典型材料搅拌摩擦焊的优化方案

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：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。这说明，焊核区晶粒在搅拌摩擦焊中发生了再结晶而得到了细化。与铝合金搅拌摩擦焊的焊接接头微观组织相比，钛合金搅拌摩擦焊接头明显没有热机影响区。接头的拉伸性能测试结果表明，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于TIG焊，并且与母材性能很接近，当母材的增强相分布不均匀时，搅拌摩擦焊接头的强度比母材高。

1.铝合金的焊接

铝合金在飞机、汽车、船舶等结构中得到广泛应用，可以减轻结构的重量。利用搅拌摩擦焊技术，可以克服熔焊时产生气孔、裂纹等缺陷，特别是高强铝合金，熔焊的强度系数比较低，采用搅拌摩擦焊可以大大提高接头强度。图2-4-27给出了铝合金熔焊和搅拌摩擦焊的焊接性比较，搅拌摩擦焊可以焊接所有系列的铝合金。

图2-4-27 铝合金熔焊和搅拌摩擦焊焊接性比较

表2-4-8给出了铝合金接头强度及其搅拌摩擦焊接参数。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。

表2-4-8 铝合金搅拌摩擦焊接头性能及焊接参数

（续）

2.镁合金的焊接

目前有文献报道的采用搅拌摩擦焊接方法焊接的镁合金主要有AZ31、AZ61、AZ91 MB3等。图2-4-28显示出焊接速度对接头强度的影响，同时也显示出相同焊接速度条件下搅拌头转速对接头强度的影响。从图中可知，当旋转速度为375r/min时，接头强度随焊接速度的提高先上升后下降，在150mm/min的焊接速度时达到强度的最低值。这是由于旋转速度越高，搅拌产热增加，而焊接速度提高，单位长度焊缝的热输入降低，二者的比值决定了接头的实际热输入。实验结果表明，对于厚2.5mm的AZ31镁合金，最佳焊接参数为：搅拌头旋转速度900～1500r/min，焊接速度95～150mm/min，接头的最高强度可达240MPa。

图2-4-28 焊接速度对接头强度的影响

MB3镁合金的搅拌摩擦也具有同样的规律，当搅拌头转速过低时，工件不能形成完好的焊缝，在搅拌头后方形成一条沟槽，两试件之间只实现了局部结合，焊缝外观成形不好，内部存在小的空洞和组织疏松，且试样的抗拉强度也低。当旋转速度提高到1500r/min以上时，焊缝组织致密，接头强度可以达到母材强度的90%～98%。当焊接速度变化时，接头强度呈山形变化。对于厚3mm的MB3镁合金板（抗拉强度245MPa、伸长率6%），焊接速度为25mm/min时，其强度最低，焊接速度为48mm/min时，强度上升到最高值，进一步增加焊接速度到60mm/min，强度反而下降。金相组织观察可知，焊接速度为25mm/min的焊缝存在明显的过热组织，热影响区晶粒长大严重。这是由于在焊接速度较慢的情况下，内部金属晶粒经历了长时高温的缘故。焊接速度为60mm/min的焊缝存在微小的空洞或组织疏松，此现象是因为当焊接速度过高时，焊接热输入变低，热塑性软化层厚度小，不足以使焊缝完全闭合的结果。

3.铜合金的焊接

采用搅拌摩擦焊焊接Cu合金，可以消除熔焊时的焊缝成形能力差、热裂倾向大、难于熔合、未焊透、表面成形差等外观缺陷和焊缝及热影响区热裂纹、气孔等内部缺陷。在轴肩压力基本恒定的条件下，当4<（ω/v）<8时，焊缝外观成形良好，焊缝内部无缺陷；当ω/v<4时，由于单位长度焊缝上的热输入过小，容易产生孔洞等缺陷；当ω/v>8时，焊接区温度过高，焊缝表面由于过热而氧化成暗褐色。当选用尺寸合适的锥形螺纹形搅拌针时，焊缝成形良好；而选用圆柱形搅拌针时，焊缝容易产生缺陷。这说明螺纹形搅拌针的螺纹槽能改善热塑性材料的流动，从而有利于形成致密的焊缝。图2-4-29为铜合金搅拌摩擦焊接头的组织形貌，焊缝中无任何缺陷，接头成形良好，焊核区平均晶粒尺寸约为70μm（母材的平均晶粒尺寸约为100μm），并有变形孪晶存在。这说明，焊核区晶粒在搅拌摩擦焊中发生了再结晶而得到了细化。接头横截面显微硬度测试结果显示，焊核区的显微硬度低于母材区的显微硬度值，这是由于焊核区发生了再结晶的原因。

