下载文档原格式
搅拌摩擦焊技术研究与应用搅拌摩擦焊技术研究与应用陈湘陵谢振中课题：湖南省科技厅自然科学课题，课题编号：2011CK3056。
本文性连接的目的。
该技术是以固相连接工艺实现的焊接技术。
2.搅拌摩擦焊技术优点与传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊技术具有以下几个优点。
一是焊前不需进行复杂的准备，被焊材料不熔化，焊接接头性能优良，固相连接接头强度高，可实现全方位焊接；二是焊接过程可靠性高，尺寸精度高，生产率高，成本低且节能；三是具有广泛的工艺适应性，能有效减小或消除冶金化学反应问题，能焊接性能差异很大的异种金属材料，亦可焊接同一台设备的金属和非金属材料；四是安全环保，焊接过程整洁，不会产生飞溅、辐射的情况，或产生有害物质。
二、搅拌摩擦焊技术研究现状-系统开展搅拌摩擦焊技术的研究和应用；2002年4月份，“中国搅拌摩擦焊接中心”在北京饭店成立，被英国焊接研究所授予独家许可权，即拥有发放和管理中国区域的搅拌摩擦焊接技术的专利许可。
直至今日，研究搅拌摩擦焊接技术与设备的学院、研究所已达到20几家单位，其中包括有清华大学、南昌航空工业学院、哈尔滨理工大学、中科院沈阳金属所等。
历经几十年的发展，该技术在国内已经具备了从工艺、设备、控制、检验等整套完备的专业技术规模，并且在基础理论研究上也形成了一定的独立体系。
我国科技工作者高度重视，除了对搅拌摩擦焊的机理、力学性能、搅拌头等展开深入研究外，还先后开展了对铝合金紫铜、PVC塑料、钛合金、镁合金等材料搅拌摩擦焊工艺的研究。
三、搅拌摩擦焊技术应用现状1.航空应用FSW焊500喷气还例如，由挪威GydroMarineAluminium铝板厂生产的无缺陷FSW铝板，用于船舶的甲板、壳体、船舱壁等部位的焊接；日本住友轻金属公司采用FSW生产的铝质蜂窝结构板件和耐海水板材等等。
3.陆路交通应用在陆路交通上，FSW主要的应用领域为高速或轨道列车，以及地铁车厢、有轨电车，汽车的引擎、底盘、轮毂、车身支架、载货车尾部升降平台、汽车起重器，以及装甲车的防护甲板等等。
铝镁异种材料搅拌摩擦焊研究进展
魏艺涵;汪晟钰;高吉成
【期刊名称】《兵器材料科学与工程》
【年(卷),期】2024(47)1
【摘要】开展铝/镁异种材料焊接对工程轻量化具有重要意义,但铝/镁异种焊接面临诸多挑战,改善焊接接头组织,并提高接头性能成为研究重点之一。
针对国内外铝/镁异种材料搅拌摩擦焊发展现状,从焊接参数、新工艺及数值模拟等方面对铝/镁异种材料搅拌摩擦焊进行了分析与展望,旨在为相关领域的进一步研究提供借鉴与参考。
【总页数】8页(P131-138)
【作者】魏艺涵;汪晟钰;高吉成
【作者单位】扬州大学机械工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TG
【相关文献】
1.铝/钢异种材料搅拌摩擦焊研究进展
2.基于不旋转轴肩的铝镁异种材料搅拌摩擦焊
3.焊接工艺参数对镁铝异种材料搅拌摩擦焊的影响
4.搅拌头偏置对铝镁异种合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响
5.转速对厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊摩擦产热及界面组织的影响
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
作者简介：张方元（1987-），男，吉林长春人，本科，主要从事铝合金及其加工工艺研究。
