焊接 2004(12)
·5·
专题综述
中国搅拌摩擦焊技术的研究
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001) 刘会杰 陈迎春 冯吉才
摘要 综合评述了我国搅拌摩擦焊的研究成果和不足之处,包括接头的微观组织和力学性能、材料的流动行为、焊接热循环和温度场以及焊接设备等方面的内容。在此基础上,指出了进一步研究的方向,例如,微观组织研究应深入到沉淀相、织构和位错的尺度上,接头性能研究应从工程应用角度出发,材料流动行为和温度分布研究的重点应放在更深层次的理论研究和分析上。
关键词: 搅拌摩擦焊接 微观组织 力学性能 材料流动 温度场 焊接设备
REVIEWOFPROGRESSINFRICTIONSTIRWELDINGINCHINA
StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProduction Technology,HarbinInstituteofTechnology LiuHuijie,ChenYingchun,FengJicai
Abstract Inthepaper,theresearchstatusquoofFSWtechnologyinChinaisreviewedfromtheaspectsofmicrostructuralcharacteristics,mechanicalproperties,materialflowbehavior,weldingtemperaturefieldandFSWequipment.Basedonthis,afurtherresearchdirectionispointedout.Thatistosay,microstructuralstudiesshouldbeplacedontheprecipitate,textureanddislocation;mechanicalpropertiesshouldbeexaminedfromtheviewpointofengineeringapplications;theoreticalanalysesshouldbecometheemphasesofmaterialflowandtemperaturefieldstudies.
Keywords: frictionstirwelding, microstructure, mechanicalproperties, materialflowbehavior, welding
temperaturefield, weldingequipment
0 前 言
搅拌摩擦焊技术是在世界范围获得专利保护的新型固相连接技术[1],也是世界焊接技术发展史上自发明到应用时间跨度最短的一项连接技术。由于在制造成本和焊接质量等方面具有许多优越性,这项技术一直受到宇航制造业的密切关注和支持,并于1996年将搅拌摩擦焊技术成功应用到宇航领域[2]。在我国,直到1998年才开始进行搅拌摩擦焊技术研究。近年来,随着人们对其优越性的不断认识,许多高校、科研院所及企业都纷纷涉足搅拌摩擦焊领域,这些研究单位包括北京搅拌摩擦焊中心、哈尔滨工业大学、南昌航空工业学院、西北工业大学、大连铁道学院、上海交通大学、华东船舶工业学院、兰州理工大学、清华大学、中南大学织[3～14]、接头力学性能[4～14]、材料流动行为[15,16]、焊接温度场和热循环及焊接设备等。本文将从
这几个方面出发,对我国搅拌摩擦焊技术的研究情况进行简要评述。1 接头微观组织
在搅拌摩擦焊中,利用高速旋转的焊具(也称搅拌头)与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化,当焊具沿着焊接界面向前移动时,塑化材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部移向后部,并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。在这种热、机联合作用下,接头中出现了四个不同的微观组织区,即焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和未受影响的母材区(BMZ),见图1a[4]和1b[5]。
[3～11]
[17～19]
[20,21]
[12,13]
[14]
·6·
果表明,WNZ金属在焊具的强烈搅拌摩擦作用下发生显著的塑性变形和完全的动态再结晶,形成细小、等轴晶粒的微观组织;邻近WNZ的外围区域为TMAZ,此区金属在焊具的热机作用下发生不同程度的塑性变形和部分再结晶,形成由弯曲而拉长晶粒组成的微观组织;在TMAZ以外的部分区域为HAZ,该区金属没有受到焊具的机械搅拌作用,只在摩擦热循环的作用下发生了晶粒长大现象,形成了粗晶的微观组织;HAZ以外为金属未受任何热机影响的BMZ,其微观组织和力学性能均未发生变化。
应当指出,并不是所有搅拌摩擦焊接头都能明显区分出上述四个区域。比如,在A1050铝合金的搅拌摩擦焊接头中,很难观察到WNZ和TMAZ的界限,因而将二者统称为焊缝区(WZ),见图1c;同样,在A5083铝合金的搅拌摩擦焊接头中,TMAZ和HAZ的界限也不清晰,因而将二者统称为过渡区(TZ),见图1d[7]。除此之外,搅拌摩擦焊存在焊接方向与焊具回转方向匹配问题,每个焊缝或接头都有一个前进侧和一个退出侧。由于焊缝金属在前进侧和退出侧的塑性流动行为有所不同,因而会造成焊缝两侧同名区域的微观组织和形态有所不同,最终导致焊缝两侧的力学性能也存在差异[4～6]。