试验结果表明，厚6mm的T2纯铜板，最佳焊接参数为：搅拌头旋转速度600～950r/min，焊接速度75～150mm/min，接头强度超过242MPa，接头的伸长率超过12%，最高为14%。

图2-4-29 铜合金搅拌摩擦焊接头的组织形貌

a）焊核区 b）母材区

图2-4-30 钛合金搅拌摩擦焊接头微观组织

a）母材区 b）焊核区上部 c）焊核区中部d）过渡区

4.钛合金的焊接

图2-4-30是Ti-6Al-4V搅拌摩擦焊后接头各区的微观组织照片。与铝合金搅拌摩擦焊的焊接接头微观组织相比，钛合金搅拌摩擦焊接头明显没有热机影响区。焊核区与热影响区之间没有变形晶粒的过渡。钛合金母材的微观组织由等轴α和（α+β）板条状组织构成（见图2-4-30a）。焊核区上部显微组织为等轴α晶粒和（α+β）的小晶团组织构成（见图2-4-30b）。并且，等轴α晶粒和（α+β）的尺寸要比母材内的晶粒尺寸小。焊核区中部的微观组织与上部微观组织相近，只是尺寸大一些（见图2-4-30c），这可能是因为在焊核区中部散热条件较焊缝上表面差，较长的保温时间，使焊核区中部的组织有时间长大的原因。图2-4-30d为焊核区和热影响区交界处的微观组织，该区组织变化较明显，无过渡，晶粒组织直接从母材较粗大的等轴α和（α+β）板条状变化到焊核区等轴状的α和（α+β）组织。

5.铝基复合材料的焊接

目前用于搅拌摩擦焊研究的复合材料主要有6061+Al₂O₃20%、2014+Al₂O₃20%、A359+SiC20%、6061+B₄C20%等。

对铝基复合材料6061+B₄C20%的接头微观组织进行分析可知，焊核区的微观组织和母材区的微观组织非常接近。在整个接头上很难区分出焊缝区和母材区。接头的拉伸性能测试结果表明，搅拌摩擦焊接头的力学性能优于TIG焊，并且与母材性能很接近，当母材的增强相分布不均匀时，搅拌摩擦焊接头的强度比母材高。铝基复合材料搅拌摩擦焊时，增强相对搅拌头有较大的摩擦作用，这种磨损使搅拌头产生很大的损耗，损耗的Fe元素最终沉积到焊缝前进侧和焊缝区金属一起形成接头。因此，需要开发耐磨性好的搅拌头。

6.钢的搅拌摩擦焊

近年来，对钢的搅拌摩擦焊的焊接性研究越来越多。目前可见报道的有DH-36、316L、304L、430、329J4L、HSLA-65和AISI1010等。与铝合金相类似，钢的搅拌摩擦焊接头同样存在焊核区、热机影响区和热影响区。对于平均晶粒尺寸约为22.2μm的304奥氏体不锈钢，焊接后的焊核区为等轴晶粒组织，晶粒内部含有一定量的位错，平均晶粒尺寸约为14.1μm，比母材区略小。焊核区以外为热机影响区，热机影响区为亚晶组织结构，平均晶粒尺寸约为11.2μm，与焊核区相近，约为母材区的一半，焊核区和热机影响区的组织发生了回复和再结晶，这与铝合金的搅拌摩擦焊相类似。

7.搅拌摩擦焊实例

图2-4-31是搅拌摩擦焊应用的典型例子，图2-4-31a为铜合金管的焊接样件，图2-4-31b为航空航天用铝合金筒体构件的焊接现场，图2-4-31c为板材对接，图2-4-31d为飞机舱门的焊接。

图2-4-31 搅拌摩擦焊实例

a）铜合金管 b）铝合金筒体构件 c）板材对接 d）飞机舱门

典型材料搅拌摩擦焊的优化方案

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