高速客車車體6005鋁合金攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)研究

1、西 南 交 通 大 學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）高速客車車體6005鋁合金攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)研究年 級(jí):2007級(jí) 學(xué) 號(hào):20075357 姓 名:王文蕾專 業(yè):材料成型及控制工程 指導(dǎo)老師:周友龍2011年6月西南交通大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文 第 I 頁院 系 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專 業(yè) 材料成型及控制工程 年 級(jí) 2007級(jí) 姓 名 王文蕾 題 目 高速客車車體6005鋁合金攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)研究 指導(dǎo)教師評(píng) 語指導(dǎo)教師 (簽章評(píng) 閱 人評(píng) 語評(píng) 閱 人 (簽章成 績(jī)答辯委員會(huì)主任 (簽章年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書班 級(jí) 成型07-3班 學(xué)生姓名 王文蕾 學(xué) 號(hào) 20075257發(fā)題日期

2、： 2011 年 2 月 28 日 完成日期： 6 月 17 日題 目 高速客車車體6005鋁合金攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)研究 1、本論文的目的、意義 隨著現(xiàn)代交通的高速發(fā)展, 對(duì)交通工具中應(yīng)用的材料性能要求越來越高. 鋁合金制品因其質(zhì)輕、耐蝕性好、拉伸性能好等特點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)其型材的大型寬體化. 為此, 鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。6005鋁合金因其熱擠壓成型性、耐蝕性、焊接性能均非常優(yōu)異且強(qiáng)度可滿足高速列車用材料的要求，日本、西歐等國(guó)廣泛采用6005鋁合金制造高速列車車體。我國(guó)許多科研工作者也在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作。目前,6005鋁合金大型擠壓型材已研制成功并投

3、入生產(chǎn), 逐步成為高速列車用大型鋁合金型材的主要用材之一。隨著我國(guó)鐵路交通事業(yè)的發(fā)展,6005合金必將有廣泛的應(yīng)用前景. 雖然6005鋁合金有著良好的綜合性能, 但其尚無完善的工藝技術(shù)，還需要實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步制定合理的工藝技術(shù)，以滿足以后的生產(chǎn)。 2、學(xué)生應(yīng)完成的任務(wù)1）收集相應(yīng)的資料并進(jìn)行英文資料的翻譯訓(xùn)練；2）了解6005鋁合金材料、攪拌摩擦焊和工藝技術(shù)的優(yōu)化及有關(guān)知識(shí)；3）制定不同的處理工藝，并進(jìn)行材料處理；4）制備試樣，對(duì)組織及工藝性能進(jìn)行分析； 5）完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文。 3、論文各部分內(nèi)容及時(shí)間分配：（共 16 周） 第一部分文獻(xiàn)查閱及英文翻譯 (2周第二部分 了解6005鋁合金材料、

4、攪拌摩擦焊和制定工藝 (2周 第三部分 實(shí)驗(yàn)和試樣分析 (8周第四部分 論文書寫 (2周第五部分審閱論文(1周評(píng)閱其答辯(1周備 注指導(dǎo)教師：年 月 日審批人： 年 月 日摘 要本論文主要以高速列車車體所用材料為研究背景，研究了6005鋁合金的攪拌摩擦焊工藝，闡述了攪拌摩擦焊的工藝的基本原理、優(yōu)缺點(diǎn)、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景及影響其焊接接頭質(zhì)量的主要的工藝參數(shù)（包括攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、攪拌頭的軸肩壓力等）。針對(duì)6005鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭，進(jìn)行拉伸、彎曲、沖擊、硬度、微型剪切等常規(guī)力學(xué)性能試驗(yàn)和金相組織分析。得出如下結(jié)論：當(dāng)焊接工藝參數(shù)選擇合適時(shí)，可得到外形美觀，無缺陷的焊縫；如

5、果工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，則會(huì)出現(xiàn)溝槽、飛邊和隧道型缺陷。還發(fā)現(xiàn)焊接接頭的力學(xué)性能（包括抗拉強(qiáng)度和延伸率）與焊接工藝參數(shù)存在一定的關(guān)系，當(dāng)其它的焊接工藝參數(shù)為定值時(shí)，接頭的力學(xué)性能隨著焊接速度的增加而增加，達(dá)到一個(gè)最佳值，之后隨著焊接速度的進(jìn)一步增加，接頭的力學(xué)性能開始下降。所得試驗(yàn)結(jié)果：攪拌摩擦焊的拉伸強(qiáng)度為母材的52.8、72.4、77.1；攪拌摩擦焊的背彎角度均能達(dá)到180°；FSW 接頭焊核區(qū)、前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的室溫沖擊功均高于母材；焊接接頭熱影響區(qū)均存在軟化現(xiàn)象，F(xiàn)SW 焊接接頭前進(jìn)側(cè)比后退側(cè)軟化程度嚴(yán)重；通過觀察金相可知，焊核處晶粒都比母材處晶粒要細(xì)。 關(guān)鍵詞：攪拌摩擦焊；600

