哈工大搅拌摩擦焊接研究现状

1、哈工大搅拌摩擦焊接研究现状哈工大搅拌摩擦焊接研究现状哈工大焊接国家重点实验室哈工大焊接国家重点实验室1哈工大搅拌摩擦焊接研究现状主要研究人员主要研究人员冯吉才、刘会杰、林三宝、闫久春、吴林冯吉才、刘会杰、林三宝、闫久春、吴林已经毕业博士已经毕业博士1 1、王大勇，、王大勇，2004.122004.122 2、张华、张华,2005.03,2005.033 3、赵衍华，、赵衍华，2006.032006.034 4、陈迎春，、陈迎春，2006.042006.042哈工大搅拌摩擦焊接研究现状主要内容主要内容1 1、焊接热循环及接头残余应力、焊接热循环及接头残余应力2 2、塑性流动模拟、塑性流动模拟3

2、3、搅拌头设计与优化、搅拌头设计与优化4 4、铝锂合金的焊接、铝锂合金的焊接5 5、22192219铝合金的焊接铝合金的焊接3哈工大搅拌摩擦焊接研究现状1 1、焊接热循环及接头残余应力、焊接热循环及接头残余应力热输入数学模型热输入数学模型 （1 1）搅拌头扎入过程热输入数学模型）搅拌头扎入过程热输入数学模型 （2 2）焊接过程中的轴肩热输入数学模型）焊接过程中的轴肩热输入数学模型 （3 3）焊接过程中的搅拌针热输入数学模型）焊接过程中的搅拌针热输入数学模型 4哈工大搅拌摩擦焊接研究现状Pin end surfaceMicromelentPin rootShoulderRs2R222R0zzrL

3、12RZPin side face 搅拌针端部微元模型搅拌针端部微元模型 搅拌针侧面微元模型搅拌针侧面微元模型 R2ddrrMicroelement1 1、焊接热循环及接头残余应力、焊接热循环及接头残余应力5哈工大搅拌摩擦焊接研究现状搅拌针扎入搅拌针扎入y y深度时总的热输入为：深度时总的热输入为： 1 1、焊接热循环及接头残余应力、焊接热循环及接头残余应力6哈工大搅拌摩擦焊接研究现状焊接过程中的搅拌针热输入数学模型焊接过程中的搅拌针热输入数学模型 柱形搅拌针热输入数学模型为：柱形搅拌针热输入数学模型为： Qcylinder = 2.rLZZ .3.423RrF锥形搅拌针热输入数学模型为：锥形

4、搅拌针热输入数学模型为： Qcone = ).12(.2023CosLRCostgLz .3.4232RRF7哈工大搅拌摩擦焊接研究现状测温范围：测温范围：0-9000-900测温精度：测温精度：11采样周期：采样周期：800800msms通道数目：通道数目：1-81-8多点测温仪多点测温仪 8哈工大搅拌摩擦焊接研究现状搅拌针扎入过程温度分布搅拌针扎入过程温度分布a) t=5s Tmax=21.2 b) t=15s Tmax=35.6 c) t=25s Tmax=82.6 d) t=35s Tmax=200.5 e) t=40s Tmax=298.1 f) t=45s Tmax=435.1 9

5、哈工大搅拌摩擦焊接研究现状不同转速对最高预热温度的影响不同转速对最高预热温度的影响0100200300400500600700800050100150200250300350400温度, 0c时 间, s w=300, v扎=1.0 w=500, v扎=3.0 w=700, v扎=0.5 w=800, v扎=1.0 w=900, v扎=0.5 w=1100, v扎=0.5较小的扎入速度更容易获得较高较小的扎入速度更容易获得较高的预热温度的预热温度10哈工大搅拌摩擦焊接研究现状转速对预热峰值温度的影响转速对预热峰值温度的影响2003004005006007008009001000 1100 12

6、00310320330340350360370380390v扎=0.5v扎=0.5v扎=1.0v扎=0.5v扎=3.0v扎=1.0温度, 0c转 速, rpm转速低，预热峰值温度也相应较低，预转速低，预热峰值温度也相应较低，预热峰值温度随着转速增大而升高。热峰值温度随着转速增大而升高。11哈工大搅拌摩擦焊接研究现状转速和预热时间对预热温度的影响转速和预热时间对预热温度的影响 0100200300400500600700800100150200250300350w=300rpm 温度, 0c预 热时 间, s01002003004005006007008009001001502002503003

