铝合金搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系.doc

《铝合金搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、铝合金搅拌摩擦焊焊缝受力与焊缝成型的关系1引言1.1搅拌摩擦焊国外发现现状与水平搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding，简称FSW)最初是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所(TheWeldingInstitute)于1991年开发的专利技术。搅拌摩擦焊自发明以来很快就受到制造工业的密切关注和支持，并且于1996年在制造工业领域得到了成功应用。搅拌摩擦焊是利用一种特殊的低耗损的搅拌头旋转着压入被焊零件的表面，搅拌头与被焊零件的摩擦使被焊材料热塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前移动时，热塑化的材料由

2、前向后转移，在热-机联合作用下连接形成致密的固相连接接头。TWI、NASA(NationalAeronauticsandSpaceAdministration)、Boeing、ESAB等大型研究机构和企业都在进行与该工艺相关的研究工作[1,2]。FSW已成功应用于实际生产。搅拌摩擦焊技术一出现，就得到航空界的青睐。英国焊接研究所申报了此项专利后，瑞典ESAB公司按许可证制造了专用焊接设备-Su-perstire搅拌摩擦焊机，并已获得实际应用[3]。美国著名的宇航公司争相购买搅拌摩擦焊的专利许可证，开发、应用搅拌摩擦焊技术。1998年

3、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，成功用于低温下工作的铝合金薄壁压力容器，完成了纵向和环向焊缝的连接；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[4]。图1-1搅拌摩擦焊原理示意图FSW是固相连接过程，其原理如图1-1所示。搅拌摩擦焊对工件的焊接，主要通过搅拌头(Weldingtool)的高速旋转实现的。搅拌头包括轴肩(Shoulder)，搅拌针(Pin)和夹持部分(Shank)。搅拌针插入母材部，轴肩与工件表面压紧，产生摩擦热并使得焊缝材料塑性流动。搅拌头的端部加工出螺纹，确

4、保发生塑变的工件材料充分流动，以得到没有孔洞的接头。FSW焊接不需要焊前特别处理，可以焊接厚度1.2～50mm的材料，铝合金常用对接最优厚度达1.6～10mm，特殊搭接厚度为1.2～6.6mm，如果厚度达100mm，则可以进行双面焊接。目前应用FSW成功连接的材料有AL合金，Mg合金，铅，锌，铜，不锈钢，低碳钢等同种或异种材料。国外许多人进行了铝合金-Ag的FSW焊接研究，对AM50，AM60，AZ31，AZ91镁合金同种和异种材料之间进行了FSW焊接试验，证明可以应用FSW连接镁合金。FSW不仅对一系列铝合金成功连接，而且也实现了

5、对高熔点材料Ti合金的连接。TWI于1997年11月报道成功FSW焊接3mm厚的低碳钢，EWI(EdisonWeldingInstitute)于1998年5月报道成功连接6mm软钢，并报道12mm厚12%Cr不锈钢的FSW焊接[6]。由此可知，随着搅拌摩擦焊技术的发展，FSW可以应用于更多的材料的连接。1.2搅拌摩擦焊接的特点1）能保持母材的冶金性能，焊接接头力学性能好铝合金具有密度低、强度比高、刚度比高等优点，但是铝合金熔点较低、导热系数大、比热容大、线膨胀系数大，在采用熔化焊进行焊接时，易产生裂纹、气孔、变形等焊接缺陷。同时，由

6、于焊接温度较高，其性能会降低，因而限制了铝合金的广泛应用。由于搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的晶粒结构比母材金属的更细小，焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度，没有焊缝金属蒸发产生的合金元属损失，不改变合金的成分，因此接头的力学性能好。2）焊后变形小、残余应力小由于搅拌摩擦焊的焊接温度较低，焊接后结构的变形量和残余应力比熔化焊小得多。同时，由于不存在熔焊过程中接头部位大围的热塑性变形过程，焊后接头的应力小、变形小，基本可实现板件的低应力低变形焊接。

7、3）焊接成本低、效率高搅拌摩擦焊操作方便，能量利用效率高。并且在焊前和焊接过程中对环境的污染小，焊前工件无须进行严格的表面清理准备，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅。还可以在有磁场的条件下进行焊接，并适合自动化焊接。4）适用围广由于搅拌摩擦焊没有熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹或结晶裂纹，因此，可以焊接热裂纹敏感的材料；通过对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等；搅拌摩擦焊能实现不同材料的焊接，如铝和银的连接。搅拌摩擦焊可实现各种位置的焊接，并可实现多种形式的焊接接头，如对接、

8、角接、搭接接头，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。搅拌摩擦焊由于其焊接原理的限制，存在一些缺陷，主要是：①被焊接工件必须在垫板上牢固夹紧，以防止被焊穿及在焊接过程中工件松动；②搅拌针退出会在焊缝末段留下一个小孔，在大多数情况下，只能