鋁合金T型接頭攪拌摩擦焊工藝研究

攪拌摩擦焊具有熔化焊接無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此鋁合金攪拌摩擦焊引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文主要介紹了攪拌摩擦焊的工作原理和接頭性能影響因素．詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織、接頭力學(xué)性能和塑性流動(dòng)機(jī)理以及攪拌摩擦焊焊接缺陷修補(bǔ)技術(shù)，指出了在塑型金屬流動(dòng)方面存在的不足，還需要進(jìn)一步研究焊接接頭質(zhì)量的評(píng)定方法和攪拌摩擦焊接頭缺陷的修補(bǔ)技術(shù)。

攪拌摩擦焊是一種由英國(guó)焊接研究所研發(fā)的固相新型焊接方式。低的焊接溫度、小的熱輸入量、接頭強(qiáng)度較高以及在攪拌摩擦焊接過(guò)程中金屬材料不發(fā)生變化,這些優(yōu)點(diǎn)使得攪拌摩擦焊比其他的傳統(tǒng)熔化焊更易于推廣。從攪拌摩擦焊在焊接過(guò)程中的攪拌頭和焊接工藝方面出發(fā),研究攪拌摩擦焊的成型規(guī)律。

攪拌摩擦焊具有熔化焊接無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn),因此鋁合金攪拌摩擦焊引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文主要介紹了攪拌摩擦焊的工作原理和接頭性能影響因素,詳細(xì)介紹了國(guó)內(nèi)外鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織、接頭力學(xué)性能和塑性流動(dòng)機(jī)理以及攪拌摩擦焊焊接缺陷修補(bǔ)技術(shù),指出了在塑型金屬流動(dòng)方面存在的不足,還需要進(jìn)一步研究焊接接頭質(zhì)量的評(píng)定方法和攪拌摩擦焊接頭缺陷的修補(bǔ)技術(shù)。

國(guó)內(nèi)對(duì)攪拌摩擦焊焊接參數(shù)(如進(jìn)給速度、旋轉(zhuǎn)速度)的研究比較多,但對(duì)工藝傾角的研究很少。本文采用攪拌摩擦焊方法對(duì)2519鋁合金進(jìn)行了焊接試驗(yàn),結(jié)果表明,工藝傾角也是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵性因素,工藝傾角在3°~5°區(qū)間時(shí),呈現(xiàn)出較好的焊縫性能,小于3°或大小5°,焊縫性能較差。

介紹了攪拌摩擦焊的原理、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用,并對(duì)該焊接方法的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

采用熱塑性塑料abs作為焊接材料,研究了攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)其焊接接頭力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明,工藝參數(shù)與性能之間有明顯的關(guān)聯(lián)性,采用1300r/min轉(zhuǎn)速、0.05mm下壓量、20mm/min焊接速度,接頭宏觀表面成型良好,且焊接后板材整體基本無(wú)翹曲,可以實(shí)現(xiàn)有效連接。斷面分析表明,在不同焊接參數(shù)下接頭斷裂方式不同,斷面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國(guó)攪拌摩擦焊中心）是中國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)先鋒和開拓者,秉持“航空?qǐng)?bào)國(guó)、強(qiáng)軍富民”的主體理念,已成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)大型飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機(jī)艙體、機(jī)翼結(jié)構(gòu)和雷達(dá)冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國(guó)武器裝備的制造技術(shù)水平。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國(guó)攪拌摩擦焊中心）是中國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)先鋒和開拓者,秉持“航空?qǐng)?bào)國(guó)、強(qiáng)軍富民”的主體理念,已成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)大型飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機(jī)艙體、機(jī)翼結(jié)構(gòu)和雷達(dá)冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國(guó)武器裝備的制造技術(shù)水平。

通過(guò)攪拌摩擦焊接頭硬度測(cè)試,確定了焊縫兩側(cè)軟化區(qū)分布區(qū)域;在軟化區(qū)埋設(shè)熱電偶,進(jìn)行攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn),檢測(cè)不同測(cè)溫點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。將焊后接頭進(jìn)行硬度測(cè)試,確定硬度最低點(diǎn)位置,對(duì)應(yīng)測(cè)溫孔分布位置,獲得軟化區(qū)硬度最低點(diǎn)熱循環(huán)曲線。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國(guó)攪拌摩擦焊中心）是中國(guó)攪拌摩擦焊技術(shù)先鋒和開拓者,秉持“航空?qǐng)?bào)國(guó)、強(qiáng)軍富民”的主體理念,已成功實(shí)現(xiàn)我國(guó)大型飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機(jī)艙體、機(jī)翼結(jié)構(gòu)和雷達(dá)冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國(guó)武器裝備的制造技術(shù)水平。

