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我国搅拌摩擦焊技术的研究现状

来源:上海谦光 浏览:1242 发布日期:2018-07-30
0 前言
搅拌摩擦焊技术经过十几年的发展已日趋完
善,并成功应用于航空、航天、汽车、造船和高速铁
路列车等诸多结构制造领域。搅拌摩擦焊接是固相
焊接,母材不熔化,不会产生气孔和裂纹等缺陷,具
有广阔的应用前景 [1-6] 。在过去的 2010 年,国内研究
人员开展了大量的搅拌摩擦焊研究工作,成果丰硕。
本研究从搅拌摩擦焊材料、工艺、焊接机理、有限元
数值模拟、接头耐腐蚀性等方面考虑,分析了 2010
年国内搅拌摩擦焊的研究现状与热点。
1 材料的焊接性
1.1 铝合金材料
搅拌摩擦焊接最先应用于铝合金的焊接,铝合
金是 2010 年国内研究搅拌摩擦焊涉及最多的被焊
材料。秦国梁等人 [1] 针对 2 mm 厚 6013-T4 铝合金薄
板进行了搅拌摩擦焊接,采用搅拌头旋转速度和焊
接速度的比值 ω /v 表征搅拌摩擦焊的热输入,研究
焊接热输入对接头焊缝成形和力学性能的影响。研
究表明在 ω /v=3 r/mm 时,焊缝成形美观,飞边毛刺
少,抗拉强度和屈服强度分别达到母材的 83.3%
和 75.8%。王海艳等人 [2] 研究了 6 mm 厚的 6061-T4
铝合金板材搅拌摩擦焊对接,认为搅拌头旋转速度
为 1200r/min,工件进给速度为 300mm/min 是最合适
我国搅拌摩擦焊技术的研究现状
与热点分析
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的工艺参数。罗维等人 [3] 研究了 22 mm 厚的 6061-T6
铝合金板的搅拌摩擦焊,且在旋转速度为1000r/min、
焊接速度为 120mm/min 时,其焊接接头 σ b =205 MPa,
为母材强度的 66%。
李奇等人 [4] 对 7 系列的铝合金开展了搅拌摩擦
焊试验,研究表明 3 mm 厚的 7A52 铝合金薄板的搅
拌摩擦焊接头抗拉强度可以达到母材的 70%。丁成
钢 [5] 研究了 6.3 mm 厚的 7050 铝合金板搅拌摩擦焊
焊接接头的性能,认为接头的冲击韧性优于母材,
且焊核区、热影响区的断口中有较多韧窝,呈典型
的韧性断裂。汪洪峰 [6] 对 10mm 厚的 7022 铝合金
厚板进行了搅拌摩擦焊接试验,发现搅拌头转速为
400 r/min,焊接速度为 100 mm/min 时,焊接接头的
抗拉强度、屈服强度均比母材高,冲击韧性也比母
材高。金玉花等人 [7] 将 5 mm 厚 7050 铝合金搅拌摩
擦焊接头在 490 ℃固溶处理 1 h,研究接头焊核区
组织的热稳定性,结果表明,焊核区的热稳定性与
焊接参数有关,当转速为 600 r/min 时,焊速为 40、
50 mm/min,接头焊核区部分晶粒出现异常长大,热
机械影响区与焊核区的交界面和焊核区根部是组
织不稳定的源头。
对 2 系列和 3 系列铝合金以及硬铝的搅拌摩
擦焊的研究也不少。王春炎 [8] 研究了 8 mm 厚 2219-
T87 铝合金搅拌摩擦焊接头性能,发现接头室温拉
伸强度可以达到母材的 70%以上,且断裂方式为韧
性断裂。束彪等人在焊接厚 5 mm 的 2195 铝锂合金
薄板时发现,焊速 v=140mm/min,转速 ω =1 000r/min
时,焊接接头强度可以达到母材的 73% [9] 。夏罗生 [10]
认为对于 2519 铝合金厚板,搅拌头旋转速度与焊接
速度的比值在 11.3~15.3 时,焊缝显现出良好的力学
性能。李建涛 [11] 和徐效东 [12] 分别对铝合金 3 系列的
3A21 和 3003 进行搅拌摩擦焊接研究,发现当搅拌