收稿日期：2023-05-08搅拌摩擦焊搭接hook 缺陷研究现状张方元，侯方军，唐强，何海（中铝特种铝材（重庆）有限公司，重庆401326）摘要：搅拌摩擦焊搭接hook 缺陷是材料焊接过程中由于材料受热及物理畸变变形形成的固有物理缺陷，在焊接构件使用过程中对构件静态及动态性能影响大。
本文从hook 缺陷表现形貌及形成原因出发，综述了新型连接技术搅拌摩擦焊在搭接接头中缺陷成型机理，分析了搅拌摩擦焊焊接材料搭接焊接时材料的配置位置、焊接刀具形貌及长度以及焊接工艺参数等对hook 缺陷形貌及尺寸的影响，结合国内外研究现状简述了hook 缺陷对焊接接头静态力学性能及动态裂纹敏感性的影响程度，并就目前影响因素情况对后期该缺陷改进提出了相关建议。
关键词：搅拌摩擦焊；搭接接头；hook ；新连接技术中图分类号：TG453+.9文献标识码：A文章编号：1005-4898（2023）06-0003-04doi：10.3969/j.issn.1005-4898.2023.06.010前言搅拌摩擦焊是一种革命性的固态焊接新型连接工艺技术，该技术由英国焊接研究所（TWI ）于1991年发明。
与传统焊接工艺相比，搅拌摩擦焊在焊接过程中产生的热量更少，加热温度更低（焊接温度低于熔化温度），大大降低了残余应力，因此广泛应用于化工、核能、航空航天、交通运输、发电和电子工业等领域。
搅拌摩擦焊搭接焊缝因对原材料尺寸公差要求低，可更好代替铆接工艺，常用于材料熔点相差大、线膨胀系数不同、导热率及比热容不同、焊接接头组织不同等异种合金连接[1-2]。
在搅拌摩擦焊搭接过程中，金属间存在物理界面，焊接过程中金属由于受热在焊缝边缘会产生畸变，形成向上或者向下的物理变形-“hook ”。
根据ISO 25239标准中的搭接焊接工艺特性，该变形定义为需要设计限定的焊接缺陷，随着搅拌摩擦焊技术应用的推广，hook 缺陷研究逐渐进入国内外研究者视野。
搅拌摩擦焊技术的发展现状摘要：搅拌摩擦焊是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进，通过搅拌头与工件的摩擦产热，摩擦热使该部分金属处于热塑性状态，并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动，从而使待焊件压焊为一个整体。
本文主要介绍了搅拌摩擦焊在航空航天领域的应用，搅拌头的设计，铝合金搅拌摩擦焊的现状，搅拌摩擦焊技术的新发展，搅拌摩擦焊在国内的发展前景。
关键词：搅拌摩擦焊原理搅拌头铝合金发展前景1.引言[1]搅拌摩擦焊是英国焊接研究所于1991年发明的专利焊接技术。
搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。
挪威已建立了世界上第一个搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚3—15mm、尺寸6×16的Al船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱。
摩擦焊是利用工件端面相互运动、相互摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。
[2]摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料。
摩擦焊方法在制造业中已应用40多年了，由于其生产率高、质量好获得了广泛的工程应用，但焊接的对象主要是回转形零件，虽然也有其它形式的摩擦焊技术出现，以克服被焊工件几何形状的限制或提高生产率，如相位摩擦焊、径向摩擦焊、线性摩擦焊等，但实际应用很少。
最近还出现了摩擦堆焊，在工件上形成特殊性能的表面层。
