搅拌摩擦焊基本原理及发展现状

1、全国技术交潦会论文集搅拌摩擦焊基本原理及发展现状北京航空制造J程研究所郭徂伦1搅悴摩擦焊基本原理般»»»是利用两被焊工件相互摩療由厚擦产生的热使帔焊材料产生塾性轶化 区.於后快速停止康擦，立即加压形成固相焊接头.ttftw擦焊则眾利用一个耐高溫硬 质材料制成一定形状的搅捋探头，将探头施转深入两被焊材料连接的边缢处.依打髙速 旗转探头在两被焊材料连接的边缘产生摩攥鴉.使接缝处金展产生塑性软化区.旋转探 头周BB的塑性欣化区金厲发到薦療、fit拝、挤出.开切看搅持探头沿焊缝向后形成旻性 金厲流冏涪庄垛头离开后的冷却过稈中.任受挤压的条件F,形成固相焊接接头.焊 接过程

2、示意图如图I所示.S I攬抻坪过程山211幷摩擦焊工艺特点由于焊过程中热输入相对于熔焊过程较小.接头部位不存在金属的烙化. 是一种tS杰輝接过思.在合金中保持母材的冶金性能可以焊接金厲基复合材料、快速 踐固材料尊采用熔煤会有不良反应的材料其主娶优点如(1) 焊按接头热形响区显徽组织变化小.残余应力比较低.焊接工件不易变形：能一次左成较长烽雄人戡面、不同位1!的焊接接头质高：全术交漫会论文臬（3）操作过程方便实现机械化、自动化.设备简缜，能耗低.功效高;（4）无補添加焊丝.焊铝合金时不需痒阿除氣化殒，不需要保护气体,成本低；（5）可焊热裂纹敏感的材料.适舍异种材料焊接；（6）烬按过程安全、无污奂

3、、无烟尘、无辐射等.擦烬也存在一定的缺点，焊接工件必须刚性固定.反面应有底板；焊接结束搅斧探头提出工件时，輝缝缪头形成一个孔.井且难以对焊缝进行修补：工具设计.过程參敷和机械性能敷1S只在有限的合金范围内可得：在况厂如持殊沒城中妥考走囱蚀性舵.残余应力和交形时，性陀需进一步 提高才可实际应用：对板材进疔单道连接时，目前焊速不是很高：搅捧头的损渭耗太快孚.3铝合金搅拌犀擦烬接研究現状搅拌腭擦焊（Friction Stir Welding ffi称FSW）是英国剑桥焊接研究所（TWI）于1991 年）0月提出的发明专利"搅拌摩擦輝工艺量初主要用于解决铝合金等低熔点材料的焊 按.关于艺的特

4、点和应用尊.TW1进行了较多的研究.并于1993年.1995 年分别申谓了专利目前.TW1主要是与駅空航天.海洋、道路交通铝材厂、烬接设 缶制造厂彎大公司联合.以团体费助或合作的形式开发这科技术扩大其应用范国.癸 国的爱迪生焊接研究所（Edison welding Institute.简称EWI）与TWI密切协作，也在进 行FSW工艺的研究倒.美CB的美国洛克希德马丁航空就天公马歇尔就天飞行中心、 芙国海军研究所、Dartmouth大学、得克萨斯大学.阿冑色斯大学、南卡罗利纳大学、徳 国的Stuttgart大学.澳大利亚的Adelaide大学、澳大利亚焊接研究所等都从不同角度对 搅拌凍擦焊进行

5、了专门研究"】ttnw撩焊工艺是自激光焊接问世以来引人注目的烬接方法.它的出现将使铝合 金尊有色金属的连接技术发生重大变革.目前.用擦輝方法焊接侣合金取得了很 好的效果.现在英、类尊CDE进行梓.铜、住、低碳怖、复合材料等的搅拌摩擦辉接 搅拝在航空航天工业领城有着良好的应用前景（1）搅拧头的设计搅并头的成功设计是把应用在更大范围的材料和焊接更宽的厚度范围的 关4.下面主耍讨论一下搅幷头的发履现状.一般说来.搅拌头包括两部分：搅捋探头和而搅拌头的材料通常都采用硬度 远远高于被焊材料的材料制成.这样能够在焊接过程中将搅并头的凰损减至量小"儿全国特伸连接技术交編会论文集在初期.搅