头的旋转速度为 1 120 r/min,焊接速度为 50 mm/min
时,3003 铝合金焊缝成形良好。刘鸽平 [13] 研究了 LY12
铝合金的搅拌摩擦焊接头组织和性能,研究表明搅
拌头旋转速度与焊接速度比值为 5 时,焊接线能量
适当,接头无缺陷,焊核区为细小均匀的等轴晶,因
此接头强度最高,达 427 MPa。陈继强等人 [14] 研究
了微量钪对 Al-Zn-Mg-Zr 热轧板搅拌摩擦焊接头
组织与性能的影响,发现微量钪使 Al-Zn-Mg-Zr 合
金母材的抗拉强度和屈服强度分别提高 22 MPa 和
42 MPa,使焊接接头的抗拉强度和屈服强度分别提
高 19 MPa 和 33 MPa,其主要原因是细晶强化和
Al3(Sc,Zr)粒子的析出强化。
1.2 异种材料
王东等人[15]研究了 6 mm 厚 6061-T651 铝合
金和 AZ31 镁合金搅拌摩擦焊接界面处 Mg/Al 反应
及接头力学性能,发现在焊接界面处存在 Mg 17 Al 12
相的生成和由于共晶相熔化和随后冷却所形成的
孔洞。在搅拌针置中、向镁合金侧偏置 2 mm 两种情
况下,接头中少量的 Al 搅入到镁合金侧形成金属间
化合物 Mg 17 Al 12 ,而在搅拌针向铝合金侧偏置 2 mm
时,是少量的 Mg 搅入到铝合金中也形成金属间化合
物 Mg 17 Al 12 。并且由于焊核区仅有少量的 Mg 17 Al 12 生
成,其硬度变化并不显著。焊接界面处生成的金属间
化合物和孔洞使得接头的拉伸性能显著降低。
贺地求 [16] 研究了厚度为 25 mm 的 T2 紫铜厚板
单道搅拌摩擦焊对接试验,分析接头发现,在旋转速
度为 960 r/min、焊接速度为 70 mm/min 时,搅拌摩
擦焊焊接接头的抗拉强度可达 186.6 MPa,搅拌摩擦
焊接头的电阻率与母材基本相当。同时还对厚度为
30 mm 和 50 mm 厚的 T2 紫铜进行了搅拌摩擦焊试
验,发现 30 mm 厚的 T2 紫铜板单道焊焊后平均抗
拉强度为 177.2 MPa,达到母材的 81.7%,断后平均
伸长率为25.4%。焊缝横切面显微硬度分布波动较大,
最低值位于前进侧热影响区底部,此处为焊缝薄弱
环节 [17] 。孙慧等人 [18] 对 Zr 44 Ti 11 Ni 10 Cu 10 Be 25 块体金属
玻璃与紫铜进行搅拌摩擦焊接,发现当旋转速度为
600 r/min、摩擦头直径 2 mm、焊接速度 40 mm/min、
轴肩直径 12 mm、压入量 0.1 mm 时,能够成功实现
焊接,且焊缝处试样仍保持非晶状态。
从上述搅拌摩擦焊被焊材料的文献分析可以
看出,铝合金是搅拌摩擦焊的主要研究材料,6 系
列和 7 系列等高强铝合金是研究的热点,且研究的
板厚从薄板到厚板,大多是研究搅拌摩擦焊工艺对
接头强度的影响,并以搅拌头旋转速度和焊接速度
的比值来表征搅拌摩擦焊的热输入,研究其对接
头焊缝成形和力学性能的影响。在2010年异种金属
的搅拌摩擦焊在国内开展较少,但非铝材料的搅拌摩
擦焊开展了一些尝试并取得一定的成果,特别是紫
铜的搅拌摩擦焊接板材厚度已到达 30mm。而高强铝
合金、镁合金、铜合金以及不锈钢和普通碳钢的搅
拌摩擦焊在今后几年必定成为研究的热点。
2 焊接工艺
研究搅拌头形状对接头组织性能的影响也是
焊接工艺
陈 杰等:我国搅拌摩擦焊技术的研究现状与热点分析 第 10 期
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2010 年的研究热点。如张忠科等人 [19] 分别选用不同
形状的搅拌头进行搅拌摩擦焊接,研究搅拌头形状
对搅拌头受力和温度的影响。采用三维测力系统和
红外测温装置对搅拌头下压力和温度进行同步动