利用正交試驗(yàn)法研究了攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)20mm厚的5a06-h112鋁合金板接頭組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:焊接速度對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度影響最大,而攪拌頭軸肩直徑和旋轉(zhuǎn)速度依次減小;采用最優(yōu)組合參數(shù)焊接的試樣其抗拉強(qiáng)度可達(dá)365mpa;由于攪拌摩擦焊焊縫中前進(jìn)側(cè)的熔合過(guò)渡區(qū)的界面變化急劇,因此斷裂往往發(fā)生在該熔合過(guò)渡區(qū);隨著退火溫度升高,焊核原本細(xì)小的等軸晶粒開始長(zhǎng)大,并伴隨著β(mg2al3)相從α(al)基體中析出,雖然焊核的晶粒變得粗大,但焊縫的抗拉強(qiáng)度降低的幅度較小。

采用伸縮式攪拌頭對(duì)25mm板厚2219-t6鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊,在多道補(bǔ)焊時(shí)避免攪拌頭軸肩的二次下壓量造成的底部焊穿。對(duì)25mm板厚2219-t6攪拌摩擦焊焊縫的微觀組織、材料缺失型缺陷及弱連接型缺陷進(jìn)行觀察。結(jié)果表明:焊縫沿厚度方向分為軸肩影響區(qū)和攪拌針影響區(qū),焊接參數(shù)的變化與這兩區(qū)域中缺陷的產(chǎn)生存在一定關(guān)系,焊縫中的材料缺失型缺陷遵循一定的體積守恒關(guān)系。利用伸縮式攪拌頭制備不同尺寸的焊縫根部未焊透缺陷,發(fā)現(xiàn)未焊透的深度與焊縫抗拉強(qiáng)度呈非線性關(guān)系。在統(tǒng)一的焊接參數(shù)規(guī)范下,調(diào)整攪拌針伸出長(zhǎng)度進(jìn)行多道焊,研究多道補(bǔ)焊工藝對(duì)焊縫組織性能的影響。

利用自行研制的攪拌摩擦焊機(jī)采用一種攪拌摩擦焊外側(cè)角接的新方法對(duì)厚度為22mm的2519鋁合金進(jìn)行了角接焊接試驗(yàn),并對(duì)焊縫的微觀組織、硬度等進(jìn)行了分析.分析了攪拌針斷裂原因及得出其斷裂方式為剪切斷裂.結(jié)果表明,攪拌摩擦焊外側(cè)角接焊接的方法能夠有效地進(jìn)行角接焊接;合理的焊接工藝和攪拌針形狀是焊接的關(guān)鍵;旋轉(zhuǎn)頻率在30～40rad/s,焊接速度在90～120mm/min的范圍內(nèi)都可以獲得良好的接頭外觀.

采用攪拌摩擦焊方法對(duì)厚度為1.8mm2024-t4鋁合金薄板進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn),通過(guò)高壓水冷裝置來(lái)控制由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的失穩(wěn)翹曲變形,并對(duì)焊縫的微觀組織與力學(xué)性能進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:用攪拌摩擦焊方法焊接1.8mm厚的2024-t4鋁合金薄板可得到外表成形美觀、內(nèi)部無(wú)缺陷的平板對(duì)接接頭。在冷卻水壓為0.4mpa、攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為2100r/min、焊接速度為120mm/min時(shí),攪拌摩擦焊的焊接接頭強(qiáng)度可達(dá)到377.9mpa,達(dá)到母材強(qiáng)度的80.39%。

采用攪拌摩擦焊(fsw)技術(shù)對(duì)1mm厚6061-t6鋁合金薄板進(jìn)行了對(duì)接.研究了焊接工藝參數(shù)的范圍,實(shí)驗(yàn)測(cè)試了焊接接頭的強(qiáng)度、硬度和延伸率,利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡分析了接頭的微觀組織.結(jié)果表明:對(duì)于1mm厚度6061-t6鋁合金,fsw的最優(yōu)工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度1800r.min-1,焊接速度1000mm.min-1;在此參數(shù)下,接頭的硬度值達(dá)到母材的80%左右,抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的103%,延伸率達(dá)到母材的54%;接頭的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)相符.

