接压力的方法解 决了长焊缝焊接工艺实时调节难题。用专用搅拌头实现了2 0m m 厚的 2 5 1 9 铝合金板的单道对接搅拌摩擦焊，焊缝的抗拉强度达到了 3 0 5 m p a ，焊接强度系数达到了基材的6 4 ，实现了高强铝合金厚板焊 接性能的突破。 基于计算流体动力学理论，建立了2 5 1 9 厚板搅拌摩擦焊接过程 的热一流一固耦合模型。模型中综合纳入了随实际摩擦界面温度而变 化的非线性摩擦系数与非线性摩擦剪应力、以及随温度和应变率变 化的非线性粘度因素，克服了现有搅拌摩擦焊热源模型不能反映焊 接工艺参数变化对其影响的局限性，为改进焊接工艺和动态调控焊 接过程提供依据。 通过对厚板焊接过程中不同搅拌头结构下焊缝金属的粘塑性流 动、温度分布、应力应变等结果的综合与系统分析，改进的方形搅 拌头结构可满足2 5 1 9 厚板焊接的特殊要求，取得较好的焊接效果。 中南大学博士学位论文 摘要 对焊接过程中焊缝疏孔的形成与消除机理进行了分析，研究了 搅拌头结构和焊接参数对焊接疏孔的影响规律，首次提出：由方形 搅棒运动在焊缝金属中产生的旋转压应力场是其能够弥合与消除厚 板焊接疏孔的原因；搅棒直径增加太大后，搅棒附近焊缝金属的瞬 态压应力减小、并且压应力作用区相对较窄又将导致焊缝成型差和 产生疏孔。另外，调节焊接参数可以消除焊接疏孔的机理是两种参 数的综合作用：一是施加合适的压力，产生合适的焊接高温，使焊 缝金属的屈服强度降低；二是合适的运动参数与搅拌头形状，最终 使焊缝金属在压应力状态下充分塑性流动而完成无缺陷焊合。通过 焊接机理的研究，找到引起厚板焊接困难的原因，为改进搅拌头结 构、匹配工艺参数提供评价方法。 关键词：搅拌摩擦焊，厚板，2 5 1 9 高强铝合金，焊接机理， 热一流一固耦合 中南大学博士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t i ti sv e r yd i f f i c u l tt ow e l dh i g hs t r e n g t ha l u m i n u ms l a bw i t hf r i c t i o n s t i rw e l d i n g ，a n dm yr e s e a r c hi st os o l v ep r o b l e m so ns l a bw e l d i n g 2 519a l u m i n u ma l l o yi san e wk i n d o fh i g h s t r e n g t ha r m o r a l u m i n u ma l l o y s ，w h i c hh a v el i g h ts p e c i f i cw e i g h t ，h i g hm e c h a n i c a l s t r e n g t h ，a n ds t r o n ga n t i c o l l i s i o na n da n t i c o r r o s i o np r o p e r t i e s i ti sv e r y d i f f i c u l tt ow e l d2 519a l u m i n u ms l a bw i t ht r a d i t i o n a lf u s i n gw e l d i n g w i t h o u tv o i d s ，c r a c k i n g ，d i s t o r t i o n ，e t c f o rt h e2 519a l u m i n u ms l a bh a s s p e c i a lc h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dp h y s i c a lc h a r a c t e r , i ti sa l s od i f f i c u l tt o b ew e l d e dw i t hf r i c t i o n - s t i rw e l d i n g s om yr e s e a r c hi sh o wt o a p p l y f r i c t i o n s t i rw e l d i n go n2 519a l u m i n u ms l a bi no r d e rt og e th i g hs t r e n g t h w e l d sw i t h o u td e f e c t s t h e r e f o