铝-钢异种金属搅拌摩擦焊研究

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1、铝-钢异种金屈搅拌摩擦焊研究摘要：搅拌摩擦焊是一种新型的固和方法，在界种材料连接方面有广阔的应用前景。木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。亠亠刖S在航空航犬、交通运输、船

2、舶制造等工业中，为了减轻重量、节约能源、降低成木、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而具有良好应用前景，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［2］、焊［3］、熔钎焊［4］,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

3、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-钢乂只适用于柱形材料，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(frictionstirwelding,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［6］。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，搅拌摩擦焊基木不受材料物理化学性能、

4、机械性能及晶体结构等因索的影响，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［7］,因此在异种金屈连接小具有广阔前景，相关机理研究也越来越受到重视。本文将从工艺、组织、性能三分而分析铝-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屮，搅样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，曲于钢的硬度较人，且熔点为1500°C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，捉高热

5、量的输入，冇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［8］、钢［9,10,11］、银基合金［12］、wc-co合金钢［13］等。安井利明［14］等述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

6、起，铝-钢为对接接头时，焊接工艺参数述包括探针相对焊接接缝的偏移量Ax。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［14］：其中，q：焊接热输入量，U：摩擦系数，P：垂直压力，门轴肩半径，m旋转速度，v：行进速度。其屮

7、热量的输入主要取决于旋转速度5）和行进速度（v）的比值。一般來讲，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，影响了焊缝金屈的流动，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

8、“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，影响焊缝质量的还冇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，哪个方向温度高述没有定论，因此导热率相差大的异种材料相对