2.搅拌磨擦焊应用领域搅拌摩擦焊在航空航天工业领域有着良好的应用前景。
(1)搅拌头的设计搅拌头的成功设计是把搅拌摩擦焊应用在更大范围的材料和焊接更宽的厚度范围的关键。
[3]下面主要讨论一下搅拌头的发展现状．一般说来，搅拌头包括两部分：搅拌探头和轴肩，而搅拌头的材料通常都采用硬度远远高于被焊材料的材料制成，这样能够在焊接过程中将搅拌头的磨损减至最小。
铝-钢异种金属搅拌摩擦焊研究搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接方法，在异种材料连接方面有广阔的应用前景。
本文从搅拌摩擦的工艺、性能及组织三方面分别介绍了铝-钢搅拌摩擦焊的研究进展，为其深入研究提供了依据。
采用搅拌摩擦焊，异种金属铝-钢可以实现连接，但工艺参数选择范围较小，钢置于前进边时,铝-钢更易连接。
由于铝-钢物理性能的差异，二者流动状态不同，焊核两侧呈现不同结构，接头的力学性能由于脆性金属间化合物的存在而降低。
通过改变热输入或添加第三组元等微量元素的办法可以改善接头的力学性能。
前言在航空航天、交通运输、船舶制造等工业中，为了减轻重量、节约能源、降低成本、满足不同的工作条件, 异种材料的焊接技术日益受到人们的重视[1]。
利用铝及铝合金密度小（大约是钢的1/3），耐腐蚀性、导热率和导电性好的优势，用铝合金代替钢可以减轻结构件的重量，在重型装备轻量化方面具有良好应用前景，然而如何解决铝-钢异种材料间的连接是决定其安全使用的关键问题。
目前，铝-钢的主要连接方法有熔焊中的爆炸焊、激光焊、熔钎焊, 还有固相连接的摩擦焊[5]。
通常爆炸焊接只适用于铝-钢复合板。
采用激光焊和熔-钎焊时，由于铝和钢的熔点、导热性能差异很大，在接头过渡区容易形成多种脆性的金属间化合物，无法获得高质量的接头。
旋转摩擦焊焊接铝-钢又只适用于柱形材料，接头受限制。
以上各种方法都难以保证制备出质量良好的铝-钢焊接接头，限制了其大规模应用。
搅拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）是一种新型的固相连接方法，具有高效、环保、热变形和残余应力小等综合优点。
它是利用搅拌头和工件之间的摩擦热，一般低于母材的熔点，因此焊接过程中工件没有熔化，与传统的焊接方法相比，能够有效避免气孔、裂纹等组织缺陷。
此外，搅拌摩擦焊基本不受材料物理化学性能、机械性能及晶体结构等因素的影响，对克服不同材料性能差异带来的焊接困难具有极大的优势，因此在异种金属连接中具有广阔前景，相关机理研究也越来越受到重视。
本文将从工艺、组织、性能三分面分析铝-钢搅拌摩擦焊的研究现状。
1铝-钢工艺过程及参数1.1搅拌头在搅拌摩擦焊中，搅拌头的尺寸和形状对焊缝成形质量和金属流动有重要的影响。
在铝-钢的搅拌摩擦焊过程中，由于钢的硬度较大，且熔点为1500℃左右，因此对搅拌头的材料提出了更高的要求，即具有良好的耐高温及耐磨性以提高搅拌头的使用寿命。
合适材料的搅拌头能够增加摩擦，提高热量的输入，有利于焊缝金属塑化和提高焊接质量。
据文献显示，可用作铝-钢搅拌摩擦焊的搅拌头材料很多, 如热处理的工具钢、模具钢、镍基合金、wc-co合金钢等。
安井利明等还采用了两种材料组合的搅拌头：轴肩采用模具钢，探针材料为wo -co合金钢，有效地提高了搅拌头的耐磨性和产热量。
1.2 工艺参数一般来讲，搅拌摩擦焊的工艺参数主要有搅拌头旋转速度n，焊接行进速度v和轴肩下压量。
由于异种材料在熔点、热膨胀系数和导热率方面的巨大差异，为了避免搅拌头的大量磨损并保证材料可以充分融合在一起，铝-钢为对接接头时，焊接工艺参数还包括探针相对焊接接缝的偏移量Δx。
图1为探针偏移量示意图。