6、5鋁合金；焊接速度；組織；力學(xué)性能AbstractThe topics to CRH body materials for the research background.目 錄第1章 緒論 . 11.1傳統(tǒng)摩擦焊發(fā)展概述 . 11.2攪拌摩擦焊接的發(fā)展及研究現(xiàn)狀 . 21.2.1美國(guó)愛迪生焊接研究所(簡(jiǎn)稱EWD 生產(chǎn)的攪拌摩擦焊設(shè)備 . 21.2.2攪拌工具設(shè)計(jì) . 41.2.2.1從材料焊接的角度 . 51.2.2.2從理論的角度 . 61.2.2.3從工藝的角度 . 61.2.2.4從設(shè)備的角度 . 71.3攪拌摩擦焊接原理及工藝特點(diǎn) . 81.3.1攪拌摩擦焊接原理 . 81.3.2攪

7、拌摩擦焊接工藝特點(diǎn) . 91.4捍縫金相組織及力學(xué)性能 .111.4.1焊縫組織特點(diǎn) .111.4.2焊縫的顯微組織演變 . 141.5應(yīng)用前景 . 171.6本論文的目的、意義 . 18第2章 試驗(yàn)材料設(shè)備及試驗(yàn)方法 . 192.1試驗(yàn)材料 . 192.2試驗(yàn)內(nèi)容 . 192.2.1工藝試驗(yàn) . 192.2.1.1試驗(yàn)設(shè)備 . 202.2.1.2焊接前準(zhǔn)備 . 232.2.1.3試驗(yàn)方法 . 232.2.2工藝試驗(yàn)方案 . 232.2.2.1工藝參數(shù)的制定 . 232.2.3拉伸試驗(yàn) . 272.2.4彎曲試驗(yàn) . 272.2.5沖擊試驗(yàn) . 282.2.6微型剪切試驗(yàn) . 302.2.7硬

8、度試驗(yàn) . 312.2.8金相試驗(yàn) . 31第3章 試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 333.1工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面的影響 . 333.2拉伸試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 363.3彎曲試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 373.4沖擊試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 383.5微型剪切試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 393.6硬度試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 413.7金相試驗(yàn)結(jié)果及分析 . 443.8攪拌摩擦焊表面缺陷分析 . 523.9焊接接頭內(nèi)部缺陷分析 . 53第4章6005鋁合金攪拌摩擦焊和MIG 焊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 . . 54結(jié)論 . 55致謝 . 56參考文獻(xiàn) . 57附表 . 59第1章 緒論傳統(tǒng)摩擦焊是在軸向壓力與扭矩作用下，利用焊接接觸端面之間的相對(duì)

9、運(yùn)動(dòng) 及塑性流動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱及塑性變形熱，使接觸面及其近區(qū)達(dá)到粘塑性狀態(tài)并 產(chǎn)生適當(dāng)?shù)暮暧^塑性變形，然后迅速頂鍛而完成焊接的一種壓焊方法。摩擦焊接以其優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、無污染的特色，在航空、航天、核能、海 洋開發(fā)等高技術(shù)領(lǐng)域及電力、機(jī)械制造、石油鉆探、汽車制造等產(chǎn)業(yè)部門得到了 廣泛的應(yīng)用。 然而，傳統(tǒng)摩擦焊接過程中必須有一個(gè)工件是回轉(zhuǎn)體，主要用于截面盤軸類 零件的焊接，因而其應(yīng)用受到一定的限制。近年來，隨著金屬材料、結(jié)構(gòu)的發(fā)展，需克服傳統(tǒng)摩擦焊接的被焊工件幾何 形狀的限制并提高生產(chǎn)率，傳統(tǒng)摩擦焊接工藝方法已由傳統(tǒng)的幾種形式發(fā)展到了 目前的十多種形式(見圖1-1 ，這極大地?cái)U(kuò)展了傳統(tǒng)摩擦焊接的