r e ，i ti s i m p o r t a n tt os t u d yt h ew e l d i n g t e c h n i q u ea n dm e c h a n i s mo ff r i c t i o ns t i rw e l d i n go n2 519a l u m i n u m s l a b t h r o u g hw e l d i n ge x p e r i m e n t s ，m i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i sa n dt e n s i l e e x p e d m e n t s ，as p e c i a lt h r e a d s t i r r e rw h i c hi ss u i t a b l ef o rt h es l a b w e l d i n gi so b m i n e d ，a n dt h ep r o b l e mt ow e l dl o n gw e l d si ss o l v e db y u s i n gi n f r a r e dt h e r m o s c o p ea n dh y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o l l e rt or e g u l a t e t h ew e l d i n gp r e s s u r e t h es p e c i a ls t i r r e ri su s e dt oc a r r yo u tf r i c t i o ns t i r w e l d i n go n2 519a l u m i n u ms l a bw i t hat h i c k n e s so f2 0m mb yas i n g l e p a s s t h ew e l d st e n s i l es t r e n g t hh a sr e a c h e d3 0 5 v i p a ，a n dt h ew e l d i n g 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t s t r e n g t hc o e f f i c i e n th a sr e a c h e d6 4 i ti sab r e a k t h r o u g ho n t h ew e l d i n g p r o p e r t yo f 2 519a l u m i n u ms l a b b a s e do nc o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，ah e a t - f l u i d s o l i dc o u p l i n g m a t h e m a t i cm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rf r i c t i o ns t i rw e l d i n go n2 519 a l u m i n u ms l a b t h em o d e lh a ss y n t h e t i c a l l yu s e dn o n l i n e a rf r i c t i o n f a c t o ra n dn o n l i n e a rf r i c t i o ns h e a r i n gs t r e n g t hw h i c hc h a n g e sw i t ha c t u a l f r i c t i o ni n t e r f a c et e m p e r a t u r e ，a n dn o n l i n e a rv i s c o s i t yw h i c hc h a n g e s w i t hb o t ht e m p e r a t u r ea n ds t r a i nr a t e i ti su s e f u lt os o l v et h ep r o b l e m t h a tt h ep r e s e n tw e l d i n gm o d e lc a n tr e f l e c tt h ei n f l u e n c eo ff r i c t i o n f