[6]
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总之,国内对于接头微观组织的研究还只局限在上述四个微观区域的整体形貌上,最多也只涉及了晶粒的形态和尺寸。对接头更细微的组织结构,如晶粒取向、
织构、位错密度、强化相的溶解、新相的析出和长大等方面的研究还未进行,因而难以从微观组织演变的角度考察过程参数对接头力学性能的影响。因此,与国外相比,这方面的研究差距还很大,需要我们开展更为深入细致的研究。2 接头力学性能
从国外的研究情况来看,搅拌摩擦焊方法能够焊接所有系列的铝合金,特别是那些难于熔焊的、在宇航结构件中经常使用的、热处理强化的高强铝合金。目前,国内用于搅拌摩擦焊研究的铝合金主要包括工业纯铝[6]、防锈铝[7,9]、硬铝[4,10,20]、超硬铝[20]、锻铝[5,11,20]和铸铝[8]等。除铝合金外,对镁合金[12,13]和铜合金[14]也开展了初步的搅拌摩擦焊研究。板材厚度一般介于3～6mm之间,接头形式多为对接。表1给出了各种材料及其搅拌摩擦焊接头的力学性能。
由表1可以看出,无论哪种材料,包括难于熔焊的硬铝和超硬铝,其搅拌摩擦焊接头的拉伸强度均能达到母材的70%以上。对于LF6和AC4A的搅拌摩擦焊,甚至可以得到与母材等强的接头[8,9]。接头性能的具体数值,除了与母材本身的性能有关外,在很大程度上还取决于搅拌摩擦焊工艺参数。通过研究焊接速度、焊具转速、轴向压力、焊具倾角以及焊具几何参数对接头性能的影响规律,并进行参数优化,可以找到最佳的焊接参数匹配区间。当以这个区间内的参数进行搅拌摩擦焊时,可以获得最佳性能的搅拌摩擦焊接头。
对搅拌摩擦焊接头横截面进行微观硬度测试表明,微观硬度在接头各个微观组织区域的分布是不均匀的,如图2。其中,HAZ的硬度由于晶粒粗化和强化相的溶解而显著降低,从而成为接头最薄弱的环节。因此,如何控制搅拌摩擦焊过程中的热输入以减小对接头的软化作用,是获得高强度搅拌摩擦焊接头的关键。在保证焊缝成形和没有缺陷的前提下,应尽量降低对母材的热输入,亦即尽量增大焊接速度对焊具转速的比值。
目前我国所开展的搅拌摩擦焊研究主要集中在如铝合金、镁合金以及紫铜等易于成形的材料上,还未见到对钛合金、不锈钢、铝基复合材料进行搅拌摩擦焊的报道。对于接头性能的研究,主要以拉伸测试为主,有
[4,5]
图1 搅拌摩擦焊接头的微观组织区
的也涉及了弯曲测试,但对接头其它性能的研究还很
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表1 搅拌摩擦焊接头/母材的力学性能
母材A1050A5083LF6A2017A2024LY12LC4A6061LD10LD31AC4AAZ31MB8T2
抗拉强度σb/MPa
84/106264/361340/342354/428137/185425/470420/565238/309365/480162/200150/150235/259172/226270/300
屈服强度σ0.2/MPa
51/68146/237158/—273/319—320/—301/515164/278319/418—85/81———
延伸率δ(%)20.6/18.610.7/16.3
—3.3/23.8
———4.8/13.0
——1.6/1.9———
·7·
参考文献号
679410——511—8121314
而这些性能恰恰是搅拌摩擦焊接头获得实际应用不可缺少的考核指标。因此,在研究搅拌摩擦焊工艺参数对接头性能的影响规律并进行参数优化时,需要从工程应用的角度加以全面检查和评定,由此获得的试验数据才更具有应用价值,从而加速搅拌摩擦焊方法在我国实用
化的步伐。3 材料流动行为
在搅拌摩擦焊过程中,材料的流动行为是影响接头微观组织进而决定接头性能的一个关键因素。采用试验或模拟的方法对材料流动行为进行研究,已经成为搅拌摩擦焊方法发展进程中的一个热点问题,我国在这方面也开展了初步的研究工作
[15,16]
。
有人采用紫铜作标示材料,研究其在LF6铝合金搅拌摩擦焊焊缝中的流动痕迹时,发现材料流动相对于焊缝中心是不对称的[15]。也就是说,在前进侧有部分材料向前流动,也有部分材料向后流动,并在该侧发生较大程度的混合;而在退出侧,材料只是向后流动,且有部分材料进入前进侧。在试验结果的基础上,提出了一个二维挤压流动模型,在某种程度上解释了试验现象。
图2 搅拌摩擦焊接头的微观硬度分布
对Al2024/Al6061进行的”开敞式”和”插入式”搅拌摩擦焊试验表明,在没有焊具肩部的摩擦和挤压作用,前进
少
·8·
侧因没有金属填充而留下空洞;只有当焊具肩部的摩擦和挤压作用足够时,塑化金属才能由焊缝的退出侧再向前进侧流动,从而充分填满前进侧,形成致密的焊缝。此外,通过”急停式”搅拌摩擦焊试验表明,焊具前上部区域的塑化金属主要向下流动,焊具前下部区域的塑化金属主要沿焊具由退出侧向前进侧流动;焊具后部区域上层的塑化金属有向前、向上流动的趋势,而焊具附近后面中下部区域的塑化金属则向下、向后流动[16]。