态测量,得出搅拌头形状的影响规律。结果表明,
凹陷型轴肩受力明显高于平台型轴肩,锥形搅拌针
受力大于柱形搅拌针;凹陷型轴肩产热优于平台型
轴肩,锥形搅拌针产热优于柱形搅拌针。凹陷型轴肩
比平台型轴肩更有利于金属流动,焊缝区过渡平
滑,锥形搅拌针比柱形搅拌针焊缝区平滑且前进侧
和返回侧更对称。王晓东等人 [20] 研究搅拌针表面螺
纹头数与轴肩下压量对金属轴向迁移的影响发现,
由于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,螺纹内的塑性金属在搅拌针轴向
产生迁移。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增加焊缝塑性金属的轴向迁
移量,其宏观表现为呈洋葱瓣花纹状的焊核横截面
积增大。李宝华 [21] 研究搅拌头形状对搅拌摩擦焊接
头中洋葱环形貌的影响认为: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。赵旭东 [22] 研究了搅
拌头在铜合金搅拌摩擦焊接中的磨损机理,发现搅
拌头的磨损归结为粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损、
脆性剥落和脆断。
李宝华 [23] 研究了单位线能量对搅拌摩擦焊接
头形貌的影响,研究表明在焊接压力一定下,焊核随
着线能量的增大而先增大后减小。邢丽 [24-25] 等人研
究焊接参数对铝合金 FSW 焊缝 S 曲线形成的影
响,并分析了焊缝中 S 曲线对搅拌摩擦焊接头拉伸
性能的影响。研究发现,焊缝中 S 曲线是原始界面
与其周边金属一起位移、变形的结果;S 曲线的形
状取决于焊缝上部金属的旋转运动、搅拌针与原焊
接面之间的相互作用以及焊缝底部金属朝远离焊
缝中心线的方向和板材上方移动的综合作用。对于
圆锥光面搅拌针,当焊接速度一定时,增大搅拌头
的旋转速度或当搅拌头旋转速度一定时,降低焊接
速度,S 曲线在焊缝厚度方向的贯穿区域减小并最
终消失。焊缝中的 S 线对接头的拉伸性能有影响,
含有 S 线的试样沿焊缝上的 S 线断裂,断面呈 S状;
焊缝中无 S 线的试样在焊核中断裂,断面呈 45°,焊
缝中的 S 线使接头的强度下降。
李杰等人 [26] 研究了激光喷丸对 7075 铝合金搅
拌摩擦焊接头的影响,发现经激光喷丸处理的搅拌
摩擦焊接头的表面粗糙度远小于常规喷丸处理的
接头表面,而对接头显微硬度的影响差异不大。激
光喷丸可改变接头的残余应力分布,是提高搅拌摩
擦焊接头抗疲劳性的有效方法。张新华 [27] 采用超声
喷丸强化搅拌摩擦焊接接头性能,发现超声喷丸技
术能提高铝合金母材及搅拌摩擦焊焊接接头的疲
劳性能。
从上述文献可以发现,在搅拌摩擦焊工艺方面,
研究的热点聚集于搅拌头形状对接头组织性能的
影响、焊缝 S 曲线形成即对接头性能的影响以及通
过各种方法对搅拌摩擦焊接头进行后处理提高其
力学性能。研究搅拌头形状对接头组织性能的影响
和采用适当方法提高接头性能具有重要的意义,不
仅是 2010 年的研究热点,还将是今后几年的研究
重点。
3 焊接机理
王希靖等人 [28] 检测分析了 LF2 和 LY12 铝合金
板搅拌摩擦焊接过程中工艺参数对摩擦头前进阻
力的影响规律:焊接同种材料时,前进阻力随焊接
速度、压入量、材料厚度的增加而增大,随旋转频率
的增加,先增大后减小;焊接材料不同时,高硬度材
料的前进阻力大于低硬度材料;焊接过程中摩擦头
前进阻力大小与前侧变形金属体积和温度大小有
关,前侧变形金属体积越大,温度越低,前进阻力越
大。鄢东洋 [29] 通过设计一系列搅拌摩擦焊接试验,
详细测量和分析了焊接温度场分布、搅拌头机械载
