・４４・ 科技论坛 搅拌摩擦焊缺陷分析及其无损检测现状 郑波 （福建锅炉压力容器检验研究院，福建福州３５００００） 摘要：搅拌摩擦焊具有焊接质量高的显著特点，但工艺参数选择不当时仍会存在焊接缺陷。依据国内外学者对搅拌摩擦焊缺陷分 析及检测方面的研究，本文总结搅拌摩擦焊过程可能产生的缺陷种类和原因，及缺陷检测方法现状，具体包括孔洞、沟槽、未焊透和ｚ线 等四大类缺陷。目前对搅拌摩擦焊缺陷的研究，主要是从焊缝成形过程方面进行研究，对缺陷的形成规律及影响因素之间的关系和检测 方法有待进一步研究，最终实现对缺陷的控制。 关键词：搅拌摩擦焊；缺陷；影响因素；无损检测现状 １概述 搅拌摩擦焊（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ，简称Ｆｓ 是一种新型固相 焊接工艺，是英国焊接研究所于１９９１年开发的专利技术。ＦＳＷ适 于连接同质或异质的多种结构材料，尤其适于连接常规焊接工艺难 以焊接的高强铝合金；它具有焊接温度低、焊件变形小，接头机械性 能好不产生类似熔焊接头的铸造组织缺陷，并且焊缝组织由于塑性 流动而细化等优点。对熔焊方法易于焊接的材料，使用ＦＳＷ也可显 著提高接头的性能ｌ１ｌ。目前ＦＳＷ的研究主要集中于不同材料ＦＳＷ 工艺参数的优化和接头组织性能（包括拉伸、疲劳、弯曲等）及焊缝 检测的研究上。虽然ＦＳＷ能够避免熔焊中产生的裂纹、气孔等缺 陷，但是若焊接参数选择不当也会引入新的缺陷，例如孔洞、沟槽、 未焊透和ｚ线等。依据国内外学者对ＦＳＷ焊缝缺陷分析及检测方 法的研究，本文总结ＦＳＷ过程产生的缺陷种类和原因及缺陷检测 方法。 ２ ＦＳＷ缺陷分析 ＦＳＷ焊接过程中产生的缺陷主要有以下几种：孔洞、沟槽、未焊 透、ｚ线等缺陷。缺陷产生主要是由于在焊接过程中，不同部位的焊 缝金属经历不同的热机过程过热或塑性材料流动不足都会导致缺 陷的形成。若将焊缝分成顶部、中部和底部三个部分，只有输入焊缝 底部的热量最少而输出最大，所以当焊接工艺参数或焊具尺寸选择 不当时底部最容易产生焊接缺陷。 ２．１孔洞。孔洞的形成主要是由于焊接过程中热输入不够，使 达到塑性化状态的材料不足，材料流动不充分而导致在焊缝内部形 成材料未完全闭合现象。若采用不带螺纹的柱状或锥状搅拌针进行 焊接更容易产生孔洞缺陷。该类缺陷通常位于接头前进侧的中下部 以及焊缝表面附近。若位于焊缝表面附近的孔洞方向与焊接方向一 致，在焊缝长度方向上延伸较长时也被称为隧道型缺陷；它是ＦＳＷ 过程中比较典型而且危害最大的一种缺陷。如果想要避免该类缺陷 除了要选择适当的焊接工艺参数外（搅拌头转速、焊速、压力）还要 保证适当的搅拌头倾角一般为１．５。≤０≤４．５ Ｕ’另外还要避免待焊 件之间存在间隙。 ２．２沟槽。沟槽是搅拌头在对接板表面机械搅动后未形成连接 的一种严重缺陷，通常位于前进侧焊缝表面。它的产生主要是由于 焊接过程中压力过小，导致热输人严重不足发生塑性变形的材料大 量减少，而且材料流动性能降低，造成焊缝前进侧的塑性材料从后 退侧绕流以后不能回填到前进侧，从而在前进侧焊缝表面附近形成 孔洞；当材料流动能力进一步降低时形成孔洞的范围发生扩展，最 终贯穿焊缝上表面形成沟槽。 ２．３未焊透。未焊透是ＦＳＷ焊缝背面最常见的焊接缺陷，是指 在焊缝底部未形成连接或不完全连接而出现的“裂纹状”缺陷，由于 采用长度略小于接头厚度的搅拌头压人焊缝结合面，利用搅拌头 轴肩与焊缝表面的摩擦热进行加热、搅拌而形成连接，所以总存在 一定厚度的未焊透。