a c t o r , f r i c t i o ns h e a f i n gs t r e n g t ha n df l u i d s o l i dc o u p l i n gi n t e r f a c ew h i c h c h a n g ew i t ht h ew e l d i n gp a r a m e t e r s b a s e do nt h ea n a l y s i so fp l a s t i cf l o w s ，t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n sa n d s t r e s sd i s t r i b u t i o n sw i t hd i f f e r e n ts t i r r e r s ，as p e c i a la m e l i o r a t e ds t i r r e ri s o b t a i n e dt og e tg o o dw e l d so f2 519a l u m i n u ms l a b b a s e do nt h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h em i c r o v o i d s f o r m a t i o na n d e l i m i n a t i o nm e c h a n i s m si nt h ep r o c e s so ff r i c t i o n - s t i rw e l d i n g ，a n dt h e e x p e r i m e n t a l o b s e r v a t i o no ft h ei n f l u e n c eo fs t i n e r f ss t r u c t u r ea n d w e l d i n gp a r a m e t e r so nt h ew e l d s m i c r o v o i d s ，s o m ec o n c l u s i o n sh a v e b e e nd r a w e da sf o l l o w s ： 1 t h em e c h a n i s mt h a tt h es q u a r ep i nc a ne l i m i n a t em i c r o v o i d si n t h ep r o c e s so ff r i c t i o n - s t i rw e l d i n gr e s u l t sf r o mt h ef o r m a t i o no ft h e r e v o l v i n gc o m p r e s s i v es t r e s sf i e l da r o u n dt h ep i n 中南大学博士学位论文 a b s t r a c t 2 t h ew e l d s m i c r o v o i d sc a nb ef o r m e db yt h ei n c r e a s i n go ft h e p i n sd i a m e t e r i ti st h er e s u l tt h a tt h et r a n s i e n tc o m p r e s s i v es t r e s si s d e c r e a s e da n dt h ec o m p r e s s i v es t r e s sz o n ei sr e l a t i v e l yn a r r o w 3 t h em e c h a n i s m st h a t r e g u l a t i n gw e l d i n gp a r a m e t e r s c a n e l i m i n a t em i c r o - v o i d sa r ed e c i d e db yt w or e a s o n s ：t h eo n ei st oe x e r tf k p r e s s i no r d e rt op r o d u c ef l tw e l d i n g h e a t ，a n dm a k et h ey i e l ds t r e n g t ho f t h ew e l dm e t a l sd e c r e a s e ；t