10、應(yīng)用領(lǐng)域。被焊 接零件的幾何形狀也由典型的圓截面擴(kuò)展到了非圓截面和板材等形狀，所焊接的 材料也由傳統(tǒng)的金屬材料拓寬到了粉末合金、復(fù)合材料、功能材料、難溶材料、 以及陶瓷一金屬等等新型材料及特種材料領(lǐng)域。一些特殊摩擦焊接技術(shù)如徑向摩擦焊接、線性摩擦焊接的研究工作己引起人們的重視，但實(shí)際應(yīng)用很少。而新興的攪拌摩擦焊接(FrictionstirWelding是對(duì)傳統(tǒng)摩擦焊接技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，是21世紀(jì)國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。攪拌摩擦焊接(FrietionStirwelding是英國(guó)焊接研究所(TheWeldingInstitute于1991年發(fā)明并申請(qǐng)了專利的一種新型焊接方法，它是一種用于低熔點(diǎn)鋁合金板材

11、焊接的固態(tài)連接技術(shù)。瑞典ESAB 公司是第一家生產(chǎn)攪拌摩擦焊機(jī)的企業(yè)，在第十四屆國(guó)際焊接展覽會(huì)上展出的ESAB 生產(chǎn)的焊機(jī)，能夠以750mm/min焊接速度焊接5mm 厚的6000系列鋁合金。目前，在TWI 的實(shí)驗(yàn)基地安裝了他們研制的SuperStirTM 攪拌摩擦焊設(shè)備。挪威一家造船廠已經(jīng)使用了他們生產(chǎn)的PowerstirTM 攪拌摩擦焊機(jī)，用于快艇的鋁合金結(jié)構(gòu)件的連接。1.2.1美國(guó)愛迪生焊接研究所(簡(jiǎn)稱EWD 生產(chǎn)的攪拌摩擦焊設(shè)備(l龍門式(移動(dòng)構(gòu)架式 攪拌摩擦焊設(shè)備 (FW21:它可焊接2m 長(zhǎng)的直焊縫，最大焊接速度 1.0m/min，適用于板厚3-15mm 的鋁合金材料，工件允許的最

12、大尺寸為:長(zhǎng) 2.0m 、寬 1.2m。(2組合式攪拌摩擦焊設(shè)備(FW22:該設(shè)備目前是TWI 最大的實(shí)驗(yàn)用攪拌摩擦焊機(jī)，可用于焊接大尺寸工件的直焊縫、環(huán)焊縫。最大焊接速度 1.2m/min，工件允許的最大尺寸為:長(zhǎng)3.4m 、寬4m 。(3工裝復(fù)雜的攪拌摩擦焊設(shè)備 (FW18、FW14:最大焊接速度 1.0m/min，板厚的適用范圍是鋁合金單面焊5-50mm ，雙面焊10-100mm; 鈦合金單面焊5mm 。(4用于焊接鋁合金薄板的高轉(zhuǎn)速攪拌摩擦焊設(shè)備(FW20:最大焊接速度2.6m/min，最大旋轉(zhuǎn)速度15000r/min，常用于焊接厚1.2一12mm 的鋁合金材料。(5用于演示攪拌摩擦焊

13、工藝的設(shè)備 (FW16，其工作電壓為 110V或220一240V ?？稍诹呅武X合金花盤上形成環(huán)形的FSW 焊縫。此外，EWI 還生產(chǎn)一種小型焊機(jī)，將它與大型焊機(jī)聯(lián)合使用，用于1.5m ×3.0m 板材的焊接，它能控制載荷或位移，可生產(chǎn)非線形焊縫。此外，還有以下幾種攪拌摩擦焊機(jī):見圖1-21-7 攪拌摩擦焊接時(shí)，熱量主要來自于焊針與工件的摩擦。焊針的直徑過大時(shí)，焊接區(qū)斷面面積增大，熱影響區(qū)變寬，同時(shí)攪拌焊針向前移動(dòng)時(shí)阻力增大; 焊針的尺寸過小時(shí)，摩擦產(chǎn)生的熱量不足，焊接區(qū)熱塑性材料的流動(dòng)性差，攪拌焊針向前移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的側(cè)向擠壓力減小，不利于形成致密的焊縫組織。研究結(jié)果表明，攪拌焊針的