焊接压力过小时容易形成根部未焊合。在ＦＳＷ 过程中，如果搅拌针长度比正常尺寸短，搅拌针在焊接过程中不能 完全搅拌焊缝厚度方向上的材料，尤其是接头下部的材料，加上板 材对接面氧化物的存在，在焊接后接头根部会出现“裂纹状”的未 焊透缺陷。 ２．４ Ｚ线。由于焊前表面氧化膜的存在，焊后在焊缝表面可能形 成一层与焊缝内部不同的氧化物层。由于对接表面氧化膜在焊接过 程中可能未被完全搅拌打碎，氧化物颗粒沿着晶界分布残留在焊缝 中并呈现半连续状，被称为Ｚ线或Ｓ线。要避免焊接过程中出现Ｚ 线，在焊接开始前要对工件表面彻底清洗和打磨，以去除表面油污 和氧化层。 ３缺陷产生的影响因素 从国内外学者对ＦＳＷ工艺参数和接头组织及性能的研究结果 来看，很多因素能对ＦＳＷ接头组织造成影响，如搅拌头的形状和尺 寸、旋转速度和焊接速度、搅拌针扎入的深度和倾斜角度、对接板间 隙等。当工艺参数选择不当时，ＦＳＷ接头会出现典型的孔洞、未焊 透等缺陷。 ３．１搅拌头。搅拌头是搅拌摩擦焊技术的核心；因此，在焊接前 合理选择搅拌头的形状和尺寸、扎入深度和倾斜角度，将有利于 ＦＳＷ焊缝成形，从而降低焊缝出现缺陷的可能。 ３．２工艺参数。若搅拌头固定不变时，搅拌头的旋转速度ｒ ｘ焊接 速度ｖ和焊接压力Ｐ等工艺参数的选取，也会直接影响焊缝的成 形，所以要避免如孔洞、沟槽和吻接等危害性缺陷的产生，应当更慎 重地选择这些焊接工艺参数。 ３．３对接板的间隙。对接板的间隙也会影响焊缝成形；若对接板 的间隙越大越不利于热量向焊核区扩散，导致热影响区温度升高， 晶粒尺寸变大。间隙越大，焊缝区出现的孔洞越大，甚至会在焊缝中 出现隧道型缺陷；是由于间隙的存在使得焊缝连接所需的塑性金属 减少，在没有塑性金属补充的情况下焊缝中只能形成隧道型缺陷。 ＦＳＷ焊缝缺陷的产生是由多种因素共同作用的结果，对于不同 的焊接材料和焊接工艺，各种因素是相互影响的。 ４ ＦＳＷ缺陷的无损检测方法研究现状 随着ＦＳＷ技术在各个领域的推广应用，对焊缝的成形质量有 更高的要求。ＦＳＷ焊缝缺陷具有明显的紧贴、微细和取向复杂等特 点，这对焊缝缺陷的无损检测有更高的要求。目前，国内外ＦＳＷ的 无损检测技术处于缺陷表征与检测方法探索及技术积累阶段。通常 采用常规无损检测技术以及金相观察等方法进行检测；伴随着微机 与电子技术的发展和应用，近年来无损检测技术得到了快速的发 展，从而产生了一些高效率的检测新方法。 ４．１ Ｘ射线。胶片射线照相技术是射线源发出的射线透过被检 物体，利用被检物体与其内部缺陷介质对射线强度衰减的程度不同 来携带被检物体内部信息，并用射线胶片记录下来，经显影、定影等 处理，在胶片上形成透视投影影像，通过对影像的识别来评定被检 物体内部是否存在不连续性的一种射线无损检测方法。该检测方法 对材料没有限制，但由于ＦＳＷ缺陷可能存在于任意方向，使得射线 照射方向很难保持与缺陷平行，这样的缺陷很难被检测出来。 洛克希德马丁公司使用胶片和数字方法完成对搅拌摩擦焊测 试板材的射线检验结果显示具有９０％的概率或９５％的信心能够检 测大于或等于材料厚度３０％的不连续性未焊透然而，在异种合金 焊接射线胶片方面遇到了严重的问题，结果表明探测不连续性的未 焊透缺陷的能力是有限的。主要的原因是铜和锂的焊件具有不同的 化学成分。 ４．２渗透。渗透是采用毛细管作用的原理，检测固体材料及其制 件的表面与近表面缺陷。渗透检测用于检测焊接件的表面开口裂 纹、奥氏体钢和有色金属，具有检测速度快、操作简便缺陷显示直观 且检测灵敏度较高等特点。渗透检测的主要不足之处是表面粗糙度 影响缺陷的检出率以及难以定量控制检验操作的程序。 Ｋｉｎｃｈｅｎ研究了在蚀刻条件下对ＦＳＷ测试板材进行渗透检查，