h eo t h e ri sf i tp r o c e s sp a r a m e t e r sa n ds t i r r e r s h a p e ，a n dm a k et h em e t a l sf o r ms u f f i c i e n tp l a s t i cf l o wt og e tg o o d w e l d sw i t h o u td e f e c t s t h ea b o v er e s e a c ho ft h ew e l d i n gm e c h a n i s m si l l u s t r a t e st h er e a s o n w h yt h ew e l d i n go n2 519a l u m i n u ms l a bi sd i f f i c u l t ，a n dp r o v i d e s m e t h o d st oa m e l i o r a t es t i r r e r ss t r u c t u r ea n d p r o c e s sp a r a m e t e r 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 ，s l a b ，2 519h i g hs t r e n g t ha l u m i n u m a l l o y , w e l d i n gm e c h a n i s m ，h e a t f l u i d s o l i dc o u p l i n g v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 搅拌摩擦焊工艺的研究现状2 1 2 1 工艺原理及特点2 1 2 2 焊接机理4 1 2 3 焊接材料和工艺6 1 2 4 组织性能7 1 2 5 工业应用9 1 3 厚板搅拌摩擦焊工艺的研究现状。1 1 1 3 1 焊接材料、厚度和性能1 1 1 3 2 搅拌头1 2 1 4 搅拌摩擦焊过程数值模拟的研究进展16 1 4 1 热源的生热机制16 1 4 2 温度场和流场模拟18 1 5 本文的主要研究内容和意义。2 0 第二章高强铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺试验研究。 2 2 2 1 试验条件2 2 2 1 1 试验材料2 2 2 1 2 试验设备2 3 2 1 3 测温装置2 3 2 2 厚板搅拌摩擦焊工艺试验。2 4 2 2 1 试验方法2 4 2 2 2 搅拌头结构设计2 4 2 2 3 试验过程2 8 2 3 试验结果与分析2 9 2 3 1 外观形貌2 9 2 3 2 微观组织31 2 3 3 力学性能3 6 2 3 4 显微硬度分布3 6 2 3 5 断口分析3 7 2 3 6 晶界微裂缝4 0 2 4 试验中存在的问题及对策4 3 2 4 1 飞边形成4 3 2 4 2 疏孔、孔洞、沟槽缺陷4 3 2 4 - 3 搅拌头折断4 6 2 4 4 实时调节问题4 8 2 4 5 影响焊接质量的主要因素讨论4 8 2 5 本章小结4 9 第三章厚板搅拌摩擦焊过程的热流固耦合模型5 l 3 1 引言51 3 2 计算流体动力学概述。5 1 3 3 厚板f s w 热流固耦合模型的建立5 3 3 3 1 运动关系5 3 3 3 2 基本假设5 5 3 3 3 热流固耦合方程5 5 3 3 4 定解条件6 2 3 4 模型建立中几个重要问题的处理6 3 3 4 1 热源的处理6 3 3 4 2 流固界面的处理7 l 3 4 3 焊缝金属导热系数和比热容的处理7 4 3 4 4 焊材边界对流换热系数的处理7 4 3 5 模型的求解方法。7 4 3 5 1 计算平台7 4 3 5 2 几何模型7 6 3 5 3 网格划分7 7 3 5 4 计算方法7 8 3 6 本章小结7 9 第四章厚板搅拌摩擦焊过程的数值模拟结果8 0 4 1 引言8 0 4 2 模型参数及分网8 0 4 3 厚板温度分布特征8 4 4 4 厚板焊接塑性流动特征8 7 4 5 厚板焊接过程应力应变特征。9 2 4 6 实验验证。9 8 4 7 本章小结10 0 第五章应用热流固耦合模型改进厚板搅拌头。1 0 1 5 1 引言1 0 1 5 2 厚板搅拌头尺寸的结构要求与改进目标1 0 1 5 3 应用耦合模型改进搅拌头关键结构参数1 0 2 5 3 1 搅棒直径对温度分布的影响1 0 2 5 3 2 搅棒直径对塑性流动的影响一1 0 5 5 3 3 搅棒形状对温度分布的影响。