的工艺参数能够为焊件提供适当的热输入，得到表面成形良好，内部无缺陷的焊接接头。
由于铝-钢的物理性能相差太大如表1所示，因此选择合适参数实现铝-钢的可靠连接是非常困难的，尤其是厚板的参数选择，因为厚板搅拌摩擦焊温度分布、塑性流动及成形机理与薄板有很大不同。
搅拌摩擦焊中，在忽略搅拌头与工件的摩擦热的情况下，热输入可表示：其中，q：焊接热输入量，μ：摩擦系数，P：垂直压力，r：轴肩半径，n：旋转速度，v：行进速度。
其中热量的输入主要取决于旋转速度（n）和行进速度（v）的比值。
一般来讲，在适当范围内提高旋转速度或者降低行进速度时，增加焊缝的热输入量，有利于焊缝材料塑化, 在少的下压量就可以得到质量良好的接头。
但如果n/v的值过大，热输入接近材料的熔点，易致焊缝金属过于塑化，影响了焊缝金属的流动，不能形成良好接头。
研究结果表明，提高热输入时会增加铝钢金属间化合物层厚度，明显降低焊接接头性能[14]。
另外，当旋转速度较低或者行进速度较大时，焊缝区热输入较小，搅拌针周围材料（尤其钢侧）没有充分塑化，无法实现铝-钢的搅拌摩擦焊接，可能出现“吻接”缺陷。
目前铝-钢搅拌摩擦焊研究中，主要的工艺参数如表2。
可以看到，在对接焊中，随焊件厚度的增加，工艺参数选择范围变窄，n/v 的值一般取10左右。
相比于对接接头, 搭接接头的工艺参数范围选择较宽。
1.3材料的放置位置异种材料搅拌摩擦焊对接接头中, 影响焊缝质量的还有焊接工件的相对位置[23]，搅拌摩擦焊前进边和返回边的温度不同，哪个方向温度高还没有定论，因此导热率相差大的异种材料相对位置对焊缝质量有着重要的影响。
一般认为将熔点较高的金属放在温度高的一侧更有利于金属的塑化和流动, 获得理想的接头，否则会导致低熔点材料熔化，影响金属流动，而高熔点的焊件却没有达到塑化状态，严重降低接头的质量。
在铝-钢的搅拌摩擦焊试验中，一般将钢放在前进边，而铝置于返回边时更易获得成形良好的接头。
FUKUMOTO[13]对此进行了解释：搅拌摩擦中，塑性金属随搅拌针运动而流动，若把钢置于前进边，铝置于返回边，塑性状态的铝沿着搅拌针流动到已塑化的钢中，保证二者充分反应融合，从而形成良好接头（图2a）。
反之，塑化的铝随搅拌头进入到未塑化的钢中，铝合金需要克服更大的阻力和钢混合，在搅拌摩擦焊中，塑化金属流动性能的好坏直接决定着接头质量的好坏，因此不能形成良好的接头（图2b）。
与此不同，南昌航空大学邢丽教授[12]进行了铝-钢的搅拌摩擦焊研究，发现钢在返回边，铝在前进边更能得到质量良好的接头，分析认为搅拌摩擦焊过程中，返回边探针周围塑化金属的变形方向与焊核区金属流动一致，前进边探针周围塑化的母材金属的变形方向与焊核区金属受压的变形方向相反。
对于搭接接头，一般是把钢置于铝的下侧[10,19]。
总之，采用搅拌摩擦焊技术，物理、化学性能差异较大的铝-钢能够焊接，但可选工艺参数范围较小。
对接接头中，通过改变旋转速度、焊接速度、偏移距离以及材料的放置位置, 可以提高接头的质量，铝-钢搅拌摩擦焊所需n/v在10左右，钢置于前进边时, 铝-钢更易连接，搭接接头中，采用合适的工艺参数可以得到质量良好的接头。
2接头的力学性能2.1拉伸性能在铝-钢的搅拌摩擦焊中，对接接头的拉伸强度较母材差距不是很大，在合适的工艺参数下拉伸强度甚至高于母材。
拉伸断裂一般发生在焊核和钢侧热机影响交界面处，由于产生了硬脆性的金属间化合物，因此一般以脆性断裂为主。
接头中硬脆性金属间化合物的含量直接影响着接头的强度[17]，接头拉伸强度随金属间化合物厚度的增长而降低。
金属间化合物的形成和焊接热输入有紧密的联系，热输入增大加速脆性化合物的形核和长大，提高了铝-钢交界面脆性化合物的含量，最终降低接头的拉伸性能，如图3所示。
