搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

搅拌摩擦焊 (FrictionStirWelding ,简称FSW)是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺 ,由英国焊接研究所TWI(TheWeldingInstitute)于 1991年开发的专利技术。文中对搅拌摩擦焊工艺进行简单介绍并对研究现状做了比较详尽的总结 ,涉及搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况及“洋葱”圆环的形成机理、适用母材、接头微观组织、力学性能、焊接工具、复合焊接工艺及搅拌摩擦焊应用领域 ,并展望FSW的发展前景。

搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动的抽吸-挤压理论

通过镶嵌多层铜箔作为标识材料,利用带螺纹和表面光滑的圆柱形搅拌针进行搅拌摩擦焊试验,确定了焊接时金属在焊缝厚度方向存在剧烈的塑性流动,搅拌针表面的螺纹是驱动焊缝塑化金属在焊缝厚度方向流动的主要因素。在试验基础上提出了焊缝塑化金属厚度方向流动的"抽吸—挤压"理论,认为当搅拌头旋转引起塑化金属沿螺纹表面轴向流动时,在螺纹的一端形成一瞬时空腔,周围塑化金属将被吸向此空腔,形成所谓抽吸效应;在螺纹的另一端,塑化金属将改变流向并挤压周边金属,形成所谓挤压效应;正是由于空腔对塑化金属朝焊缝中心的抽吸作用和挤压区往外对塑化金属的挤压作用,使高温塑化金属在焊缝厚度方向形成剧烈的环形迁移运动。用抽吸—挤压理论分析了焊缝中洋葱瓣花纹的形成,洋葱瓣中心的位置及隧道型缺陷的位置与由此理论分析的结果一致。通过工艺试验观察洋葱瓣花纹尺寸变化及他人的试验结果,验证了用"抽吸—挤压"理论预测焊缝成形的正确性。

搅拌摩擦焊缝中的洋葱环形成分析

研究了搅拌摩擦焊焊接铜合金、铝合金时接头中出现的洋葱环结构,分析其形成及影响因素。结果表明:洋葱环的实质是搅拌针旋转前进时其带动的软化层与上一软化层塑性金属间相对移动摩擦叠加后产生的一种轨迹;由于搅拌针区域摩擦热输入不足,层间新生成的晶核呈弥散分布,层间与层内晶粒形状不同,从宏观上看,接头纵剖面上形成了结构重叠的半圆环结构,而从横剖面上就形成了独特的“洋葱环”结构;焊缝中心纵剖面上出现环间距大小与搅拌针旋转一周向前移动的距离基本相等。

焊缝金属厚度方向的流动与洋葱瓣花纹的形成

研究了在铝合金薄板与铜箔交替叠加的多层板搅拌摩擦焊过程中焊缝金属的塑性流动行为。结果表明,用带螺纹的搅拌针焊接时,搅拌针周围金属沿螺纹在焊缝厚度方向产生剧烈的流动,在螺纹端部脱离搅拌针并向周围挤压母材,形成实心环形挤压区,与周围母材有明显的界面。洋葱瓣花纹是实心环形挤压区在焊缝横截面上的表现形式。搅拌针表面的螺纹提供金属在焊缝厚度方向流动的驱动力。搅拌头顺时针旋转时,用左螺纹搅拌针焊接的焊缝横截面上,洋葱瓣花纹的中心偏向焊缝底部;用右螺纹搅拌针焊接的横截面上,花纹的中心偏向焊缝表面。

7A52铝合金搅拌摩擦焊接头特征分析

通过7A52铝合金的搅拌摩擦焊试验,分析讨论了其焊接接头特征。试验中有目的地选择了几种不同的工艺规范进行研究。结果表明:焊接接头横截面宏观结构特征表现为焊核区的"洋葱环"和热-机械影响区的塑性流线变形,洋葱环的环间距随着距焊缝中心距离的增大而减小;表面的宏观结构特征表现为半圆环带,环间距与搅拌头旋转速度和焊接速度有关。此外,还讨论了搅拌头旋转速度和焊接速度对焊接接头力学性能影响。接头显微硬度的最低值出现在焊接热影响区而不在焊核区,主要是焊核区经过动态再结晶形成了细小的等轴晶所致。

搅拌头形状对搅拌摩擦焊接头中洋葱环形貌的影响

采用铝箔作为标示材料,用不同螺纹旋向、不同轴肩直径的搅拌头进行了搅拌摩擦焊试验。结果表明,搅拌针表面为左旋螺纹时,洋葱环中心出现在焊缝的中下部,搅拌针表面为右旋螺纹时,洋葱环中心出则现在焊缝的上部;洋葱环花纹是由搅拌针附近的塑性金属在搅拌针表面螺纹的驱动下沿厚度方向迁移并在搅拌针端部或根部形成挤压区所造成的;轴肩较大的搅拌头有利于塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移,洋葱环更易于在厚度方向上扩张。