6、捋头形状的合理设计是获得良好机械性能焊缝的关键.近期以来.关于 搅搏头的发展主要集中在两个方面：一个是带螺紋的挽拌头.一个是带三个沟槽的搅拌 头冋.如图12】3所示.本质上.这两种搅捋探头都设计成锥体.大大减少了相同半 径圆柱体搅拌探头的材料卷出股说采带三沟槽的搅拌探头减小了 70%,而常缪 纹的搅拌探头减小了 60%如果使用一个确定的较小直径的搅样捉头.世形搅捋探头 比IS柱形搅持探头更容易送入焊件而通过塑性材料.并且减小了搅持头的应力集中和斷 袈可絶性.搅捋头釉肩的衣计对于ttftWWSil程中的辅助热源输入起看极为盧耍的作用对 于不同材料的焊接，at拌头轴肩的设计非常关9L文»

7、14中提出多种轴肩的设计方案如 图4所示.S4仪井头的轴肩设计这些多样化的轴肩设计增冬了搅捋头和工件之间的耦含.并能够对左焊接过程中挤 出的5S性材料进行有效的密封以保证形成致密的»».文献【13中描述了一种可以焊接不同厚度材料的損持头搅拌探头和轴肩都可以航着 材料的不同恥度而移动，如图5所示全swttita技术交濒会论文靈图5可辉援不冽鼻度材料的搅井以(2)铝合金焊研究现状擦焊在铝仓金上的应用趙来绘广泛，研究也越来越深入不仅涉及到各种同 种材料的焊接，还研究了大范围的异种铝合金的焊接.铝合金的焊檢岸度范围从1mm到 75mm.对铝合金焊接接头的腐读性能、力学性能、组织结构

8、都进行了大的研究技挣 岸擦焊广泛应用于 606IAI/2024AL 2024A1 / Ag. 2024Ai/Cu. 6061AI/Cu.甚至还ifi 用 f 6061AK20%AI2Oj / 铸铝合金 A3J9+ lOSiC 等合金LE-Murr禅人研究了大范围的同种和异种合金系的ttft*擦焊，并且检测比较了其 微观组织和硬度分布"I.焊盘区的动态再结晶是搅拌摩療輝的显着转征在某些情况下. 比如银和2024铝合金的«»»»»时.存在大*的假的品粒长大现象对一些可跡效便 化的金朋体系进疗FSW烬接时.例如对6061和2024铝合金以及

9、6061Al+20%AI20,金 履基复合材料的焊接，坪縫的残余说度和*度降低了基体金厲的45%然而，在焊接1100 锌铝合金时硬度几乎没有降任.而在璋接A339铝合金+10HS1C时.其焊縫区的实际礎 度反而比基体金屬的理度要髙.他们认为在包含一种或多科时效理化成分的异种合金系 的焊縫区里.硬度的降低部分依体的初始现度.而在纯金厲或肯非时效枝化合金 的焊缝区里，并小便度是其决定性因素.在室温条件下.超细晶粒结构可以导致高强度和高便度.在黒色和有色金厲合金里 邰己伏博具令趙细品粒的的盒農材料.但由于垢輝11程的大热第入导致怂序响区的細 小晶粒倉瞬长大.即使是较低热入的弧焊工艺也不能完全抑制热童