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搅拌摩擦焊温度场分析
作者：王杰 林名润 闫大鹏 周琼
来源：《山东工业技术》2018年第08期
摘 要：通过分析搅拌摩擦焊焊接原理，建立搅拌摩擦焊焊接过程数学模型，运用Full
Newton-Raphson方法，编制搅拌摩擦焊焊接过程控制程序，对搅拌摩擦焊移动热源焊接的温度场进行模拟，得到的分析结果能够较为准确揭示搅拌摩擦焊焊接过程规律，为确定焊接工艺参数提供参考。
关键词：搅拌摩擦焊；温度场；数值模拟
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2018.08.221
1 引言
搅拌摩擦焊[1]（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种新型的固态焊接工艺技术，与传统的焊接方法相比，它不但能够得到优良的焊接性能，而且能够焊接一些传统方法难以焊接的材料，随着该技术的不断发展，其应用范围不断扩大，已在航空、航天、船舶、汽车等领域得到广泛应用。
2 热源数学模型
根据已有的研究成果[2]，通常认为FSW的热源主要来自于搅拌针端面和搅拌头轴肩与工件摩擦面热源以及搅拌针侧面与工件摩擦体热源等几种形式[3]。在数值模拟中，忽略次要因素，根据库伦摩擦理论建立如下的搅拌摩擦热源的数学模型。
2.1 面热源
搅拌针刚开始与工件接触摩擦时，其顶锻力作用在搅拌针端面上。在搅拌针端面取出微元，则其受到的摩擦力为：
（1）
搅拌针旋转一周摩擦力对微元所做的功为：
（2）
对上式进行二重积分，得到摩擦力对搅拌针端面所做的功为：
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则搅拌针端面摩擦生热的功率是：
（4）
同理可得，搅拌针轴肩处摩擦生热功率是：
焊接数值模拟研究现状
摘要：随着计算机软硬件技术的快速发展,使得研究复杂焊接结构的焊接过程成为可能，为我们研究单层网壳结构中箱型截面焊接节点制创造了条件。本文主要介绍焊接数值模拟概念及方法，热源模型研究现状、焊接数值模在残余应力方面的研究现状。
关键词：焊接，数值模拟，残余应力
引言：
焊接数值模拟是随着社会进步和计算机发展而兴起的一种模拟分析方法。该法可以弥补实验研究方法试验场地难、实验经费高以及理论分析很难应用于复杂模型的问题，缩短了试验周期和计算的繁琐，有限元数值模拟可以较好的模拟节点在不同边界条件、不同荷载、不同材料性能等情况下的受力性能，通过有限元应力和应变结果的分析，可以对节点的受力有一个较好的了解和把握，对于受力的薄弱区可以采取相应的措施，而且条件的改变和模型的建立在有限元软件中都可以实现。
1.焊接数值模拟概念及方法
焊接数值模拟就是通过建立适当的数学模型，对其施加初始条件和边界条件，求解相应的微分方程组来解决焊接热过程、应力和变形等问题，并将分析得到的结果通过计算机直观地表达出来，设计人员可以通过模拟焊接过程对焊件进行检验，并对工件结构形式以及焊接工艺参数进行优化[1]。