14、直徑為工件厚度的0.91.1倍時(shí)，焊縫質(zhì)量較好。當(dāng)攪拌焊頭的肩部直徑與焊針直徑之比為3:1時(shí)，在適宜的工藝參數(shù)下施焊，容易獲得較高質(zhì)量的焊縫。相對(duì)于其它材料，工程陶瓷氧化錯(cuò)作為攪拌頭材料比普通攪拌頭多產(chǎn)熱30%70%。高速度的熱輸入意味著有高的焊接速度。常用的攪拌頭材料為:馬氏體不銹鋼SUS440C 、S45C 中碳鋼、高碳鋼、工具鋼等。目前攪拌焊頭的形狀主要有圓柱形、圓錐形、螺旋形。螺旋形攪拌焊頭在旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，可產(chǎn)生向下的鍛造力，更有利于焊縫金屬的焊合及成形。 TWI研制了Skew-stirTM 、WhoriTM 、 MXTrifiuteTM、TrivexTM 和MXTrivexTM 等系列

15、的攪拌頭，NASA 研制了可伸縮式的攪拌頭，這些系列的攪拌頭可針對(duì)不同情況下的攪拌摩擦焊接。另外實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的三種攪拌頭如圖1-8所示 圖1-8設(shè)計(jì)的三種攪拌頭下面從不同的角度來對(duì)攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀作一個(gè)概要說明:目前研究較多的是鋁合金的焊接，用攪拌摩擦焊已成功焊接了2000系列(Al-Cu、5000系列(Al-Mg、6000系列(AI-Mg-51、7000系列(Al-Zn、8000系列(Al-Li等鋁合金。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，用攪拌摩擦焊焊接鋁鏗合金時(shí)，合金的局部最高溫度僅約500，能夠防止焊縫中鏗元素的揮發(fā)。采用攪拌摩擦焊還能解決siC 增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的焊接問題，能防止界面反應(yīng)的發(fā)生。鋁合

16、金是一種高比強(qiáng)度的材料，常用于飛機(jī)、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中，采用鋁 合金構(gòu)件可以減輕這些結(jié)構(gòu)的重量，提高它們的綜合性能。但由于在熔化焊時(shí)易 產(chǎn)生氣孔、裂紋、變形等缺陷。使焊接性能降低，故鋁合金零件的連接多采用鉚 接或機(jī)械連接，因此，限制了鋁合金在飛機(jī)、汽車、船舶等結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用17。 利用攪拌摩擦焊接技術(shù)，可以克服熔化焊時(shí)的缺陷，且焊接接頭的性能也不 會(huì)降低，現(xiàn)已可以用該方法焊接厚達(dá)75mm 的鋁合金板材。而且攪拌摩擦焊接的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷拓展。最初，攪拌摩擦焊接技術(shù)主要 用于焊接鋁鏗合金，這是因?yàn)殇X鏗合金是一種比強(qiáng)度更高、綜合性能更好的輕型 結(jié)構(gòu)材料，并且用攪拌摩擦焊接方法焊接鋁鏗合金取得了很好的

17、效果。后來，英美等國(guó)進(jìn)行了Zn 、Cu 、Ti 、低碳鋼及復(fù)合材料等的攪拌摩擦焊接技術(shù)的研究?，F(xiàn)在，攪拌摩擦焊接技術(shù)已經(jīng)能夠用來焊接其它有色金屬，如鉛、鋅、鎂合金、銅及銅合金、欽合金等，甚至能夠用于焊接黑色金屬，如鋼等。目前對(duì)攪拌摩擦焊接接頭形成機(jī)理的研究還處于起步階段。英國(guó)劍橋大學(xué)的 H.R.shercliff 、美國(guó)Ewi 的z.Feng 等開發(fā)了一種模擬攪拌摩擦焊熱過程的加熱模 型，利用該模型，可以更快更精確地計(jì)算出焊接工藝參數(shù)，更好地了解材料流動(dòng) 的途徑和塑性變形的大小，從而可以更好地了解該工藝的加熱與接合機(jī)理。挪威Hydro 鋁業(yè)公司、美國(guó)Rockwell 科學(xué)中心和波音公司、日本S

18、ulnitomo 輕金屬工業(yè)公司、德國(guó)GKSS 研究中心和瑞典ESAB 公司(世界最大的焊接設(shè)備 制造商 等研究了攪拌摩擦焊的工藝過程、焊縫性能、微觀組織和腐蝕性能等。 EWI 等還進(jìn)行了相關(guān)的模擬試驗(yàn)研究，并建立了攪拌摩擦焊的熱模型。該模型的理論是，焊接過程中的熱量是由工具突肩的邊緣產(chǎn)生的，它能預(yù)先確定最后形成的溫度分布，能夠?qū)Υ_定的溫度分布和形成這些溫度分布的工藝條件作出簡(jiǎn)單明了的解釋。利用該模型能很快地計(jì)算出焊接工藝參數(shù)，能夠?qū)嚢枘Σ梁傅募訜徇^程和焊接機(jī)理有一個(gè)較好的了解。攪拌摩擦焊接的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，理論研究尚不成熟。但隨著攪拌摩擦焊接理論和技術(shù)的不斷發(fā)展與日臻完善，其應(yīng)用必將愈來愈廣