1 0 9 5 3 4 搅棒形状对塑性流动的影响11 2 5 4 厚板搅拌头的改进结构1 1 6 5 5 本章小结1 1 6 第六章厚板搅拌摩擦焊接疏孔消除机理1 1 8 6 1 引言1 1 8 6 2 搅棒形状对疏孔的影响118 6 3 搅棒大小对疏孔的影响1 2 3 6 4 旋转速度对疏孔的影响1 2 6 6 5 焊接速度对疏孔的影响1 2 8 6 6 焊接压力对疏孔的影响1 2 9 6 7 本章小结1 31 第七章全文结论。1 3 2 参考文献1 3 5 攻读学位期间主要的研究成果1 4 5 1 改谢14 6 中南大学博士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 是2 0 世纪9 0 年代发明 的一种主要用于低熔点合金板材的新型固相焊接方法，尤其适于用常规熔焊方 法难以焊接的铝合金【1 4 】。 作为一种固相焊接技术，搅拌摩擦焊的焊接温度一般低于工件材料的熔点， 从而可以避免被焊接材料由于熔化而产生的气孔、裂纹、变形等缺陷d - 8 】。特别 是在薄板焊接中，搅拌摩擦焊技术具有其它传统熔焊方法难以达到的优点，如： 优质高效、低耗无污染、焊接变形小、焊缝强度高、不改变材料化学成分等【9 。1 2 1 。 所以，自从该焊接方法被发明以来就得到了广泛应用，并被誉为“自激光焊以 来最引人注目的焊接方法” 1 3 1 。 搅拌摩擦焊技术自出现以来在国内外引起广泛兴趣，国外从各方面对搅拌 摩擦焊技术进行了比较广泛的研究，由于搅拌摩擦焊缝的力学性能优异，已在 航天航空、交通运输等特殊领域得到成功应用，尤其在英、美、日本等国的发 展更为迅速，已开始进入商业应用阶段【m 。1 7 1 ，如：挪威m a r i n e 公司应用于舰船 铝合金甲板、侧板等流水线结构件的焊接，日本h i t a c h i 公司应用于列车车体 铝合金大壁板的快速低成本制造，麦道公司用此方法焊接了火箭、飞机等的大 型高强铝合金燃料储箱，波音公司的d e l t ai i 型和型火箭已全部实现搅拌摩 擦焊制造，t o w e r 公司等应用于汽车悬架、轻合金车轮、铝合金车身等汽车部件 的焊接，欧洲空客公司开始将搅拌摩擦焊方法应用于a 3 5 0 等大型民用飞机的制 造，而更多的用搅拌摩擦焊方法焊接的飞机结构件也已出现。我国目前的研究 还处于工艺与技术研究阶段，尚未进入规模性工业应用【1 4 以7 1 。 随着有关搅拌摩擦焊过程中的塑性流动行为的研究，焊接过程热力耦合作 用的数值分析，各种典型材料搅拌摩擦焊工艺参数的改进和焊缝性能的评定， 搅拌头形状的设计与改进，异种金属间的连接等方面研究工作深入地进行，搅 拌摩擦焊技术不断得到完善，其应用将更加广泛【9 1 引。 2 5 1 9 铝合金是美国在2 0 世纪8 0 年代后期研发的一种新型高强轻质铝铜合 金，它具有良好的机械性能和抗应力腐蚀性能，主要用于飞机蒙皮、火箭、舰 中南大学博士学位论文第一章绪论 船等的结构件和装甲车等【i 她4 1 。美国已将该合金用作两栖突击车( a a a v ) 的装甲 材料【2 4 1 。2 5 1 9 铝合金作为一种新型高强铝合金装甲材料，在我国的研究刚开始 不久【2 5 之7 1 ，与此同时，为加速这一优良材料的工业应用，2 5 1 9 类高强铝合金固 相焊接技术的研究也已列入国家有关研究计划。 高强铝合金已应用的焊接技术主要是采用熔化极惰性气体保护焊( m i g ) 、 钨极惰性气体保护焊( t i g ) 等熔焊方法，由于熔焊过程中热量输入大，填充材 料和焊缝两侧材料经过了熔化与重新结晶，最终在焊缝处形成铸态组织，焊缝 中容易出现气孔和较大焊接变形，残余应力较大，抗冲击与抗应力腐蚀性能也 较差。m i g 、t i g 焊后焊缝力学性能明显下降，成为材料性能充分发挥的瓶颈。 而且采用m i g 、t i g 焊接铝合金时，由于表面致密的氧化膜熔点很高，需要在焊 前严格清除表面氧化膜后才可以进行焊型2 8 3 0 】。 采用搅拌摩擦焊焊接2 5 1 9 铝合金是一种新尝试，希望用这种焊接技术来获 得质量良好的焊接结构，但2 5 1 9 铝合金强度较高，o 。= 4 8 0 m p a ，较一般软铝焊 接难度大，随着焊接板厚的增加，应用薄板焊接常用的工艺参数和搅拌头结构 时，难以达到满意的焊接状态，实现不了优良焊接的目的，目前对于这类高强 铝合金搅拌摩擦焊的研究是国防工程关注的一个重要问题，本论文也努力在这 方面争取有所突破。 