7、50w=500rpm温度, 0c预 热时 间, s010020030040050060070080090050100150200250300350400w=700rpm温度, 0c预 热时 间, s010020030040050060070080090050100150200250300350400w=900 rpm温度, 0c预 热时 间, s010020030040050060070080090050100150200250300350400w=1100 rpm温度, 0c预 热时 间, s 长时间预热对提高预热温度作用不大，预热峰值温度长时间预热对提高预热温度作用不大，预热峰值温度一般出

8、现在搅拌头轴肩接触工件表面后的较短预热时间一般出现在搅拌头轴肩接触工件表面后的较短预热时间（约（约1010s s）内内。 12哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 0100200300400500600700050100150200250300350400450500锥 形螺纹面搅拌 头温度, 0c时 间, s 特征 点1 特征 点2 特征 点5 特征 点6 特征 点70100200300400500600700800050100150200250300350400450500锥 形光面搅拌 头温度, 0c时 间, s 特征 点1 特征 点2 特征 点5 特征 点6 特征 点70100200300400

9、500600700050100150200250300350400450500柱形螺纹面搅拌 头温度, 0c时 间, s 特征 点1 特征 点2 特征 点5 特征 点6 特征 点701002003004005006007008009001000050100150200250300350400450500柱形光面搅拌 头温度, 0c时 间, s 特征 点1 特征 点2 特征 点5 特征 点6 特征 点7不同形貌不同形貌搅拌头获搅拌头获得的热循得的热循环温度曲环温度曲线线 螺纹面搅拌头温度上升速率较光面搅拌头大。锥螺纹面搅拌头温度上升速率较光面搅拌头大。锥形搅拌头焊缝中心峰值温度与两侧峰值温度出现

10、形搅拌头焊缝中心峰值温度与两侧峰值温度出现时间不同步。时间不同步。13哈工大搅拌摩擦焊接研究现状0100200300400500600700800900050100150200250300350400450500温度, 0c时 间, s 锥 形螺纹 针 锥 形光头 针 柱 形螺纹 针 柱 形光头 针不同形不同形貌搅拌貌搅拌头焊缝头焊缝中心温中心温度曲线度曲线 锥形面搅拌头比柱形面搅拌头获得的焊缝中心锥形面搅拌头比柱形面搅拌头获得的焊缝中心峰值温度高。锥形螺纹面搅拌头获得的焊缝中心峰值温度高。锥形螺纹面搅拌头获得的焊缝中心峰值温度最高约为峰值温度最高约为460460左右左右; ;而柱形光面搅拌头

11、而柱形光面搅拌头获得的焊缝中心峰值温度最低约为获得的焊缝中心峰值温度最低约为425425左右。左右。 14哈工大搅拌摩擦焊接研究现状焊接过程准稳态温度分布焊接过程准稳态温度分布x=150 mm处处36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60050100150200250300350400450500 Temperature /Time /s z=0mm z=1mm z=2mm z=3mm z=4mm z=5mm012345420430440450460470480 Temperature /Thickness /mm36394245485154576050100

12、150200250300350400450500 Temperature /Time /s y=0mm y=5mm y=10mm y=15mm051015202530150200250300350400450500 Temperature /Distance along y axis /mma)Za)Z轴温度循环轴温度循环 b)Zb)Z轴温度梯度轴温度梯度c) Yc) Y轴温度分布轴温度分布 d) yd) y轴温度分布轴温度分布15哈工大搅拌摩擦焊接研究现状焊接过程准稳态温度分布焊接过程准稳态温度分布3640444852566050100150200250300350400450500 Tem

13、perature /Time /s Experimetal Simulation准稳态（准稳态（x x150 mm150 mm）模拟与试验结果（焊接速度）模拟与试验结果（焊接速度200 mm/min200 mm/min，旋转速度，旋转速度1000 r/min1000 r/min） 16哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 -50-40-30-20-1001020304050-30-20-1001020304050v=40mm/min后退侧 前 进侧 残余应力,Mpa距离, mm-50-40-30-20-1001020304050-30-20-1001020304050后退侧前 进侧v=80mm/min残