材料流动行为研究在国外已经成为热点问题,但在国内进行的研究还较少,所取得的结果也多见于对试验现象的观察和分析,缺少数值模拟及更深层次的理论研究,所提出的机理模型也过于简化。比如,上面提到的二维挤压流动模型,完全忽略了焊具肩部对材料流动行为的影响,与搅拌摩擦焊实际过程有很大出入,因而是非常粗糙的。4 热循环和温度场
伴随搅拌摩擦焊过程所产生的热循环和温度场,通过影响材料的流动行为和接头的微观组织状态而影响接头的性能。在接头的形成过程中,温度过高或过低都不利于获得高强度的搅拌摩擦焊接头。因此,对于热循环和温度场的实际测量或模拟分析是很有意义的。我国在这方面虽然起步较晚,但也获得了很有成效的研究结果[17～19]。
对搅拌摩擦焊产生的热循环和温度场进行测试分析表明,在搅拌摩擦焊过程中的峰值温度低于母材的熔点,且出现在焊具与母材接触的肩部位置,并随距母材表面深度的增加而降低。这说明在搅拌摩擦焊过程中确实没有熔化现象,热源主要产生在焊具的肩部位置。此外,焊具转速和轴向压力增加也使给定点处的温度增加,这说明焊接参数影响搅拌摩擦焊的温度分布。
上海交通大学的汪建华教授提出了一个基于热弹塑性有限元方法的三维传热计算模型,且计算结果与试验数据相一致[18]。分析发现,工件表面上的峰值温度并不出现在焊缝中心,而是位于焊缝中心与焊具肩部外圆之间的一定距离处,这说明搅拌摩擦焊方法给工件带来的温度分布特征与熔焊方法有所不同。值得说明的是,上述热源模型中假设焊具输入的总热量是常数,且其取值根据实测温度来校核,因而计算结果与试验结果相一致是必然的。但这样的假设掩[17]
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热不同这一实际情况,同时也降低了焊具针部对工件的产热贡献,因而难以准确描述焊缝中心附近的温度分布。针对这个问题,南昌航空工业学院的张彦富等人从产热的本质出发,建立了较为完善的三维温度场计算模
型,并采用ANSYS有限元软件进行了模拟分析[19]。结果表明,搅拌摩擦焊的热源主要由焊具肩部与工件上表面的摩擦产生,焊具针部与工件摩擦产生的热量很小;工件上表面的温度比下表面高,其高温区也比下表面宽;焊具后方温度比前方高,其高温区也比前方宽。5 焊接设备
搅拌摩擦焊接设备是控制搅拌摩擦焊工艺过程从而获得搅拌摩擦焊接头的物质基础,它包括焊机和焊具两个方面。焊机一般由专业生产公司来提供,也有用户采用铣床改制的,而焊具一般由用户自己设计制作,也可从生产公司购置。
目前,国外已经有很多设计制造搅拌摩擦焊机和焊具的专业生产公司,而我国仅有一家被授权制造这种焊接设备的公司,即中国搅拌摩擦焊中心北京赛福斯特技术有限公司。因此,除南昌航空工业学院、大连铁道学院和西北工业大学等利用改装或自制设备进行搅拌摩擦焊研究外,哈尔滨工业大学、华东船舶工业学院及兰州理工大学等七个单位所用设备均由该公司提供。针对不同用户或不同产品已经开发出了C型、龙门式和悬臂式三个系列的搅拌摩擦焊机(包括工装)。这些焊机主要用于1～20mm厚的铝合金和镁合金的焊接,焊接速度为1～1000mm/min,焊缝类型为直缝和环缝。
焊具是搅拌摩擦焊设备极其重要的组成部分,整个搅拌摩擦焊过程都是通过它最终实现的,因而它对搅拌摩擦焊接头的表面成形和内在质量有决定性影响。正因为这样,围绕焊具设计和制作的研究工作一直在进行,我国在这方面也取得了较大的进展。比如,中国搅拌摩擦焊中心在相继研制了C型、W型和T型三种通用焊具后,又研制出一种适用于厚板一次成形焊接的V型特种焊具,还开发出了能够实现无匙孔搅拌摩擦焊的焊针可回抽式焊具。再如,哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室在优化设计的基础上,开发了用于超高强度铝合金搅拌摩擦焊的专用焊具,并与日本大阪大学接合科学研究所合作研制了用于铝基复合材料搅拌摩擦焊的专用焊具[20,21]。
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7 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Studyoffrictionstirweldingof
AA5083aluminumalloy.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2003,13:14～17
8 LiuHJ,FujiiH,NogiK.Microstructuresandmechanicalproper-tiesoffrictionstirweldedjointofAC4Acastaluminumalloy.Mate-rialsScienceandTechnology,2003,20(3):399～402 9 邢 丽,柯黎明,周细应等.防锈铝LF6的固态塑性连接工
艺.中国有色金属学报,2002,12(6):1162～116610 彭成章,周鹏展,黄明辉.2024铝合金的搅拌摩擦焊接工
艺及显微组织.湘潭矿业学院学报,2002,17(2):37～3911 邢 丽,柯黎明,刘鸽平等.铝合金LD10的搅拌摩擦焊组
织及性能分析.焊接学报,2002,23(6):55～58