10、响区的晶粒长大. Yucaka S.Sato等人的研究表明.FSW过程利用旋转搅痒头的庫攥生成热导入輝缝便之在 困相状慙下发生理性流变，从而在焊接接头区城得対细小品粒U叽他利用的初妬材料是 1050 合金，其化学成分为 AIO. 1 Si-O29FeX).O!Cu-0.02Mg4).01Zn-0.02Ti (单位为 wt%). 平均晶粒尺寸为40微米左右.硬度位约为2IHv.现利用LBW和FSW两种焊接方法焊全33符艸连挨技术交淹倉论文軌接1050铝合金板.LBW在无充填材料和氧气保护下施焊.LBW和FSW的焊接逢度分 别为22和59mm/s.接头剖血图如图6、7所示.LBW在熔化区和热生响区

11、（HAZ产生传态粗大显微组织和粗大的笛轴晶粒显微结 构.导致LB辉Q的玫度值减小到小子3OHV.而在FSW过穆中.弃縫由于较低的热检 入和塑性流交过程获得了细小晶粒焊缝区和过浪区的晶粒和晶粒尺寸小于1“加细小 品粒结构导致了搅捽摩擦停缝区的高现度.目前的研究已经捣示了 FSW对于萩得具有细 小晶粒的庇呂度高帳度的铝合金焊接悬一种量有效的焊接过程.Patrick B.Bertxm等人认为搅拌康擦焊作为一种均匀化铝合金微观结构的方法产生 的细小相可以使！8合金具有很高的强度（达到650MPa）而又有良好的晁伸率（10%）. 他心认为良好的延伸率的提离归因于茯FSW工艺过程中徇到的均匀化的细小结构如

12、 谢8所示他们所用的材Al-Ti-Cu fr金RSMishra等人点分析了谡样庫擦焊7075铝合金中高应变速率下的超塑性他们 认为留合金的低应变速率的超塑性阴碍了侣合金超95成形的广泛应用，尤其是在商业铝 合金上他们的研究预示了利用FSW来产生高应变速率的超塑性铝合金是可能的事实 上，超塑性的铝合金可以通过搅律犀擦焊过程在较厚的铝板中获得，对于7075恰合金攬 样原擦焊接头，在应变率为IXlLLifl度为490P时可以获徇佳的超塑性“叭利用这 种技术从商业铝舍金中的悴進组织里也可获得细小龍粒他们还捷出获得超塑性铝合金全技术交ifc金论文*WiftT艺的三个步骤：诲搅拌摩撩坤接.超型成形.Yin

13、g Li等人主要描述了 2024AI / 6061AI的FSW的烬縫的固态流变的可视化四对 于异种恰合金的焊畏头其复杂的流变形式往往復难进行淸顒的可祝化.他们主 耍根据不同的合金对不同的腐蚀液具有不同的fttl®感性使用不同的腐蚀液来获得合金 不同形式的流变形态.还研究了搅持头的不同陵转速度对涡流形杏的影响.他们认为髙 的靛转速度促进了晶粒的长大.破坏了低速时接头里规范的涡流特征.文献20更进一步 地分析了 2024和6061铝合金的流动现簸及显微组织，在焊接区有平均尺寸 从1到15Mm的残余等轴晶粒.分布着超塑潦变形态引起的品粒长大.由于异种合金埠 接而产生的穿织层状流变形态.流变

14、形态很复杂，呈螺辰、i»涡状.同时这些流边形态 的特征与搅样头转动的方向和转动速度有关系.转轴晶和次等轴晶的估测 的温度分布图（变化范BB为06Tm到0.8丁屮Tm为绝对熔化温度）的变化而变化.而温度 分布图由搅并头的炭转轴而定.在経速度下.2024铝台金焊縫的穿织区里的嬢旋位惜和 位错环.!着溫度的升高存在位倩拳升.残兪微硬度分布图也隔微结构的变化而变化. 如图9所示.ffi9 fVJtit头應3分命w文M20）分析认为温度导致残余晶粒尺寸.次晶粒尺寸显微组织和焊接强度的变化 正如残僉组织微段度分布图胪决定的.硬腹值呈起伏状的分布图在6061铝合金的FSW 焊接过渡区附近达到最低值