14、余应力, Mpa距离, mm-50-40-30-20-1001020304050-30-20-1001020304050v=120mm/min前 进侧后退侧残余应力, Mpa距离, mm-50-40-30-20-1001020304050-30-20-1001020304050v=160mm/min后退侧前 进侧残余应力, Mpa距离, mm不同焊速获得的残余应力曲线不同焊速获得的残余应力曲线 残余应力曲残余应力曲线呈线呈“M”M”形分形分布，不同焊速布，不同焊速残余应力分布残余应力分布情况大致相同情况大致相同。焊缝区均存。焊缝区均存在较小的残余在较小的残余压应力，而热压应力，而热影响区同时都

15、影响区同时都存在较大的残存在较大的残余拉应力。余拉应力。 17哈工大搅拌摩擦焊接研究现状焊速对最大残余应力的影响焊速对最大残余应力的影响40608010012014016040.040.541.041.542.042.543.043.544.0 焊速, mm/min残余应力, Mpa25.625.725.825.926.026.126.226.326.426.526.6最 大压缩残余应力最 大拉伸残余应力残余应力, Mpa 随着焊速的增大，热影响区的残余拉应力有明随着焊速的增大，热影响区的残余拉应力有明显降低的趋势；而在焊缝区内的残余压应力有增显降低的趋势；而在焊缝区内的残余压应力有增大的趋势

16、。大的趋势。18哈工大搅拌摩擦焊接研究现状转速对最大残余应力的影响转速对最大残余应力的影响 2004006008001000120039.039.540.040.541.041.542.0 转 速, rpm残余应力, MPa24.024.525.025.526.026.527.0最 大拉伸残余应力最 大压缩残余应力残余应力, MPa 转速的变化对焊缝区残余压应力以及热影响区转速的变化对焊缝区残余压应力以及热影响区残余拉应力都有较明显的影响。转速增大过程中残余拉应力都有较明显的影响。转速增大过程中，热影响区残余拉应力由小逐渐增大；而焊缝区，热影响区残余拉应力由小逐渐增大；而焊缝区残余压应力由低升

17、高最后趋于稳定。残余压应力由低升高最后趋于稳定。 19哈工大搅拌摩擦焊接研究现状仰角对最大残余应力的影响仰角对最大残余应力的影响 1.52.02.53.03.54.04.55.05.5363738394041最 大拉伸残余应力最 大压缩残余应力 仰角, 0残余应力, MPa25.025.225.425.625.826.026.226.4残余应力, MPa随着仰角的增大，焊缝区残余压应力上升趋势较随着仰角的增大，焊缝区残余压应力上升趋势较明显；而热影响区残余拉应力降低幅度较大。明显；而热影响区残余拉应力降低幅度较大。 20哈工大搅拌摩擦焊接研究现状2 2、三维塑性流动模拟、三维塑性流动模拟 （1

18、)1)轴肩端面附近软化层的流动，如图中的轴肩端面附近软化层的流动，如图中的L L1 1段段；（2)2)搅拌针上部软化层的流动，如图中的搅拌针上部软化层的流动，如图中的L L2 2段（段（L L2 2为搅为搅拌针的主体拌针的主体）；）；（3)3)搅拌针端面附近软化层的流动，如图中的搅拌针端面附近软化层的流动，如图中的L L3 3段段。LLL1轴肩端面搅拌针端面21哈工大搅拌摩擦焊接研究现状（1 1）轴肩端部附近软化层流动）轴肩端部附近软化层流动 前腔后腔搅拌针前部搅拌针后部前腔后腔 (a) (b) (c) 前腔后腔后腔前腔后腔弧峰软化层后退侧流动终止位置弧峰前进侧流动起始位置接合线 ( (d)