12 张 华,林三宝,吴 林等.镁合金AZ31搅拌摩擦焊接头
的微观组织.中国有色金属学报,2003,13(6):1510～1513
13 邢 丽,柯黎明,孙德超等.镁合金薄板的搅拌摩擦焊工
艺.焊接学报,2001,22(6):18～20
14 邢 丽,孙德超,柯黎明等.紫铜搅拌摩擦焊接工艺研究及
接头组织分析.机械科学与技术,2003,22(6):986～98815 黄奉安,邢 丽,柯黎明等.搅拌摩擦焊焊缝材料二维塑性
流动研究.南昌航空工业学院学报(自然科学版),2003,17(3):17～19
16 栾国红.搅拌摩擦焊流变特性研究.航空制造技术,2003,
(11):22～25
17 周细应,柯黎明,刘鸽平等.搅拌摩擦焊的温度分析.新技
术新工艺,2003,(10):32～33
18 汪建华,姚 舜,魏良武等.搅拌摩擦焊接的传热和力学计
算模型.焊接学报,2000,21(4):61～64
19 张彦富,柯黎明,孙德超等.搅拌摩擦焊焊缝区温度分布及
对材料流动的影响.南昌航空工业学院学报(自然科学版),2003,17(3):12～16
20 LiuHJ,FujiiH,NogiK.Wearbehaviorofhardalloytoolsinthe
frictionstirweldingofAC4A+30%SiCmetalmatrixcomposite.Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonFrictionStirWelding.Metz,France,2004.
21 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Toolwearinthefrictionstir
weldingofanaluminummatrixcomposite.Proceedingsofthe2004NationalSpringMeetingofJapanWeldingSociety.Tokyo,Japan,2004,74:130～131
(收稿日期 2004 08 10)
6 结 论
综上所述,在搅拌摩擦焊技术的发展进程中,虽然我国处于起步阶段,但在许多单位的努力下仍然获得了很有成效的研究结果。然而,从总的情况来看,研究力量分散,在研究的深度和广度上还有待开展进一步的研究工作,具体内容如下:
(1)微观组织研究应深入到沉淀相、织构和位错的尺度上,以便正确理解和把握材料性能在搅拌摩擦焊中的转变特征;(2)接头性能研究应从工程应用角度出发,以便于搅拌摩擦焊方法尽快在我国实用化;
(3)材料流动行为和温度分布研究的重点应放在更深层次的理论研究和分析上,以便深入了解搅拌摩擦焊焊缝的形成机制;
(4)试验材料应向钛合金、不锈钢和铝基复合材料等难焊材料扩展,进而推动专用搅拌摩擦焊具设计和制备技术的发展;(5)应开发出具有载荷、位移和温度控制及显示功能的搅拌摩擦焊机,从而提高搅拌摩擦焊接头的焊接质量。
参
考
文
献
1 ThomasWM,NicholasED,NeedhamJC,etal.International
patentapplicationPCT/GB92/02203andGBpatentapplication9125978.8.UKPatentOffice.London,1991-12-06. 2 JohnsenMR.FrictionstirweldingtakesoffatBoeing.Welding
Journal,1999,78(2):35～39
3 王大勇,冯吉才,狄 欧等.铝合金搅拌摩擦焊接头焊核
区等轴再结晶组织的形成机制.焊接学报,2003,24(4):33～35
4 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Tensilepropertiesandfracture
locationsoffrictionstirweldedjointsof2017-T351aluminumal-loy.JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,142(3):692～696
5 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Tensilepropertiesandfracture
locationsoffrictionstirweldedjointsof6061-T6aluminumalloy.JournalofMaterialsScienceLetters,2003,22(15):1601～1603
6 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Mechanicalpropertiesoffric-tionstirweldedjointsof1050-H24aluminumalloy.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2003,8(6):450～454
作者简介: 刘会杰,1962年出生,博士/博士后,教授,主要从事
特种连接技术研究。获科技奖励6项及中国专利1项,发表论文100余篇,其中SCI和EI检索分别为24篇和26篇,参编焊接和钎焊手册2部。