1 2 搅拌摩擦焊工艺的研究现状 搅拌摩擦焊技术自开发以来，由于其焊缝具有优良力学性能所带来的广阔 应用前景，吸引了越来越多的研究机构和研究人员从事搅拌摩擦焊技术的开发 与研究。目前，已经在焊接机理、焊接材料、焊接工艺、组织性能等方面取得 了显著进步。 这些工作可以从以下几个方面进行概述： 1 2 1 工艺原理及特点 搅拌摩擦焊的实质是利用搅拌头在焊接材料中高速旋转产生的摩擦热与材 料挤压流动成型的一种焊接方法。搅拌摩擦焊的工作原理如图1 1 所示，具体 而言，它是使用一种特形搅棒，旋转着插入待焊工件，然后沿着待焊件的接缝 方向移动，通过对材料的摩擦、搅拌，机械能转化为热能，使待焊材料加热至 热塑性状态，在搅拌头高速旋转的带动下，处于塑性状态的材料在环绕搅棒的 2 中南大学博士学位论文第一章绪论 运动中融合，搅拌头同时挤压焊缝金属，在热机联合作用下形成致密的金属间 固相焊接【l o _ 1 8 】。 焊接前，必须将待焊件紧固在工作台上，以防止在焊接过程中产生滑移。 在搅拌摩擦焊接过程中，焊接所用搅拌头的关键部份是具有特殊形状的搅棒和 轴肩。在薄板焊接中，轴肩直径常取搅棒直径的3 倍。搅棒的形状结构在获得 优良焊接性能中起关键作用，目前文献报道的搅棒表面一般制作有特殊形状的 螺纹。搅拌头需要使用具有良好高温力学性能的材料制造。 焊缝 图1 - 1 搅拌摩擦焊工作原理示意图 由于搅拌摩擦焊技术是一种固相焊接技术，其焊接温度一般低于被焊材料 的熔点，从而可以避免因材料熔化而产生的缺陷，焊接接头具有良好的力学性 能，焊接过程中无烟尘、弧光、飞溅、合金烧蚀等。由于焊接工艺上的优点， 可以实现机械化焊接过程，焊接效率高，焊接时使用的搅拌头不易损耗，不需 要焊剂、填充剂等，不需要焊前成型，焊后无需清理。能实现多种形式的焊接 接头，如图1 2 所示 9 , 1 3 j 。 伊印 鼢翰 圆 l 蠢 够幻 图1 - 2 不同形式的焊接接头 3 中南大学博士学位论文第一章绪论 搅拌摩擦焊技术也存在待改进的问题：( 1 ) 用于封闭焊缝时，会留下一个 锁孔，需要对锁孔进行补焊；( 2 ) 焊接变厚度材料时，需要更换不同长度的搅 拌头，给连续焊接带来不便；( 3 ) 随着板厚的增加，焊缝组织上下均匀性变差， 以致容易出现焊接缺陷。另外，在焊接厚板时，搅拌头易发生磨损与折断，要 求搅拌头在高温下具有高强、高韧、耐磨等特性；在焊接厚板时，能量消耗大， 振动较大，对焊接设备的要求较高。 1 2 2 焊接机理 目前从事搅拌摩擦焊的研究人员的研究重点大多集中于研制适用于不同材 料的搅拌头及焊接工艺、焊缝组织性能和结构设计方面。对于焊接机理的研究 成果，已有报道不多。这可能是由于焊接过程中材料流动的不可视性，给流动行 为研究带来了较大的难度【3 引。 为了观测搅拌头周围塑性材料的运动方式，现有研究采用两种新技术进行 试验：示踪技术和急停技术【3 1 4 2 1 。 示踪技术是利用细小钢球或铜箔带镶嵌在工件的不同位置，搅拌头焊接到 适当位置时停止运动，从示踪材料的分布可以跟踪到焊缝中金属的流动形式。 急停技术是使搅拌头在焊接过程中突然停止旋转，并立即从工件中取出， 保证与搅拌头接触的金属材料仍然附着在孔的周围。通过分析孔周边金属状态， 研究焊接过程中金属材料的流动情况。 c o l l i g a n 等通过在6 0 6 1 和7 0 7 5 异种合金焊接中嵌入直径为0 3 8 m m 钢球的方 法研究了搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为，认为材料的垂直流动不大，绝大 多数材料停留在原来的高度；而前进侧的材料随着搅拌头的旋转沉积在旋出侧 【3 1 1 。g u e r r a 等通过在6 0 6 1 铝合金接合处放置0 1 m m 厚的纯铜片作为示踪材料，并 使用急停技术研究了搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为，认为材料的流动主要 包括两个过程：位于前进侧的材料随搅棒旋转以螺旋形方式向前运动，并在搅 棒后方脱落形成弧状特征；位于回退侧的材料主要随搅棒旋转填充至搅棒后方 【3 2 】。l iy 等研究了2 0 2 4 和6 0 6 1 的焊接情况，通过对这两种合金采用不同的腐蚀 工艺，研究其塑性流动行为，认为是无序的混合过程【3 引。k r i s h n a n 利用粘土模 型研究了焊缝中“洋葱环 的形成过程，如图1 3 所示，认为在前进过程中搅拌 头每旋转一周就会挤出一层半圆柱体，在焊缝横截面上产生了“洋葱环”结构。 