19、(e)d) (e) 轴肩端面附近软化层流动模型轴肩端面附近软化层流动模型 22哈工大搅拌摩擦焊接研究现状（2 2）搅拌针上部附近软化材料流动）搅拌针上部附近软化材料流动 软化壳体搅拌针后部软化壳体搅拌针前部搅拌针后部搅拌针前部搅拌针后部 (a) (b) (c) (d) 搅拌针上部软化材料的流动模型搅拌针上部软化材料的流动模型 搅拌针软化微元搅拌针后部搅拌针前部23哈工大搅拌摩擦焊接研究现状（3 3）搅拌针端部附近软化层流动）搅拌针端部附近软化层流动 搅拌针后部搅拌针前部LLL1流动到搅拌针后部的软化层软化层流动方向搅拌针前部形成的软化层搅拌针后部搅拌针前部LLL1L3搅拌针端部附近软化材料流动

20、模型搅拌针端部附近软化材料流动模型 24哈工大搅拌摩擦焊接研究现状模拟中采用了设置标记材料的方法显示材料流动轨迹，其设模拟中采用了设置标记材料的方法显示材料流动轨迹，其设置如图置如图5-45-4所示：在所示：在X X方向上距搅拌头方向上距搅拌头15mm15mm位置处设置了一些位置处设置了一些5mm5mm2.67mm2.67mm的面，正好涵盖整个焊缝厚度，标记材料从这些的面，正好涵盖整个焊缝厚度，标记材料从这些面上以焊接速度释放并参与流动。面上以焊接速度释放并参与流动。 三维模拟解算器三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟 Y Z X Flow direction Rotate direc

21、tion Re-top-far Ad-bot-far Ad-mid-close 流动位置标定示意图流动位置标定示意图 25哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 焊缝底部材料流动规律性较明显，材料都是从后退侧发生绕流，焊缝底部材料流动规律性较明显，材料都是从后退侧发生绕流，流动迹线较光滑。仅靠近搅拌针附近的材料发生了塑性流变，距离探针流动迹线较光滑。仅靠近搅拌针附近的材料发生了塑性流变，距离探针稍远位置的材料仍然逆焊接方向沿直线运动，前进边发生变形和流动的稍远位置的材料仍然逆焊接方向沿直线运动，前进边发生变形和流动的材料要多于后退侧材料，且前进侧材料发生变形幅度较大。材料要多于后退侧材料，且前进侧材料发生

22、变形幅度较大。底部模拟结果(a) (a) 前进边前进边 (b) (b) 后退边后退边 焊缝底部焊缝底部Z Z1mm1mm处模拟结果处模拟结果流线图流线图 三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟26哈工大搅拌摩擦焊接研究现状变形主要集中在距离焊缝中心线变形主要集中在距离焊缝中心线5mm5mm范围内。前进侧标记呈锯齿状分布，齿范围内。前进侧标记呈锯齿状分布，齿间距大约等于焊接速度与旋转速度的比值。可以认为材料绕流次数基本是一间距大约等于焊接速度与旋转速度的比值。可以认为材料绕流次数基本是一样的（模拟结果显示基本绕流一次样的（模拟结果显示基本绕流一次) )。 底部模拟结果验证三维三维FSWFS

23、W过程数值模拟过程数值模拟27哈工大搅拌摩擦焊接研究现状中间层材料流动形式保留了焊缝底部和顶部的流动特征，后退侧和前进中间层材料流动形式保留了焊缝底部和顶部的流动特征，后退侧和前进侧的材料绕过搅拌头后，大部分在原始位置后方被释放。也有部分材料侧的材料绕过搅拌头后，大部分在原始位置后方被释放。也有部分材料在轴肩的影响下，表现出焊缝顶部的流动特征：材料流经搅拌头时发生在轴肩的影响下，表现出焊缝顶部的流动特征：材料流经搅拌头时发生多次绕流现象，且主要集中在前进侧。多次绕流现象，且主要集中在前进侧。中部模拟结果(a) (a) 前进边前进边 (b) (b) 回撤边回撤边 焊缝中部焊缝中部Z Z4mm4m