焊接数值模拟常用的方法有三种：差分法、有限元法和边界元法[2]。差分法顾名思义就是运用简单的差商对函数进行计算。 目前，能进行焊接模拟的主要软件有：ANSYS、ABAQUS、MARC、Simufact.welding、SYSWELD、JWRIAN等。
2.焊接数值模拟热源模型研究现状
实际焊接过程中熔池受到保护气体及焊接电弧的冲击等多种因素的复杂影响，熔池内的瞬态热流密度和温度分布难以通过试验准确获得[3]，因此国内外学者根据熔池轮廓特点建立了相应的简化模型。热源模型的准确性通常采用熔池轮廓匹配原则进行评估，即对比模拟熔池横截面与实际焊缝横截面，两者越接近表示建立的热源模型及参数越接近实际焊接热流分布。由于焊接工艺及参数直接影响了焊缝横截面的形状和尺寸，因此国内外研究学者针对不同的焊接工艺及参数开发了一系列热源模型，使得模拟熔池横截面能与实际焊缝横截面相匹配。
差速双轴肩搅拌摩擦焊温度场、应变场及流动特性数值模拟
0 前言
目前低碳经济成为大势所趋，铝、镁合金在航空工业、船舶制造、轨道交通等行业的应用日益广泛，进而对材料的焊接性能提出了更高的要求。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）作为一种新型焊接技术，有效地避免了传统焊接存在的裂纹、气泡等缺陷，且焊接工艺更加环保。FSW及其衍生技术，如搅拌摩擦加工，在航空航天、汽车等众多制造业领域中已得到广泛应用[1]。然而，FSW也存在一些局限性，由于背部需要刚性支撑，无法焊接复杂件，且焊缝底部存在未焊透现象。双轴肩搅拌摩擦焊（Bobbin Tool FSW，BT-FSW）采用双轴肩结构，将焊接的两块板夹紧在夹具中，下轴肩支撑热塑化材料沿着连接线方向移动，解决了FSW对背部垫板的要求，并有效消除了未焊透现象。这一简单改动带来了新的思考，其焊缝两侧的肩部均有热量输入，轴向力更小[2]。目前国内外许多学者已经对FSW进行了大量研究，但对BT-FSW的探索还不够详尽。
张骁等[3]借助msc·marc软件，以自适应产热模型，模拟了2A14铝合金BT-FSW温度场并进行了实验论证。Hamilton等[4]提出了一种改进的基于扭矩的模拟方法。文献[5-8]利用DEFORM-3D有限元软件，采用全热-力耦合方法，对BT-FSW焊接过程中的温度场与流场进行了仿真分析和实验论证。胡小倩[9]针对6061-T6铝合金利用Fluent软件进行有限元模拟，系统地研究了焊接过程中水平方向与厚度方向的流场分布特性。
在搅拌头设计方面，Goebel等[10]提出了单轴肩静止的BT-FSW。吴海涛等[11]发明了一种上轴肩静止的BT-FSW装置，具有热输入少、焊接质量高等优点。王非凡等[12]提出了一种差速双轴肩搅拌摩擦焊（Differential Bobbin Tool Friction Stir Welding，DBT-FSW），上、下轴肩具有不同转速，以2198铝锂合金薄板为例，对接头成形与组织性能开展数值模拟与试验研究。常规的BT-FSW上、下轴肩转速相同，作用效果近似完全相同，使材料成形具有高度对称性，进而上、下轴肩影响区的材料回填周期相同，易发生间隙重合，形成大体积空腔。而DBTFSW上、下轴肩转速不同，材料非对称成形，可有效避免该现象。此外上、下轴肩的不平衡作用力还会增强材料的流动性。