15、，显微覺度与基体金屬相比降低了 40%.P.S.Pao等人关注了 7075铝合金技拝中的S?t4»劳裂纹的生长认为空气中 FSW焊绪疲劳裂紋生长率比金JM基体稍高刚.在空气和3.5%的NaCl溶液中热影响区 的疲劳裂纹生长率均较低，而与疲劳裂纹生长率成正比的疲劳裂纹生长的应力强度极瞅 范围（AKJ剣显苦高于基体金属，图10表示出了疲劳裂纹生长的变化规律并且由于 FSW工艺中产生的晶粒的品界敏感性.所以在35%的NaC）洛液中疲劳时接头断裂形式 表现为晶界斷袈.R.A.Prado等人对6061-20%A12Oj铝合金搅拌摩擦焊搅拌头唐损进行了初步研究 主要垮察了 6061+20%AIQ

16、】金厲基复合材料和裔用6061铝合金技拌头分别在500、 1000、1500.2000rpni等不同J8转速度下的應损情况（叫研究结果表明对于6061 +20%A】D 材14速度为lOOOrpm BtSte*大，超过lOOOrpm时廉损反而不规则的下降，对于商用6061全51特种违按技术交流念论文厦铝合金磨损并不明显如图11. 12所示.他们分析认为由于复合材料中的大的固相J®絞在 焊接过程中技搅拎头搅拌到焊缝区当中，这些固相験粒能在动杰再结品区域里流动AiCMPr/mBaseMetai Wdd HA2 A».峙 Cyui KP/WPdK. MWm48ffi 10震旁裂纹生

17、长生技辜的关果图"Ucmw welding dtotinco(cm)SI 11擅搏头育效擴啊按至离关亲TMJroteibM图12 ttttSkW效橫刈和旋旳速度关系Z#S.Benavides等人还研究了 2024启合金的低温搅捋障擦焊主耍比较了在室温下 (30-C)和低温下(一3(TC) 2024铝合金的按并曙擦焊焊縫区的残余品粒尺寸和徽观结 构.尽管低温下的焊缝区和室温下的焊縫区比较并无明罷的软化区.但是在低温下焊缝 区的两團边缴的热够响区(MAZ)有明显的软化区.搅捋摩擦焊接头里一个显薈的特征就耀“洋玄环”目前已絵有些人提出了对“洋憩 环”的解释 Biallas(绚认为洋慧环”的

18、形成是由于材料从邀度稍低的热够响区涼动结次 的反映，热源的运动形成了半径逐渐碱小的管状系统：Threadgil円准确的猜测到”洋恿 环"的形成和搅拌头毎旋转一周行定的距离大小有关，燃而他并没有给岀任何其他解秤. 他还认为“洋懑环”的形成不可能影响焊接按头的性质；Leonard如发现纵向横蔵面上也 出现半圆伏特征.这和“泮惠环”形成狼好的对应.他也认为“洋憩环"对烬縫质的 形响并不直要.Colligan"和Reynolds冋播述了搅搏犀擦焊类似F挤压过程的思想.在 搅捋头毎旋转一周的过程中材料的一个半BS环柱部分就酸推向搅挣头的背部，这意味 着只有很少的材料混合.C

19、olligan通过在他的实验中放入跟廉小钢球.发现搅捋探头周 囤既有向下也育向上的钢球运动.在试件上表面附近小钢球较多因此他认为在上表血 有较多的搅挣现象Reynolds也持类似的观点他们认为这个过程更象一个挤压过程. 是一种确罡的“冷焊”过私 这种叫法在某种程度上仅区别于“热焊" Larsson在技全08特ft连接技术交渝余论文震井凍擦焊异冲焊接接头上测了材料的组成分布图，他们发现尽管有内部的连接.但只 有有限的化学上的浪合.出另一种解释.他*认为在焊接过程中.材料在搅持 探头局匿涼动时，因为戏則的炭转形成一层一层的沟AL而这间接证实了 "洋感环"的 形成.參考

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