24、m处模拟结果处模拟结果流线图流线图 三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟28哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 中部发生变形的材料介于底部和底部之间，距离焊缝中心线大约中部发生变形的材料介于底部和底部之间，距离焊缝中心线大约8mm8mm的标记材料都发生了塑性变形。前进侧部分标记材料呈锯齿状分布，但的标记材料都发生了塑性变形。前进侧部分标记材料呈锯齿状分布，但齿间距不是固定值，这说明材料在绕流过程中绕流次数或者标记材料被齿间距不是固定值，这说明材料在绕流过程中绕流次数或者标记材料被释放位置是不固定的。释放位置是不固定的。 (a) (a) 前进边前进边 (b) (b) 回撤边回撤边 焊缝中部标记材

25、料位置图像焊缝中部标记材料位置图像 中部模拟结果验证三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟29哈工大搅拌摩擦焊接研究现状上部材料的流动较混乱，与原始位置有一定的偏离，前进侧的材料会出上部材料的流动较混乱，与原始位置有一定的偏离，前进侧的材料会出现在后退侧，后退侧的材料也会出现在前进侧。轴肩直径范围内的材料现在后退侧，后退侧的材料也会出现在前进侧。轴肩直径范围内的材料基本上都发生了塑性变形和流动，材料环绕搅拌头流动数周后在搅拌头基本上都发生了塑性变形和流动，材料环绕搅拌头流动数周后在搅拌头后方发生沉积，绕流周数和沉积位置都没有明显规律性。后方发生沉积，绕流周数和沉积位置都没有明显规律性。顶

26、部模拟结果(a) (a) 前进边前进边 (b) (b) 回撤边回撤边焊缝上部焊缝上部Z Z7mm7mm处模拟结果处模拟结果流线图流线图 三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟30哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 上部发生变形和流动的标记材料较多，在轴肩的影响下，大约距离上部发生变形和流动的标记材料较多，在轴肩的影响下，大约距离焊缝中心线焊缝中心线10mm10mm范围内的材料都发生了变形。在轴肩作用下，前进侧材范围内的材料都发生了变形。在轴肩作用下，前进侧材料焊接后的分布几乎遍及整个轴肩影响区域且不连续。料焊接后的分布几乎遍及整个轴肩影响区域且不连续。 (a) (a) 前进侧前进侧 (b) (b

27、) 后退侧后退侧 焊缝上部标记材料位置图像焊缝上部标记材料位置图像 顶部模拟结果验证三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟31哈工大搅拌摩擦焊接研究现状100m350m轴肩作用区域搅拌针作用区域界面TMAZWNZWNZ350m轴肩形成的软化材料轴肩形成的软化材料/ /搅拌针形成搅拌针形成的软化材料界面形貌的软化材料界面形貌 32哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 搅拌头前部下方承受正压，搅拌头后部下方承受负搅拌头前部下方承受正压，搅拌头后部下方承受负压。且搅拌针绝大部分均承受负压，仅仅在搅拌针前部下方压。且搅拌针绝大部分均承受负压，仅仅在搅拌针前部下方附近承受正压。轴肩情况也相似，仅在轴肩前部偏

28、前进边一附近承受正压。轴肩情况也相似，仅在轴肩前部偏前进边一侧承受正压。侧承受正压。压强分布模拟结果探针和轴肩压强分布探针和轴肩压强分布模拟模拟结果结果三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟33哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 最高温度出现在轴肩前进侧箭头所指位置，从焊缝顶部到最高温度出现在轴肩前进侧箭头所指位置，从焊缝顶部到焊缝底部，温度场形状是逐渐变化的，不同层面的最高温度焊缝底部，温度场形状是逐渐变化的，不同层面的最高温度（约（约800k800k815k815k）出现的位置逐渐向搅拌针靠近，但仍出现）出现的位置逐渐向搅拌针靠近，但仍出现在前进侧。在前进侧。 温度模拟结果温度分布模拟结果温