攪拌摩擦焊(frictionstirwelding.簡(jiǎn)稱fsw)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件磨擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化的新型固相連接工藝。它可以對(duì)多種熔化焊接性差的有色金屬等材料進(jìn)行可靠的連接,而且連接工藝簡(jiǎn)單,有較好的工藝適應(yīng)性。本文在總結(jié)攪拌摩擦焊研究成果的基礎(chǔ)上,論述了攪拌摩擦焊的基本原理和特點(diǎn),闡述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外攪拌摩擦焊工藝參數(shù)、接頭微觀組織、焊接成形機(jī)理等方面的研究現(xiàn)狀,并展望fsw的應(yīng)用前景。

為了保證軌道車輛在其制造階段中,鋁合金材質(zhì)側(cè)墻結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接操作中所使用的工裝能在利用率、操控質(zhì)量、焊接便捷性等方面有所提升,目前出現(xiàn)了柔性類型的工裝結(jié)構(gòu),并通過(guò)這一結(jié)構(gòu)的使用大大的強(qiáng)化了焊接操作中工裝的各方面性能.本文就軌道車輛在其制造階段中鋁合金材質(zhì)側(cè)墻結(jié)構(gòu)攪拌摩擦焊接操作中所使用的柔性工裝進(jìn)行了分析.

根據(jù)已研制的三維數(shù)控焊攪拌摩擦焊機(jī)結(jié)構(gòu),研究了攪拌頭長(zhǎng)度補(bǔ)償模型,給出了攪拌頭長(zhǎng)度補(bǔ)償計(jì)算公式及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

選用yg8硬質(zhì)合金作為摩擦頭材料進(jìn)行低碳鋼的攪拌摩擦焊試驗(yàn)。采用游標(biāo)卡尺測(cè)量工具、x射線衍射儀和能譜儀等分析摩擦頭在焊接過(guò)程中的主要失效形式。結(jié)果表明,yg8硬質(zhì)合金摩擦頭在低碳鋼的攪拌摩擦焊過(guò)程中的主要失效形式為機(jī)械磨損、氧化剝落、攪拌針脆性斷裂和軸肩變形失效等。引起失效的主要原因是摩擦頭長(zhǎng)時(shí)間的高溫高壓摩擦,導(dǎo)致粘結(jié)相co分布不均勻或部分?jǐn)U散流失,嚴(yán)重破壞了硬質(zhì)合金的骨架模型;失效后摩擦頭組織中出現(xiàn)了游離碳和硬脆相co6w6c,減弱粘結(jié)相co對(duì)基體相碳化鎢的固溶強(qiáng)化作用,最終導(dǎo)致摩擦頭的硬度、強(qiáng)度和耐磨性等下降。

將一塊厚4mm的lf5鋁板與兩塊厚2mm的6063鋁板組成異種鋁合金對(duì)搭接復(fù)合接頭,進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)并優(yōu)化焊接參數(shù),獲得優(yōu)質(zhì)焊縫。重點(diǎn)研究攪拌頭轉(zhuǎn)速、攪拌針偏移量對(duì)復(fù)合接頭抗拉強(qiáng)度的影響,并對(duì)焊縫表面及橫截面宏觀形貌、焊縫"洋蔥環(huán)"組織形貌、焊縫缺陷等進(jìn)行觀察。分析在攪拌針選取不同偏移量的條件下,雙層板一側(cè)的搭接界面遷移行為的變化,及其影響焊縫抗拉強(qiáng)度的原因。在優(yōu)化后的攪拌摩擦焊工藝參數(shù)下,實(shí)驗(yàn)獲得的復(fù)合接頭最高強(qiáng)度系數(shù)可達(dá)到6063鋁合金母材的72%。

對(duì)t2紫銅的攪拌摩擦焊技術(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,對(duì)其基本工藝、接頭組織和性能等進(jìn)行了初步分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,用攪拌摩擦焊方法焊接6mm厚的t2紫銅板,當(dāng)焊接規(guī)范合適時(shí),可得到成形美觀、內(nèi)部無(wú)缺陷、幾乎不變形的平板對(duì)接接頭;攪拌摩擦焊接頭的抗拉強(qiáng)度可達(dá)母材的90%;攪拌摩擦焊接頭的電阻率與母材基本相同。

采用激光-電阻復(fù)合焊接方法進(jìn)行鋁合金t型接頭焊接工藝試驗(yàn),對(duì)激光-電阻復(fù)合焊接過(guò)程中的主要焊接工藝參數(shù):滾輪電極形狀、電流大小和激光功率對(duì)焊縫成形及接頭性能的影響進(jìn)行分析,并優(yōu)化工藝參數(shù)以獲得良好的焊縫成形和優(yōu)質(zhì)焊接接頭。試驗(yàn)結(jié)果表明:采用弧形端面滾輪電極,在合適的電流和激光功率參數(shù)條件下,激光-電阻復(fù)合焊接t型接頭不僅可以降低接頭搭接面的間隙,而且改善焊縫成形,增加搭接面的焊縫寬度,使t型接頭的拉伸剪切載荷與單獨(dú)激光焊接相比得到顯著提高。激光-電阻復(fù)合焊接有效改善了激光焊接存在的一些不足,拓展了激光焊接的工業(yè)應(yīng)用范圍。