荷、残余应力和残余变形。分析发现搅拌摩擦焊温
度测量结果的准确性取决于采样频率和热电偶的
定位方法。薄板的焊接变形具有马鞍形和反马鞍形
两种形态,且变形程度受到薄板尺寸、旋转频率和
焊接速度的影响。张小帆 [30] 研究了未焊透时缺陷深
度对 LY12 铝合金搅拌摩擦焊焊缝电导率的影响。
结果表明,焊缝中部电导率较高,母材电导率较低,
存在过渡区,且当未焊透深度较小时,其焊缝中心
电导率相对无缺陷时变化不大。当未焊透深度较大
时,其焊缝中心电导率值急剧下降,且未焊透深度
越大,电导率值越低。金玉花 [31] 分析了铝合金 7050
搅拌摩擦焊后各区微观结构演变,发现热影响区位
错开始滑移,热-力影响区位错发生交滑移或攀移,
焊接工艺 第 41 卷
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位错密度降低,焊核区晶内有少量位错。刘鹏等人 [32]
采用搅拌摩擦焊方法制备的非晶增强铝基复合材
料,发现非晶增强体与基体 5A06 铝合金经过搅拌
摩擦加工过程充分的搅拌作用,获得了层状混合组
织结构。复合材料中存在大量的 90~400 nm 纳米级
组织,主要由-α Al 与-α Al 非晶组织构成。
4 数值模拟
鄢东洋等人 [33] 建立了较为完善的搅拌摩擦焊
接热力耦合数值模拟模型,对生热过程、材料模型、
夹具约束以及搅拌头机械载荷作用都进行了分析
和探讨,采用被焊材料的剪切极限作为生热驱动
力,考虑被焊材料的力学性能随温度和温度历史发
生变化,建立夹具和试板之间的接触关系,并在力
学分析模型中将搅拌头机械载荷简化考虑,模拟结
果与实验结果较为吻合。杨卫平 [34] 通过建立带孔搅
拌摩擦焊接板的有限元数值计算模型,采用最大周
向拉应力准则,分析了结构参数如孔位置、焊接区
宽度和厚度对裂纹扩展路径的影响。分析发现孔位
置对裂纹扩展路径有很大影响,孔离焊接区越远,其
影响越小;焊接区厚度对裂纹扩展路径影响也很
大,并用实验验证了其模拟结果。李文亚等人认为
质量放大因子是显式有限元计算过程中的一个重
要因素,通过研究质量放大因子对搅拌摩擦焊接插
入过程温度场的影响,优化了搅拌摩擦焊接过程温
度场的三维显式有限元计算方法。发现当质量因子
为 106 时能获得比较合理的温度场,而计算所需时间
明显减少。周明智 [36] 建立了基于固体力学的刚粘塑
性热力耦合有限元方程,并采用网格局部加密自适应
跟随技术对 FSW 过程进行数值模拟,获得了焊接过
程的温度、应力、应变分布特征及金属流动规律,预
测焊接过程中所产生的缺陷,表明热塑性变形机制
是焊接接头形成的主要机制。吴佩君 [37] 根据相变热传
导的等效热容法有限元理论,采用移动热源循环加
载,对 2A70 铝合金搅拌摩擦焊接过程的温度场进
行了瞬态求解,为模拟铝合金搅拌摩擦焊接过程中
微观组织的演化过程奠定了理论基础和前提条件。
刘金合 [38] 通过自己建立的数学模型,利用 ANSYS
软件对 14 mm 厚 2219 铝合金搅拌摩擦焊接过程
中的温度场进行数值模拟,发现搅拌头插入阶段焊
缝的温度变化与焊接速度无关,开始阶段升温速率
最大,焊接稳定阶段,沿板厚度方向呈现上宽下窄、
上高下低的温度梯度分布趋势。两个阶段都是旋转
频率越高,焊缝的峰值温度越高,与实验结果吻合。
孙涛等人 [39] 也采用 ANSYS 根据古典摩擦理论建立
了合适的热源模型,对 4 mm 薄板 7075 铝合金搅拌
摩擦焊过程中的温度场和应力应变场进行热机耦
合数值分析,考虑了搅拌头的机械载荷和压板的压
力作用,有一定的借鉴意义。
从有关搅拌摩擦焊的数值模拟的文献可以看
出,2010 年国内研究者开展了不少搅拌摩擦焊数
值模拟的研究,特别是对搅拌摩擦焊过程中的温度
场、应力、应变分布特征以及金属流动规律进行的比