29、度分布模拟结果最高温度三维三维FSWFSW过程数值模拟过程数值模拟34哈工大搅拌摩擦焊接研究现状3. 3. 搅拌头设计与优化搅拌头设计与优化 搅拌头描述形式搅拌头描述形式 搅拌针长度设计搅拌针长度设计 搅拌头形貌优选搅拌头形貌优选 搅拌头尺寸优化搅拌头尺寸优化35哈工大搅拌摩擦焊接研究现状3.1 3.1 搅拌头描述形式搅拌头描述形式 上述描述形式将搅拌头材料，尺寸参数和形貌特征均上述描述形式将搅拌头材料，尺寸参数和形貌特征均完整表述出来。完整表述出来。 例：搅拌针长度搅拌针中部直径轴肩直径搅拌头材料搅拌针表面特征搅拌针形貌-D-d-L-搅拌针长度为5mm搅拌针中部直径为5mm轴肩直径为20mm

30、高速钢锥形搅拌针螺纹面搅拌针HS-D20-d5-L5-CO-TH36哈工大搅拌摩擦焊接研究现状3.2 3.2 搅拌针长度设计搅拌针长度设计 L sin.tan45cossin)443()(04DdLhD D为轴肩直径；为轴肩直径；d dPinPin根根为搅拌针根部直径；为搅拌针根部直径；为仰角；为仰角；h h为焊件厚度；为焊件厚度；L L为搅拌针长度；为搅拌针长度；L L4 4为焊缝根部余量；为焊缝根部余量；d dpinpin端端为搅拌针端部直径；为搅拌针端部直径；d d0 0为搅拌针中部直径。为搅拌针中部直径。 37哈工大搅拌摩擦焊接研究现状3.3 3.3 搅拌头形貌优选搅拌头形貌优选 不同

31、形貌搅拌针搅拌头：不同形貌搅拌针搅拌头： ( (a) HS-D22-d5-L4.68-CY-UTHa) HS-D22-d5-L4.68-CY-UTH；(b) HS-D22-d5-L4.68-CY-TH(b) HS-D22-d5-L4.68-CY-TH；(c) HS-D22-d5-L4.68-CO-UTH(c) HS-D22-d5-L4.68-CO-UTH；(d) HS-D22-d5-L4.68-CO-TH(d) HS-D22-d5-L4.68-CO-TH (a) (b) (c)(d)38哈工大搅拌摩擦焊接研究现状不同形貌搅拌头焊接铝锂合金接头强度不同形貌搅拌头焊接铝锂合金接头强度（300rpm

32、 300rpm ） 锥形螺纹搅拌头最好锥形螺纹搅拌头最好2030405060708050100150200250300350Welding speed, mm/minTensile strength, MPa HS-D22-d5-L4.68-CO-TH HS-D22-d5-L4.68-CO-UTH HS-D22-d5-L4.68-CY-TH HS-D22-d5-L4.68-CY-UTH 39哈工大搅拌摩擦焊接研究现状铝锂合金搅拌摩擦焊接头横截面硬度分布铝锂合金搅拌摩擦焊接头横截面硬度分布 -30-20-10010203040020406080100120140160180 HS-D22-d5-

33、L4.68-CO-UTH HS-D22-d5-L4.68-CO-TH HS-D22-d5-L4.68-CY-TH HS-D22-d5-L4.68-CY-UTHDistance from the center of weld, mmHardness, HV 40哈工大搅拌摩擦焊接研究现状不同尺寸搅拌头形貌照片不同尺寸搅拌头形貌照片 尺寸优化41哈工大搅拌摩擦焊接研究现状不同尺寸搅拌头焊接获得的最高接头强度，及其所采用的焊接参数不同尺寸搅拌头焊接获得的最高接头强度，及其所采用的焊接参数（=300-1200rpm=300-1200rpm，20-200mm/min20-200mm/min）123456

34、789050100150200250300350400 273274275203204205133134135Various dimension toolsTensile strength, MPa 42哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 根据上述结果建立数学模型对搅拌头尺寸参数根据上述结果建立数学模型对搅拌头尺寸参数进行优化，得如下回归方程：进行优化，得如下回归方程： y= 由该式求得由该式求得5 5mmmm铝锂合金板搅拌摩擦焊用锥形螺铝锂合金板搅拌摩擦焊用锥形螺纹面搅拌头最优尺寸为：轴肩直径为纹面搅拌头最优尺寸为：轴肩直径为13.813.8mmmm，搅拌搅拌针中部直径为针中部直径为4.84.8mm