搅拌针表面螺纹头数与轴肩下压量对金属轴向迁移的影响

研究搅拌针表面螺纹头数与轴肩下压量对8mm厚的LY12铝合金板材在搅拌摩擦焊过程中焊缝塑性金属在搅拌针轴向的迁移量的影响。结果表明:螺纹内的塑性金属因受到螺纹表面挤压力和螺纹表面与金属间摩擦力的共同驱动而在搅拌针轴向产生迁移,单位时间内塑性金属的轴向迁移量取决于引起金属迁移的驱动力大小和单位长度螺纹内携带金属的量。增加搅拌针表面螺纹头数和增大焊缝所受轴向的挤压力均能使焊缝塑性金属的轴向迁移量增加,其宏观表现为呈"洋葱瓣"花纹状的焊核横截面积增大。

静轴肩辅助铝镁搅拌摩擦搭接接头的组织与性能

文中将静止轴肩技术应用到铝镁异种合金的搅拌摩擦搭接过程中,并分析了焊接速度对接头成形和力学性能的影响.结果表明,静止轴肩能够增强上下板之间的材料交换,焊后搅拌区呈较大的洋葱环形貌,其内部分布大量的金属间化合物;搭接面处发生良好的冶金结合.由于生成金属间化合物,洋葱环区域的显微硬度值明显高于接头其它区域.X射线衍射结果表明,金属间化合物的主要成分是Al_3Mg_2和Al_(12)Mg_(17).接头的抗拉强度随着焊接速度的增加呈先上升后下降的趋势,最大值在焊接速度为40 mm/min时取得.

搅拌摩擦焊接过程的非稳态流场及影响因素

分析了搅拌摩擦焊洋葱圆环的非稳态流场形成过程和工艺参数对洋葱圆环的影响,在焊接过程中流入孔腔的金属流(特别是与焊针旋转方向相反的金属流)破坏了焊针未运动时产生的原始流动场,形成了复杂的涡状流动,并且在纵向呈现不均匀性,叠加后最终形成洋葱状形貌.实验表明搅拌工具的尺寸和焊接速度是影响洋葱圆环形貌的主要因素.

7050铝合金FSW焊核区的微观组织和断裂机理

采用搅拌摩擦焊对5mm厚7050铝合金板进行焊接,对焊核区洋葱环的宏观形貌、微观组织进行分析,并研究洋葱环对接头性能的影响.结果表明:焊核区出现的洋葱环组织实际是由粗晶带与细晶带相间构成的;当v=80mm/min、ω=600r/min时,焊核区形成完整的椭圆形洋葱环,随着转速提高,洋葱环的形状逐渐不规则;而当转速恒定时,随着焊速的提高,洋葱环逐渐变小;在接头中心预制缺口,然后进行拉伸试验,发现裂纹都是沿预制缺口经洋葱环中粗晶晶界扩展,表明环上粗晶带的出现会加速焊核区的裂纹扩展.

工艺参数对搅拌摩擦焊洋葱圆环形成的影响

搅拌摩擦焊中焊缝材料的流动对焊件性能有很大影响。洋葱圆环是搅拌摩擦焊焊核区中材料流动的集中体现。文中对5 mm厚的1060、3003铝合金板材进行了搅拌摩擦焊连接,通过对其焊核区腐蚀后的形貌观察分析研究了不同工艺参数下材料的流动形态。结果表明,工艺参数对搅拌摩擦焊焊核区洋葱圆环的形成有很大影响。采用较高的搅拌头转速和合适的焊接速度可获得稳定、质量良好的搅拌摩擦焊接头。

5A06-O铝合金搅拌摩擦焊焊缝组织分析

针对常规熔化焊接铝合金容易导致焊接接头区域软化的问题,采用搅拌摩擦焊焊接厚度为5mm的5A06-O铝合金,研究焊接压力、搅拌头旋转速度和焊接速度对焊缝表面形貌的影响和下插深度对匙孔形貌的影响。采用X射线探伤表面形貌良好的焊缝,采用VHX-2000系列超景深显微镜观察焊缝各个区域显微组织。研究结果表明:搅拌摩擦焊焊缝由焊核区、热机影响区、热影响区和母材4部分组成;在搅拌头前进侧热机影响区与焊核区的分界线明显,在搅拌头后退侧热机影响区与焊核区的分界线模糊。

搅拌摩擦焊研究最新进展

搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding.简称FSW)是一种新型固相连接工艺.它不仅能实现其他连接方式能够实现的接头,且能实现在熔焊条件下焊接性能差、易产生焊接缺陷的材料的连接,如高强铝合金、铝锂合金,使焊接接头的性能大大提高.本文分析了近年来搅拌摩擦焊技术的发展和最新进展,涉及搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况适用母材、力学性能和焊接工具.