并指出“洋葱环 的形成与搅拌头结构及工艺参数有关，两者均影响热塑性材 料的流动l j 4 。 4 中南大学博士学位论文第一章绪论 图卜3 搅拌摩擦焊接头横截面的洋葱圆环 s e i d e l 和r e y n o l d s 通过在a a 2 1 9 5 铝合金焊缝的顶部、中部和底部不同位 置分别置入a a 5 4 5 4 薄片的方法分析了搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为。通过 焊后金相观察探测示踪材料的位置，反映出焊接工艺参数和搅拌头几何参数对 材料流动的影响，对焊缝区材料的流动提供了一个半定量的三维金相视图，如 图卜4 所示【3 5 】。 图1 - 4 塑性流动的三维金相观察 c e d e r q v i s t 和r e y n o l d s 提出了e t s ( e f f e c t i v es h e e tt h i c k n e s s ，有效板 厚) 概念。基材界面上下移动的形状和大小是一个非常重要的参数，故采用有 效板厚来衡量。通过对一系列不同焊接参数下的单道焊或双道焊接头的金相观 察，发现前进侧既有向前运动、也有向后运动、还有垂直运动；而回退侧只有 向后运动。并通过试验认为双道焊并不影响焊接接头的强度，但e t s 和界面形 状是影响抗剪强度的重要参数【3 6 j 。 o u y a n g 和k o v a c e v i c 研究t 6 0 6 1 同种材料和6 0 6 1 2 0 2 4 异种材料对接焊时的 材料流动情况，认为其塑性流动、组织变形与材料混合过程都关于中心明显不 对称，并在6 0 6 1 2 0 2 4 的焊缝中发现了由不同材料构成的间混层涡状结构【3 7 】。 p r a n g n e l l 和h e a s o n 用急停技术观察t a i - 2 1 9 5 焊缝中的材料流动与组织演 变过程，指出位于前进侧热机影响区中的晶粒沿焊接方向前倾，与焊核区存在 明显的界面；位于回退侧搅拌头前方的材料沿旋转方向向搅拌头后方转移，呈 弥散分布；在搅拌头前方存在一个沿旋转方向的狭窄变形区；位于前进侧的焊 中南大学博士学位论文 第一章绪论 核区要宽于搅棒作用尺寸，而位于回退侧的焊核区要窄于搅棒作用尺寸；并在 搅拌头的周围和螺旋槽内均发现了类似于焊核区的细小等轴晶结构【3 8 1 。 国内方面，黄奉安，邢丽，柯黎明等人通过用紫铜作为示踪材料，对l f 6 铝 合金焊后焊缝中紫铜的流动进行了观察，认为焊缝材料流动与焊缝中心是不对 称的，在前进侧有部分材料往前流动也有部分材料向后流动：而在回退侧的材料 都向后流动，且有部分材料进入前进侧【3 训。 张华，郭力杰，林三宝等人通过在a z 3 1 镁合金待焊表面镀一层很薄的铜层来 研究材料的塑性流动情况。认为搅拌头首先搅动前进侧的材料，使它们进入围绕 搅拌头旋转和移动的区域；旋转区域的材料运动成螺旋状，在搅拌头的活动区 域，材料旋转、前进、下降，而在旋转区域之外，材料向上运动1 4 0 。 于勇征，罗宇，栾国红等人研究了l d l 0 l f 6 异种材料的搅拌摩擦焊，发现在 接头的金相中金属形成了涡形层混结构，认为产生此现象的原因是由于金属在 一定温度下，受力而塑性变形，发生动态软化而表现出了类似于粘性液体的流动 性。即认为是金属在焊接过程中“流动”的结果。另外还认为，被焊材料反复 动态再结晶是其持续塑性流动的前提条件；影响金属塑性流动的因素主要有两 个材料的变形温度和变形速率；保持一定的焊接温度有利于金属动态软化， 促进塑性流动，实现焊接【4 l 啦】。 焊接过程中的流动行为，对焊接接头力学性能影响较大，如何获得最佳的 流动形式，从而获得高性能、高质量的焊接接头是搅拌摩擦焊接工作急需解决 的主要问题之一。上述试验研究对于认识搅拌摩擦焊接过程中的塑性流动行为， 提供了很大的帮助，它们是对焊接过程中塑性流动行为进行进一步分析的基础。 1 2 3 焊接材料和工艺 目前成功应用搅拌摩擦焊技术进行连接的材料主要包括铝合金、镁合金、 铅、锌、铜，不锈钢、低碳钢等同种或异种材料，此外还包括塑料、金属基复 合材料【9 0 3 1 。在焊接工艺方面，由于搅拌摩擦焊技术主要是依靠搅拌头与工件之 间的摩擦生热，使工件材料受热软化形成塑性软化层而完成工件的固相焊接， 故需要较大的压紧力、移动搅拌头向前运动的力和较高的旋转速度，所以在设 备制造上要求较高。为了克服搅拌摩擦焊技术的不足，k o h gg 等人提出了激光 辅助搅拌摩擦焊接工艺l a f s w 4 3 1 ( l a s e r a s s i s t e df r i c t i o ns t i rw e l d i n g ) 。