35、mm。该参数下搅拌针针长为该参数下搅拌针针长为4.764.76mmmm。98.33298.2005.1605.1442. 582. 221212221xxxxxx43哈工大搅拌摩擦焊接研究现状4 4、铝锂合金焊接接头组织及性能、铝锂合金焊接接头组织及性能ABBCC接头横截面宏观形貌接头横截面宏观形貌( (A A焊核区；焊核区；B B热机影响区；热机影响区；C C热影响区热影响区) ) 44哈工大搅拌摩擦焊接研究现状30m金相微观组织金相微观组织230nm位错结构位错结构230nmTEMTEM微观组织微观组织T1TBT1230nmTB沉淀相形貌及分布沉淀相形貌及分布焊核区微观结构焊核区微观结构4

36、5哈工大搅拌摩擦焊接研究现状30m金相微观组织金相微观组织1.9m230nm230nm位错结构（低密度区）位错结构（低密度区）230nm230nm沉淀相形貌及分布沉淀相形貌及分布TEMTEM微观组织微观组织热机影响区微观结构热机影响区微观结构位错结构（高密度区）位错结构（高密度区）46哈工大搅拌摩擦焊接研究现状30m金相微观组织金相微观组织1.9m230nm 位错结构位错结构230nm230nm沉淀相形貌及分布沉淀相形貌及分布热影响区微观结构热影响区微观结构TEMTEM微观组织微观组织47哈工大搅拌摩擦焊接研究现状铝锂合金搅拌摩擦焊接头硬度分布铝锂合金搅拌摩擦焊接头硬度分布( (800rpm8

37、00rpm，160mm/min) 160mm/min) -30-20-10010203040120140160180Distance from the weld center, mmHardness, HVHAZHAZTMAZWNZ 接头内接头内T T1 1沉淀强化相的溶解和粗化，位错密度的降低，沉淀强化相的溶解和粗化，位错密度的降低，导致接头发生软化，不同区域软化程度不同，接头硬导致接头发生软化，不同区域软化程度不同，接头硬度分布呈度分布呈“W”W”形貌。热影响区内临近形貌。热影响区内临近TMAZ/HAZTMAZ/HAZ界面界面区域软化程度最高。区域软化程度最高。48哈工大搅拌摩擦焊接研究现

38、状弱区位置的判断弱区位置的判断接头各区显微硬度测试位置接头各区显微硬度测试位置 接头各区域显微硬度测试结果接头各区域显微硬度测试结果 测试位置测试位置硬度平均值，硬度平均值，HmHmWNZWNZA A临近临近WNZ/TMAZWNZ/TMAZ界面界面136136TMAZTMAZB B临近临近WNZ/TMAZWNZ/TMAZ界面界面143143C C临近临近HAZ/TMAZHAZ/TMAZ界面界面143143HAZHAZD D临近临近HAZ/TMAZHAZ/TMAZ界面界面118118E E远离远离HAZ/TMAZHAZ/TMAZ界面界面12512549哈工大搅拌摩擦焊接研究现状焊接速度对铝锂合金

39、搅拌摩擦焊接头强度的影响焊接速度对铝锂合金搅拌摩擦焊接头强度的影响( (=800rpm=800rpm，2 20 0) ) 20406080100120140160180200330340350360370380Tensile strength, MPaWelding speed, mm/min 50哈工大搅拌摩擦焊接研究现状搅拌头转速对铝锂合金搅拌摩擦焊接头强度的影响搅拌头转速对铝锂合金搅拌摩擦焊接头强度的影响40060080010001200200220240260280300320340360380Tensile strength, MPaRotational speed, rpm 51哈

40、工大搅拌摩擦焊接研究现状 ( (a)a)=500rpm (b)=500rpm (b)=800rpm=800rpm搅拌头转速对接头致密性的影响搅拌头转速对接头致密性的影响0.3mm0.3mm52哈工大搅拌摩擦焊接研究现状1.9m250nm250nm ( (a)a)亚晶组织亚晶组织 ( (b)b)沉淀形貌和分布沉淀形貌和分布 ( (c)c)位错结构位错结构 转速过高时，热影响区内临近转速过高时，热影响区内临近HAZ/TMAZHAZ/TMAZ界面区域微观结构界面区域微观结构53哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 (a) (a)1 10 0； (b) (b)5 50 0搅拌头仰角对接头结构的影响搅拌头仰角对接