机场刚性道面无损检测理论研究

以一种新的、更符合实际的力学计算模型-移动荷载下粘弹性地基板系统来研究场道的无损检测理论.基于线性系统的叠加原理和坐标变换,建立了求解移动荷载下粘弹性地基板的动力响应广义积分公式,把运动荷载问题转化为获取位移脉冲响应函数.然后在柱坐标中利用拉普拉斯和汉克尔变换求解板在瞬时点源荷载作用下的解,再结合广义积分得到道面板在移动荷载作用下的弯沉解析解.以此为基础,采用最小二乘方准则,通过实测弯沉与理论弯沉相拟合,快速识别出E.通过实例计算,表明本文结果正确,基本理论和方法可应用于无损检测技术中来获取地基模量E.

搅拌摩擦焊接头“洋葱环”层状结构形成机制探索

"洋葱环"形貌是搅拌摩擦焊接头中搅拌针作用区的固有特征,基于对搅拌针三维模型的形貌提取和修正,构建了搅拌摩擦焊接头"洋葱环"层状结构模型,通过模型叠加与剖切分析,获得了搅拌摩擦焊接头沿不同方向剖切后层状结构模型,所获得的模型与实际焊接接头层状结构形貌相一致。基于层状模型分析,将搅拌摩擦焊接头"洋葱环"层状结构形成过程分为"迁移阶段"和"回填阶段"两部分。基于三维模型分析,深入揭示了搅拌摩擦焊接头搅拌针作用区"洋葱环"层状结构的形成机制,为深入理解搅拌摩擦焊接头形成过程提供了理论基础。

7B52铝合金叠层复合材料搅拌摩擦焊过程的金属流动

7B52铝合金叠层复合材料(7B52 aluminum laminated composite,ALC)是一种新型材料,由两种7XXX系铝合金组成,本文研究了7B52 ALC搅拌摩擦焊接接头的微观组织。研究结果表明:与完整的洋葱环结构不同,7B52ALC搅拌摩擦焊接头仅仅在焊核区前进侧发现了类似洋葱环的鳞片状结构,而焊核区后退侧无明显图案且叠层结构保持完整。鳞片状结构是由洋葱环叠加和材料横向流动形成的横条纹共同组成的。本文提出了一种搅拌摩擦焊金属流动猜想,即焊核区前进侧和后退侧金属流动方式不同,横条纹是由部分向后移动填充搅拌针后方空腔的螺纹内塑性金属组成的。

2024铝合金与T2紫铜的搅拌摩擦焊接头组织及力学性能

针对板厚均为3 mm的2024铝合金和T2紫铜异种金属进行了搅拌摩擦焊接。采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对接头组织和铝-铜界面进行观察分析,并进行了显微硬度和拉伸性能测试。结果表明,接头表面成形优异,无宏观缺陷,焊核区形成了明显的洋葱环结构,洋葱环由层片状铝和颗粒形式分布的铜组成;在铝-铜界面形成了一层厚度约0. 98μm的金属间化合物层。在转速为800 r/min、焊接速度为50 mm/min的焊接参数下得到了力学性能优异的接头,接头平均抗拉强度为158 MPa,强度与母材铜相当,平均断后伸长率为10%,为母材铝的87%,拉伸断裂于铜侧母材,断裂方式为韧性断裂。

焊接参数对搅拌摩擦焊接AA2219-T87材料韧性、洋葱圆环的断裂行为的影响（英文）

与熔焊相比,搅拌摩擦焊可以更好地保持材料的韧性和塑性,提高焊接的抗裂稳定性。本研究旨在提高焊接接头的延性和强度。刀具廓形在保持延性、分析金属流动行为和确定断裂起始点等方面起着重要作用。分析了洋葱圆环不同区域的微观结构,得出了洋葱圆环强度与金属流型的关系。结果表明,洋葱圆环强化了焊缝熔核。肩部和锥形螺纹型线刀具具有优异的力学性能。显微硬度数据表明,断口经过热影响区和热机械影响区等低硬度区。扫描电镜图像显示了细长的晶粒和韧窝,证实了断裂为韧性断裂。

6005A FSW接头金属运动行为研究

采用搅拌摩擦焊对6005A进行焊接,并对垂直、平行焊接方向接头不同区域的组织进行研究。结果表明:搅拌摩擦焊接头前进侧金属运动迹象大于后退侧,前进侧"匙孔"边缘底部基本保留了搅拌针形貌;在垂直焊缝方向,前进侧晶粒呈明暗带状分布的"洋葱环"结构,距离焊缝中心越远越明显,后退侧组织致密且过渡平缓;在平行焊缝方向,前进侧边缘塑性金属运动痕迹强烈,为连续锯齿状形貌,该形貌向焊缝中心逐渐减弱并消失于后退侧。