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专题综述
中国搅拌摩擦焊技术的研究
哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室(150001) 刘会杰 陈迎春 冯吉才
摘要 综合评述了我国搅拌摩擦焊的研究成果和不足之处,包括接头的微观组织和力学性能、材料的流动行为、焊接热循环和温度场以及焊接设备等方面的内容。在此基础上,指出了进一步研究的方向,例如,微观组织研究应深入到沉淀相、织构和位错的尺度上,接头性能研究应从工程应用角度出发,材料流动行为和温度分布研究的重点应放在更深层次的理论研究和分析上。
关键词: 搅拌摩擦焊接 微观组织 力学性能 材料流动 温度场 焊接设备
REVIEWOFPROGRESSINFRICTIONSTIRWELDINGINCHINA
StateKeyLaboratoryofAdvancedWeldingProduction Technology,HarbinInstituteofTechnology LiuHuijie,ChenYingchun,FengJicai
Abstract Inthepaper,theresearchstatusquoofFSWtechnologyinChinaisreviewedfromtheaspectsofmicrostructuralcharacteristics,mechanicalproperties,materialflowbehavior,weldingtemperaturefieldandFSWequipment.Basedonthis,afurtherresearchdirectionispointedout.Thatistosay,microstructuralstudiesshouldbeplacedontheprecipitate,textureanddislocation;mechanicalpropertiesshouldbeexaminedfromtheviewpointofengineeringapplications;theoreticalanalysesshouldbecometheemphasesofmaterialflowandtemperaturefieldstudies.
Keywords: frictionstirwelding, microstructure, mechanicalproperties, materialflowbehavior, welding
temperaturefield, weldingequipment
0 前 言
搅拌摩擦焊技术是在世界范围获得专利保护的新型固相连接技术[1],也是世界焊接技术发展史上自发明到应用时间跨度最短的一项连接技术。由于在制造成本和焊接质量等方面具有许多优越性,这项技术一直受到宇航制造业的密切关注和支持,并于1996年将搅拌摩擦焊技术成功应用到宇航领域[2]。在我国,直到1998年才开始进行搅拌摩擦焊技术研究。近年来,随着人们对其优越性的不断认识,许多高校、科研院所及企业都纷纷涉足搅拌摩擦焊领域,这些研究单位包括北京搅拌摩擦焊中心、哈尔滨工业大学、南昌航空工业学院、西北工业大学、大连铁道学院、上海交通大学、华东船舶工业学院、兰州理工大学、清华大学、中南大学织[3～14]、接头力学性能[4～14]、材料流动行为[15,16]、焊接温度场和热循环及焊接设备等。本文将从
这几个方面出发,对我国搅拌摩擦焊技术的研究情况进行简要评述。1 接头微观组织
在搅拌摩擦焊中,利用高速旋转的焊具(也称搅拌头)与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化,当焊具沿着焊接界面向前移动时,塑化材料在焊具的转动摩擦力作用下由焊具的前部移向后部,并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。在这种热、机联合作用下,接头中出现了四个不同的微观组织区,即焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和未受影响的母材区(BMZ),见图1a[4]和1b[5]。
[3～11]
[17～19]
[20,21]
[12,13]
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果表明,WNZ金属在焊具的强烈搅拌摩擦作用下发生显著的塑性变形和完全的动态再结晶,形成细小、等轴晶粒的微观组织;邻近WNZ的外围区域为TMAZ,此区金属在焊具的热机作用下发生不同程度的塑性变形和部分再结晶,形成由弯曲而拉长晶粒组成的微观组织;在TMAZ以外的部分区域为HAZ,该区金属没有受到焊具的机械搅拌作用,只在摩擦热循环的作用下发生了晶粒长大现象,形成了粗晶的微观组织;HAZ以外为金属未受任何热机影响的BMZ,其微观组织和力学性能均未发生变化。