41、头结构的影响0.3mm0.3mm54哈工大搅拌摩擦焊接研究现状(1)2(1)20 0550 0时，微观结构对接头的弱化作用时，微观结构对接头的弱化作用较小，而残余应力降低则起主导作用，导致接较小，而残余应力降低则起主导作用，导致接头强度随着仰角的增大而提高；头强度随着仰角的增大而提高；(2)(2)550 0时，残余应力变化较小，微观结构影时，残余应力变化较小，微观结构影响开始占据主导地位，接头弱区由于亚晶和沉响开始占据主导地位，接头弱区由于亚晶和沉淀相粗化严重，软化程度太高而随着仰角的增淀相粗化严重，软化程度太高而随着仰角的增大而降低大而降低。上述两种因素的综合作用导致接头强度随着仰上述两种因

42、素的综合作用导致接头强度随着仰角的增大，先上升，然后下降。角的增大，先上升，然后下降。 55哈工大搅拌摩擦焊接研究现状铝锂合金搅拌摩擦焊铝锂合金搅拌摩擦焊 接头断裂部位分析接头断裂部位分析 模式模式断裂部位断裂部位 模式模式断裂部位断裂部位 HAZHAZTMAZWNZTMAZ断裂位置HAZHAZTMAZWNZTMAZ空 洞 缺 陷当接头内无缺陷时拉伸试样断裂于热影响区内临当接头内无缺陷时拉伸试样断裂于热影响区内临近近HAZ/TMAZ界面处；当接头内存在孔洞缺陷时界面处；当接头内存在孔洞缺陷时拉伸试样断裂于拉伸试样断裂于WNZ/TMAZ界面。界面。56哈工大搅拌摩擦焊接研究现状 模式模式断口表面

43、断口表面宏观和微观形貌宏观和微观形貌模式模式断裂断口表面宏观和微观断裂断口表面宏观和微观形貌形貌b）e）57哈工大搅拌摩擦焊接研究现状焊核区组织形成机制焊核区组织形成机制 i+1ii-1banded microstructure in base materiali-1ii+1fi-1,ifi,i-1fi,i+1fi+1,ifi-1,i-2fi-2,i-1fi+1,i+2fi+2,i+1ii-1i+1i-1ii+1i-1ii+1i-1ii+1123焊核区组织形成过程示意图焊核区组织形成过程示意图 (a) (b) (c) (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (d) (e) (f

44、) (g) 58哈工大搅拌摩擦焊接研究现状被拉长、发生变形、被拉长、发生变形、再结晶的板条组织再结晶的板条组织 焊核区等轴再结晶晶粒焊核区等轴再结晶晶粒 59哈工大搅拌摩擦焊接研究现状5 5、22192219铝合金的焊接铝合金的焊接60哈工大搅拌摩擦焊接研究现状2219-2219-O O铝合金搅拌摩擦焊接铝合金搅拌摩擦焊接焊接工艺参数对接头抗拉性能的影响焊接工艺参数对接头抗拉性能的影响a) a) 焊接速度的影响焊接速度的影响 b) b) 旋转速度的影响旋转速度的影响61哈工大搅拌摩擦焊接研究现状接头的硬度分布和应变分布接头的硬度分布和应变分布a) a) 显微硬度分布显微硬度分布 b) b) 应变分布应变分布62哈工大搅拌摩擦焊接研究现状2219-2219-O FSWO FSW接头焊后固溶热处理接头焊后固溶热处理固溶工艺对接头力学性能的影响固溶工艺对接头力学性能的影响（4 4种后处理规范）种后处理规范）a) a) 时效规范时效规范1 1 b) b) 时效规范时效规范2 263哈工大搅拌摩擦焊接研究现状拉伸后拉伸前热处理态接头典型断裂位置热处理态接头典型断裂位置64哈工大搅拌摩擦焊接研究现状2219-2219-T6T6铝合金搅拌摩擦焊接铝合