较深入。而且搅拌摩擦焊数值模拟分析一大特征就
是自己建立一个合适的数学模型,采用数值模拟的
方法来分析其研究对象,最后验证自己的数学模型
是否合理。搅拌摩擦数值模拟所采用的软件也多种
多样,有 ANSYS、ABAQUS、COMSOL、FLUENT 等,主
要集中于温度场和应力应变的模拟。
5 腐蚀性能
在 2010 年,国内对搅拌摩擦焊研究的另一大热
点就是接头腐蚀性能的研究。李奇等人 [40] 研究了
7A52 铝合金搅拌摩擦焊焊缝的电化学局部腐蚀行
为,发现焊缝的电化学局部腐蚀过程与母材相似,
均为 Mg 2 Si 优先阳极溶解,产生自身的点蚀坑,随
着腐蚀的进行,Mg 2 Si 周围的基体被腐蚀。付瑞东
等人 [41] 采用酸性连续盐雾试验研究 2024 铝合金搅
拌摩擦焊焊缝表面的腐蚀行为,研究发现搅拌摩擦
焊焊缝区耐蚀性因包铝层遭到破坏而呈现下降趋
势,腐蚀程度因焊缝表面残留的纯铝而呈现不均匀
性。腐蚀首先从局部点蚀开始,最终演变为剥落腐
蚀。沈长斌 [42] 通过研究 8 mm 厚铝合金 6082 搅拌摩
擦焊焊缝的组织形貌及其电化学性能发现,焊缝的腐
蚀电压比两种母材高,腐蚀电流比两种母材小。栾国
红等人 [43] 采用中性连续盐雾试验研究 7075 铝合金
搅拌摩擦焊接头焊缝表面的腐蚀行为,发现焊缝区
的晶粒和第二相粒子得到明显细化,在焊缝表面的
第二相粒子分布不均匀;搅拌摩擦焊焊缝区耐蚀性
比包铝的母材低。王快社等人 [44] 通过测定 H65 铜合
金搅拌摩擦焊接头和焊条电弧焊接头在 3.5%NaCl
溶液中的开路电位和极化曲线,研究其电化学腐蚀
性能,结果表明,搅拌摩擦焊接头的抗腐蚀性能优于
焊条电弧焊接头。
6 复合焊接
搅拌摩擦焊接与其他焊接工艺相结合形成搅
焊接工艺
陈 杰等:我国搅拌摩擦焊技术的研究现状与热点分析 第 10 期
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拌摩擦复合焊接技术的研究方兴未艾,主要包括激
光-搅拌摩擦焊接技术、电弧(TIG/MAG/MIG/PAW)-
搅拌摩擦焊接技术和超声-搅拌摩擦焊接技术等,
这些搅拌摩擦复合焊接技术对于解决目前搅拌摩
擦焊接存在的问题起到了积极的作用。近年来,罗键
等人 [45] 提出了基于内生电阻热-搅拌摩擦热复合的
载流-搅拌摩擦复合焊接(RFSW)新技术,对于解决
高熔点金属搅拌摩擦焊接的难题提供了新的研究
思路和方法,对于快速高效的低熔点金属搅拌摩擦
焊接也具有改善和促进作用,能够解决 FSW 焊接
高熔点金属所面临的一些挑战。
7 结论
从文献可看出,开展的搅拌摩擦焊研究主要集
中于铝合金的搅拌摩擦焊,而异种金属和非铝材料
的研究相对较少。在搅拌摩擦焊工艺方面,研究热
点主要集中于搅拌头形状对接头组织性能的影响,
以及通过各种方法对搅拌摩擦焊接头进行后处理
提高其力学性能。对搅拌摩擦焊机理的研究相对较
少,且开展的搅拌摩擦焊机理研究集中于搅拌头前
进阻力以及焊后各区微观结构演变过程等。数值模
拟方面研究相对较多,也较为深入,主要集中于自
建数学模型,然后模拟求解搅拌摩擦焊接头温度
场和应力应变场。2010 年出现一个热点就是对搅拌
摩擦焊接头耐腐蚀性能的研究,研究对象主要是
铝合金接头,这与铝合金搅拌摩擦焊工艺的成熟与
其应用领域的扩大有关。
通过分析国内搅拌摩擦焊的研究现状,不难得
出未来几年搅拌摩擦焊研究的发展趋势。显然铝合
金还将是搅拌摩擦焊的主要被焊材料,而对于镁合
金、铜合金、不锈钢、碳钢以及异种金属的搅拌摩擦
焊将在未来几年成为热点材料。不同材料的搅拌摩
擦焊焊接工艺、有限元数值模拟以及焊后接头性能
和接头焊后加工处理也将是研究的热点和重点,而
国内的搅拌摩擦焊机理性研究也需要加强。