应当指出,并不是所有搅拌摩擦焊接头都能明显区分出上述四个区域。比如,在A1050铝合金的搅拌摩擦焊接头中,很难观察到WNZ和TMAZ的界限,因而将二者统称为焊缝区(WZ),见图1c;同样,在A5083铝合金的搅拌摩擦焊接头中,TMAZ和HAZ的界限也不清晰,因而将二者统称为过渡区(TZ),见图1d[7]。除此之外,搅拌摩擦焊存在焊接方向与焊具回转方向匹配问题,每个焊缝或接头都有一个前进侧和一个退出侧。由于焊缝金属在前进侧和退出侧的塑性流动行为有所不同,因而会造成焊缝两侧同名区域的微观组织和形态有所不同,最终导致焊缝两侧的力学性能也存在差异[4～6]。
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总之,国内对于接头微观组织的研究还只局限在上述四个微观区域的整体形貌上,最多也只涉及了晶粒的形态和尺寸。对接头更细微的组织结构,如晶粒取向、
织构、位错密度、强化相的溶解、新相的析出和长大等方面的研究还未进行,因而难以从微观组织演变的角度考察过程参数对接头力学性能的影响。因此,与国外相比,这方面的研究差距还很大,需要我们开展更为深入细致的研究。2 接头力学性能
从国外的研究情况来看,搅拌摩擦焊方法能够焊接所有系列的铝合金,特别是那些难于熔焊的、在宇航结构件中经常使用的、热处理强化的高强铝合金。目前,国内用于搅拌摩擦焊研究的铝合金主要包括工业纯铝[6]、防锈铝[7,9]、硬铝[4,10,20]、超硬铝[20]、锻铝[5,11,20]和铸铝[8]等。除铝合金外,对镁合金[12,13]和铜合金[14]也开展了初步的搅拌摩擦焊研究。板材厚度一般介于3～6mm之间,接头形式多为对接。表1给出了各种材料及其搅拌摩擦焊接头的力学性能。
由表1可以看出,无论哪种材料,包括难于熔焊的硬铝和超硬铝,其搅拌摩擦焊接头的拉伸强度均能达到母材的70%以上。对于LF6和AC4A的搅拌摩擦焊,甚至可以得到与母材等强的接头[8,9]。接头性能的具体数值,除了与母材本身的性能有关外,在很大程度上还取决于搅拌摩擦焊工艺参数。通过研究焊接速度、焊具转速、轴向压力、焊具倾角以及焊具几何参数对接头性能的影响规律,并进行参数优化,可以找到最佳的焊接参数匹配区间。当以这个区间内的参数进行搅拌摩擦焊时,可以获得最佳性能的搅拌摩擦焊接头。
对搅拌摩擦焊接头横截面进行微观硬度测试表明,微观硬度在接头各个微观组织区域的分布是不均匀的,如图2。其中,HAZ的硬度由于晶粒粗化和强化相的溶解而显著降低,从而成为接头最薄弱的环节。因此,如何控制搅拌摩擦焊过程中的热输入以减小对接头的软化作用,是获得高强度搅拌摩擦焊接头的关键。在保证焊缝成形和没有缺陷的前提下,应尽量降低对母材的热输入,亦即尽量增大焊接速度对焊具转速的比值。
目前我国所开展的搅拌摩擦焊研究主要集中在如铝合金、镁合金以及紫铜等易于成形的材料上,还未见到对钛合金、不锈钢、铝基复合材料进行搅拌摩擦焊的报道。对于接头性能的研究,主要以拉伸测试为主,有
[4,5]
图1 搅拌摩擦焊接头的微观组织区
的也涉及了弯曲测试,但对接头其它性能的研究还很
焊接 2004(12)
表1 搅拌摩擦焊接头/母材的力学性能
母材A1050A5083LF6A2017A2024LY12LC4A6061LD10LD31AC4AAZ31MB8T2
抗拉强度σb/MPa
84/106264/361340/342354/428137/185425/470420/565238/309365/480162/200150/150235/259172/226270/300
屈服强度σ0.2/MPa
51/68146/237158/—273/319—320/—301/515164/278319/418—85/81———
延伸率δ(%)20.6/18.610.7/16.3
—3.3/23.8
———4.8/13.0
——1.6/1.9———
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参考文献号
679410——511—8121314
而这些性能恰恰是搅拌摩擦焊接头获得实际应用不可缺少的考核指标。因此,在研究搅拌摩擦焊工艺参数对接头性能的影响规律并进行参数优化时,需要从工程应用的角度加以全面检查和评定,由此获得的试验数据才更具有应用价值,从而加速搅拌摩擦焊方法在我国实用
化的步伐。3 材料流动行为
在搅拌摩擦焊过程中,材料的流动行为是影响接头微观组织进而决定接头性能的一个关键因素。采用试验或模拟的方法对材料流动行为进行研究,已经成为搅拌摩擦焊方法发展进程中的一个热点问题,我国在这方面也开展了初步的研究工作
[15,16]
。
有人采用紫铜作标示材料,研究其在LF6铝合金搅拌摩擦焊焊缝中的流动痕迹时,发现材料流动相对于焊缝中心是不对称的[15]。也就是说,在前进侧有部分材料向前流动,也有部分材料向后流动,并在该侧发生较大程度的混合;而在退出侧,材料只是向后流动,且有部分材料进入前进侧。在试验结果的基础上,提出了一个二维挤压流动模型,在某种程度上解释了试验现象。
图2 搅拌摩擦焊接头的微观硬度分布
对Al2024/Al6061进行的”开敞式”和”插入式”搅拌摩擦焊试验表明,在没有焊具肩部的摩擦和挤压作用,前进
少
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侧因没有金属填充而留下空洞;只有当焊具肩部的摩擦和挤压作用足够时,塑化金属才能由焊缝的退出侧再向前进侧流动,从而充分填满前进侧,形成致密的焊缝。此外,通过”急停式”搅拌摩擦焊试验表明,焊具前上部区域的塑化金属主要向下流动,焊具前下部区域的塑化金属主要沿焊具由退出侧向前进侧流动;焊具后部区域上层的塑化金属有向前、向上流动的趋势,而焊具附近后面中下部区域的塑化金属则向下、向后流动[16]。