此外, 接头强度与微观组织间也存在很大关系，晶粒越细小，强度越高。
铝-钢搅拌摩擦焊搅拌针主要偏向铝侧，焊核区铝侧受到搅拌摩擦焊的热机作用，发生动态再结晶，形成细小等轴晶粒, 强度很高，而钢侧导热率低且熔点较高，固相线较铝高很多，因此在接头处只进行了元素的扩散和金属元素之间的反应，生成脆性物，强度较低，如图4所示。
铝-钢搅拌摩擦焊接头强度因金属间化合物的存在而降低，如何减少化合物的含量或者采用韧性较好的金属间化合物已成为学术界关注的焦点。
根据脆性化合物的形成特点和性能，一方面可通过控制热输入量，使得温度在铝-钢共晶温度之下，但可能会影响焊件的塑性流动。
另一方面可在焊件间添加第三种材料或合金元素来改善接头的强度[24]。
2.2显微硬度如图5所示，对接接头焊核区的平均硬度比母材都高且分布不均匀，这是因为焊缝中金属间化合物分布不均匀，金属间化合物存在的地方硬度远比母材高。
在钢侧TMAZ区的硬度比母材要高，铝侧母材的TMAZ硬度比铝合金要低，而热影响区硬度较母材有所降低，具有软化趋势，其原因可能是焊接过程中热循环作用下组织发生了变化，铝-钢硬度峰值出现在焊接接头中部。
搭接接头硬度还没有相关研究。
综上所述，由于铝-钢搅拌摩擦焊中存在缺陷和硬脆金属间化合物，接头强度有所降低，焊缝区硬度分布不均且局部较高，接头硬度峰值出现在接头中部的热影响区。
3 微观组织焊接过程伴随着热量的传导，焊接接头及母材由于输热量的不同而发生着组织的变化。
对接接头中，根据组织成分的不同，铝-钢搅拌摩擦焊接头可以划分7个区域，即钢母材（BM）、钢侧热影响区（HAZ）、钢侧热机影响区（TMAZ）、焊核（WNZ）、铝侧热机影响区（TMAZ）、铝侧热影响区（HAZ）、铝母材（BM），如图6所示。
在铝-钢搅拌摩擦焊对接接头横截面铝侧存在明显的洋葱环流动形式，钢在焊核区不规则分布，有着明显的界面。
搭接接头没有明显的洋葱环和热机影响区，由细小等轴晶粒组成。
热机影响区由于受塑性流动和热的双重作用，铝侧热机影响区晶粒铝母材晶粒拉长旋转90°，而钢侧由牙尖型拉长晶粒组成，热影响区的晶粒相对焊核区较大些。
无论是在对接还是在搭接中，铝-钢搅拌摩擦焊母材与焊核之间都发生了元素的迁移。
由于铝原子活性比铁原子相对活跃，铝向钢侧迁移相对充分。
受搅拌针的激烈搅拌挤压力，焊核中存在很多钢的碎片，钢在铝中溶解度极小，室温下几乎不溶于铝中，但钢和铝不但能形成固溶体，还可以形成金属间化合物，在铁中的铝都形成了金属间化合物FeAl3 等[18]，因此这对接头性能产生不利影响，而搭接接头，使用镀锌钢和铝焊接能减少铝铁之间的反应，提高接头的性能[16]。
在对接接头中，由于铝-钢熔点的差异，在不同搅拌头搅拌力和热输入作用下，焊核两侧呈现不同的结构。
钢侧与焊核有明显的界限且界面为曲线型，而铝侧则在搅拌针作用下完成动态结晶，焊核与铝母材没有明显的界限，对接接头焊核主要在铝侧，焊核中心由再结晶的铝和断碎的钢组成, 还观察到了漩涡状的流动形态[20]。
铝-钢的搅拌摩擦搭接接头焊核区两侧，钢在铝合金母材形成了形似“钳子”或弯钩状的分布，钢如同钳子紧抓住焊核铝合金[12]，如图7。
焊核区主要是层状接头，在焊核纵截面可观察到“锯齿”形状[18]，如图8。
在温度和搅拌力的作用下，铝沿着搅拌头向后迁移，而塑化的钢沿着搅拌头向上运动, 随着搅拌头向前移动，塑性状态的铝钢就会向后填充空腔，与铁形成金属间化合物，形成“锯齿”条纹。
异种金属的搅拌摩擦焊中，由于材料物理力学性能的不同，金属塑性流动形态不一样，从而动态结晶程度不同。
如焊核区，钢主要以碎颗粒存在，而铝则发生动态再结晶，晶粒比较细小。
热输入量的大小及冷却速率直接影响着金属的动态再结晶，也即与旋转速度、行进速度、偏移量有关。