采用激 光辅助加热的方法进行搅拌摩擦焊，搅拌头只需要施加较小的力就可以完成的 搅拌摩擦焊接，可以大大减少搅拌头的损耗，并提高焊接效率。 6 中南大学博士学位论文第一章绪论 1 2 4 组织性能 在搅拌摩擦焊研究中，搅拌摩擦焊焊缝的微观组织和力学性能的研究一直 是重点。综合t h o m a s 、d a w e s 、r h o d e s 、m a h o n e y 、j a t a 、g e n e v o i s 、k r i s h n a n 、 m c c l u r e 、s e i d e l 、m i s h r a 、c o l l i g a n 、m u r r 、刘会杰、冯吉才、柯黎明、史耀武、 张华、姚君山、张田仓、栾国红、邢丽、柯黎明、林三宝、张平、王希靖、刘 小文等多位学者对铝合金 4 4 - 6 5 , 7 2 - 8 2 】、镁合金【6 6 , 8 3 】、铜合金【8 4 1 、不锈钢【6 7 】、异种 合金【6 ”1 ，8 5 】等的焊接研究结果认为，搅拌摩擦焊焊缝一般由四个分区构成，即 焊核区( w e l dn u g g e tz o n e ，简称w n z ) 、热机影响区( t h e r m o m e c h a n i c a l l y a f f e c t e dz o n e ，简称聊a z ) 、热影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e ，简称h a z ) 、基材 区( b a s em e t a l ，简称b m ) ，如图1 5 和1 - 6 所引。 图1 - 5 搅拌摩擦焊缝金相组织的一种典型结构 w i d t ho f t o o ls l i d l l ：i d e r 图1 - 6 搅拌摩擦焊缝分区简图 ( a 为b m ，b 为h a z ，c 为t m a z ，d 为w n z ) 基材区( b m ) 是没有发生组织和性能变化的区域。 热影响区( h a z ) 是受焊接热循环影响，发生了微观组织和力学性能变化， 但没有发生塑性变形的区域。对于时效强化或加工硬化的合金，焊接热循环使 热影响区过时效，位错密度下降，显微硬度低于基材区。 热机影响区( t m a z ) 是发生了明显塑性变形的区域。对于铝合金而言，焊 核区与热机影响区的分界明显。在焊接过程中，热机影响区的长晶粒受搅拌力 的作用发生弯曲，焊接热循环使该区域的强化相发生转变或分解，而且时间相 对较长，使时效强化铝合金在这一区域的显微硬度较低。 焊核区( w n z ) 是受搅拌头的剧烈热一机综合作用，发生了完全动态再结晶 7 中南大学博士学位论文第一章绪论 的区域。焊核区的晶粒非常细小，为等轴晶，完全不同于基材和焊缝其他区的 微观组织。 目前采用的微观组织研究方法包括扫描电镜( s e m ) 、透射电镜( t e m ) 、光 学显微镜( o m ) 等试验手段，得到不同焊接条件下的微观组织情况。对于焊缝 力学性能的研究，一般包括拉伸强度、塑性、抗腐蚀性、动态载荷下的疲劳强 度等。 搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，因此焊缝的综合力学性能较好。对于普 通条件下的非热处理强化的铝合金，通过对焊接参数的改进，可以得到没有空 洞和裂纹的优良焊缝，焊缝的拉伸强度接近或优于基材，且断裂位置常出现在 热影响区附近或远离焊缝的基材上。对于冷作硬化或热处理强化的铝合金，可 通过控制焊接热输入，特别是控制前进侧和回退侧热影响区的热输入和过时效 过程，以及焊后热处理，来提高焊缝的力学性能指标【1 0 。1 1 7 1 。 英国的t w i 、瑞典的s a p a 和挪威的h y d r oa l u m i n u m 系统评定了5 0 8 3 、6 0 8 2 和7 1 0 8 三种铝合金搅拌摩擦焊缝的拉伸性能。这些性能数据表明，对固溶处理 加人工时效的6 0 8 2 - t 6 铝合金，其搅拌摩擦焊缝的拉伸强度经焊后热处理可以 达到与基材同等强度，而延伸率有所下降。t 4 状态的6 0 8 2 铝合金试件焊后经 常规时效可以显著提高焊缝性能。7 1 0 8 铝合金焊后室温下经自然时效，其拉伸强 度可达基材的9 5 。采用6m m 厚的5 0 8 3 - 0 和2 0 1 4 - t 6 铝合金焊件进行疲劳试 验。当使用应力比r = 0 1 进行疲劳试验时