材料流动行为研究在国外已经成为热点问题,但在国内进行的研究还较少,所取得的结果也多见于对试验现象的观察和分析,缺少数值模拟及更深层次的理论研究,所提出的机理模型也过于简化。比如,上面提到的二维挤压流动模型,完全忽略了焊具肩部对材料流动行为的影响,与搅拌摩擦焊实际过程有很大出入,因而是非常粗糙的。4 热循环和温度场
伴随搅拌摩擦焊过程所产生的热循环和温度场,通过影响材料的流动行为和接头的微观组织状态而影响接头的性能。在接头的形成过程中,温度过高或过低都不利于获得高强度的搅拌摩擦焊接头。因此,对于热循环和温度场的实际测量或模拟分析是很有意义的。我国在这方面虽然起步较晚,但也获得了很有成效的研究结果[17～19]。
对搅拌摩擦焊产生的热循环和温度场进行测试分析表明,在搅拌摩擦焊过程中的峰值温度低于母材的熔点,且出现在焊具与母材接触的肩部位置,并随距母材表面深度的增加而降低。这说明在搅拌摩擦焊过程中确实没有熔化现象,热源主要产生在焊具的肩部位置。此外,焊具转速和轴向压力增加也使给定点处的温度增加,这说明焊接参数影响搅拌摩擦焊的温度分布。
上海交通大学的汪建华教授提出了一个基于热弹塑性有限元方法的三维传热计算模型,且计算结果与试验数据相一致[18]。分析发现,工件表面上的峰值温度并不出现在焊缝中心,而是位于焊缝中心与焊具肩部外圆之间的一定距离处,这说明搅拌摩擦焊方法给工件带来的温度分布特征与熔焊方法有所不同。值得说明的是,上述热源模型中假设焊具输入的总热量是常数,且其取值根据实测温度来校核,因而计算结果与试验结果相一致是必然的。但这样的假设掩[17]
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热不同这一实际情况,同时也降低了焊具针部对工件的产热贡献,因而难以准确描述焊缝中心附近的温度分布。针对这个问题,南昌航空工业学院的张彦富等人从产热的本质出发,建立了较为完善的三维温度场计算模
型,并采用ANSYS有限元软件进行了模拟分析[19]。结果表明,搅拌摩擦焊的热源主要由焊具肩部与工件上表面的摩擦产生,焊具针部与工件摩擦产生的热量很小;工件上表面的温度比下表面高,其高温区也比下表面宽;焊具后方温度比前方高,其高温区也比前方宽。5 焊接设备
搅拌摩擦焊接设备是控制搅拌摩擦焊工艺过程从而获得搅拌摩擦焊接头的物质基础,它包括焊机和焊具两个方面。焊机一般由专业生产公司来提供,也有用户采用铣床改制的,而焊具一般由用户自己设计制作,也可从生产公司购置。
目前,国外已经有很多设计制造搅拌摩擦焊机和焊具的专业生产公司,而我国仅有一家被授权制造这种焊接设备的公司,即中国搅拌摩擦焊中心北京赛福斯特技术有限公司。因此,除南昌航空工业学院、大连铁道学院和西北工业大学等利用改装或自制设备进行搅拌摩擦焊研究外,哈尔滨工业大学、华东船舶工业学院及兰州理工大学等七个单位所用设备均由该公司提供。针对不同用户或不同产品已经开发出了C型、龙门式和悬臂式三个系列的搅拌摩擦焊机(包括工装)。这些焊机主要用于1～20mm厚的铝合金和镁合金的焊接,焊接速度为1～1000mm/min,焊缝类型为直缝和环缝。
焊具是搅拌摩擦焊设备极其重要的组成部分,整个搅拌摩擦焊过程都是通过它最终实现的,因而它对搅拌摩擦焊接头的表面成形和内在质量有决定性影响。正因为这样,围绕焊具设计和制作的研究工作一直在进行,我国在这方面也取得了较大的进展。比如,中国搅拌摩擦焊中心在相继研制了C型、W型和T型三种通用焊具后,又研制出一种适用于厚板一次成形焊接的V型特种焊具,还开发出了能够实现无匙孔搅拌摩擦焊的焊针可回抽式焊具。再如,哈尔滨工业大学现代焊接生产技术国家重点实验室在优化设计的基础上,开发了用于超高强度铝合金搅拌摩擦焊的专用焊具,并与日本大阪大学接合科学研究所合作研制了用于铝基复合材料搅拌摩擦焊的专用焊具[20,21]。
焊接 2004(12)
·9·
7 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Studyoffrictionstirweldingof
AA5083aluminumalloy.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2003,13:14～17
8 LiuHJ,FujiiH,NogiK.Microstructuresandmechanicalproper-tiesoffrictionstirweldedjointofAC4Acastaluminumalloy.Mate-rialsScienceandTechnology,2003,20(3):399～402 9 邢 丽,柯黎明,周细应等.防锈铝LF6的固态塑性连接工
艺.中国有色金属学报,2002,12(6):1162～116610 彭成章,周鹏展,黄明辉.2024铝合金的搅拌摩擦焊接工
艺及显微组织.湘潭矿业学院学报,2002,17(2):37～3911 邢 丽,柯黎明,刘鸽平等.铝合金LD10的搅拌摩擦焊组
织及性能分析.焊接学报,2002,23(6):55～58
12 张 华,林三宝,吴 林等.镁合金AZ31搅拌摩擦焊接头
的微观组织.中国有色金属学报,2003,13(6):1510～1513
13 邢 丽,柯黎明,孙德超等.镁合金薄板的搅拌摩擦焊工
艺.焊接学报,2001,22(6):18～20
14 邢 丽,孙德超,柯黎明等.紫铜搅拌摩擦焊接工艺研究及
接头组织分析.机械科学与技术,2003,22(6):986～98815 黄奉安,邢 丽,柯黎明等.搅拌摩擦焊焊缝材料二维塑性
流动研究.南昌航空工业学院学报(自然科学版),2003,17(3):17～19
16 栾国红.搅拌摩擦焊流变特性研究.航空制造技术,2003,
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17 周细应,柯黎明,刘鸽平等.搅拌摩擦焊的温度分析.新技
术新工艺,2003,(10):32～33
18 汪建华,姚 舜,魏良武等.搅拌摩擦焊接的传热和力学计
算模型.焊接学报,2000,21(4):61～64
19 张彦富,柯黎明,孙德超等.搅拌摩擦焊焊缝区温度分布及
对材料流动的影响.南昌航空工业学院学报(自然科学版),2003,17(3):12～16
20 LiuHJ,FujiiH,NogiK.Wearbehaviorofhardalloytoolsinthe
frictionstirweldingofAC4A+30%SiCmetalmatrixcomposite.Proceedingsofthe5thInternationalSymposiumonFrictionStirWelding.Metz,France,2004.
21 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Toolwearinthefrictionstir
weldingofanaluminummatrixcomposite.Proceedingsofthe2004NationalSpringMeetingofJapanWeldingSociety.Tokyo,Japan,2004,74:130～131
(收稿日期 2004 08 10)
6 结 论
综上所述,在搅拌摩擦焊技术的发展进程中,虽然我国处于起步阶段,但在许多单位的努力下仍然获得了很有成效的研究结果。然而,从总的情况来看,研究力量分散,在研究的深度和广度上还有待开展进一步的研究工作,具体内容如下:
(1)微观组织研究应深入到沉淀相、织构和位错的尺度上,以便正确理解和把握材料性能在搅拌摩擦焊中的转变特征;(2)接头性能研究应从工程应用角度出发,以便于搅拌摩擦焊方法尽快在我国实用化;
(3)材料流动行为和温度分布研究的重点应放在更深层次的理论研究和分析上,以便深入了解搅拌摩擦焊焊缝的形成机制;
(4)试验材料应向钛合金、不锈钢和铝基复合材料等难焊材料扩展,进而推动专用搅拌摩擦焊具设计和制备技术的发展;(5)应开发出具有载荷、位移和温度控制及显示功能的搅拌摩擦焊机,从而提高搅拌摩擦焊接头的焊接质量。
参
考
文
献
1 ThomasWM,NicholasED,NeedhamJC,etal.International
patentapplicationPCT/GB92/02203andGBpatentapplication9125978.8.UKPatentOffice.London,1991-12-06. 2 JohnsenMR.FrictionstirweldingtakesoffatBoeing.Welding
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3 王大勇,冯吉才,狄 欧等.铝合金搅拌摩擦焊接头焊核
区等轴再结晶组织的形成机制.焊接学报,2003,24(4):33～35
4 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Tensilepropertiesandfracture
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5 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Tensilepropertiesandfracture
locationsoffrictionstirweldedjointsof6061-T6aluminumalloy.JournalofMaterialsScienceLetters,2003,22(15):1601～1603
6 LiuHJ,FujiiH,MaedaM,etal.Mechanicalpropertiesoffric-tionstirweldedjointsof1050-H24aluminumalloy.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2003,8(6):450～454
作者简介: 刘会杰,1962年出生,博士/博士后,教授,主要从事
特种连接技术研究。获科技奖励6项及中国专利1项,发表论文100余篇,其中SCI和EI检索分别为24篇和26篇,参编焊接和钎焊手册2部。