19、。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)很簡(jiǎn)單，最重要的參數(shù)是:焊頭的尺寸、焊頭的圓周速度、以及焊頭的相對(duì)移動(dòng)速度(即焊接速度 。一般來說，對(duì)于鋁合金的焊接，焊頭的旋轉(zhuǎn)速度可以從幾百r/min到上千r/min。焊接速度一般在lmn/s15mn/s之間。所以，攪拌摩擦焊可以很方便的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。另外，在焊接過程中焊頭要壓緊工件。 例如，對(duì)1100和6061冷軋板進(jìn)行攪拌摩擦焊:板厚為6.3mm ，焊頭的直徑為6.3mm ，長(zhǎng)度為5.8mm 。當(dāng)焊接速度為14mm/s，焊頭的轉(zhuǎn)速在2002000r/mln的范圍改變時(shí)，形成優(yōu)質(zhì)焊縫的最佳轉(zhuǎn)速是400r/min。在轉(zhuǎn)速過高時(shí)，例如超過 10000r/min，引起材料應(yīng)變

20、速率增加，可能影響焊縫的再結(jié)晶過程。攪拌摩擦焊接技術(shù)的主要工藝參數(shù)是摩擦速度及時(shí)間，關(guān)鍵技術(shù)在于特殊結(jié) 構(gòu)形狀的焊頭及相應(yīng)的工藝參數(shù)。對(duì)于不同的焊接對(duì)象，焊頭形式，焊頭的材料 和形狀及攪拌摩擦焊接的工藝都應(yīng)不同。攪拌摩擦焊接的應(yīng)用范圍首先取決于焊接工具研制的進(jìn)展情況，該焊接工具是攪拌摩擦焊方法的核心。這是因?yàn)?工具的形狀決定了塑化焊縫金屬受熱、塑性流動(dòng)和被頂鍛的方式:工具的大小決定了焊縫大小; 工具的材料決定了摩擦加熱的速度和工具的強(qiáng)度、以及工具的工作溫度，后者最終決定了哪些材料能夠進(jìn)行 攪拌摩擦焊接。因此，為了焊接具有更高熔點(diǎn)的材料，研制具有足夠高溫強(qiáng)度和 耐磨性的工具材料至關(guān)重要。例如就欽

21、合金的攪拌摩擦焊接而言，主要問題是難 以找到適當(dāng)?shù)墓ぞ卟牧?，將通常用于鋁合金的焊接工具用于欽合金，工具會(huì)因工 作溫度過高而失效。攪拌摩擦焊的焊速比熔化焊要慢，為了充分發(fā)揮攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)，提高焊接速度，有必要進(jìn)行提高攪拌摩擦焊速度的研究。此外，隨著攪拌摩擦焊應(yīng)用的日益廣泛，曲面零件的攪拌摩擦焊也是重要的研究科題之一。英國(guó)的TWI 已經(jīng)研制成功可以焊接厚度為3-15mm ，長(zhǎng)寬分別為4mx3.4m 板材的焊機(jī)，焊接速度可達(dá)1.2m/min。TWI 的合作伙伴之一，世界著名的焊機(jī)制造商ESAB ，為挪威的Marine Aluminuln 等生產(chǎn)了攪拌摩擦焊機(jī)，焊接了大量焊縫。Boeing 公司也斥

22、資幾百萬美元，請(qǐng)ESAB 公司為其設(shè)計(jì)生產(chǎn)大型低溫容器。瑞典ESAB 公司按可證制造的專用焊接設(shè)備Super-Stir ，已在歐美航空、航天工藝中開始應(yīng)用。目前，攪拌摩擦焊單面可焊厚度可達(dá)225mm。，雙面焊厚度可達(dá)50mm 。用常規(guī)熔化焊方法不能焊接的2xxx 、7xxx 系列鋁合金，采用攪拌摩擦焊接可以使其焊接性能大為改善。與亞弧焊相比，同一種鋁合金的攪拌摩擦焊接頭的強(qiáng)度 高15%20%，延伸率高一倍，斷裂韌度高30%，接頭區(qū)為細(xì)晶組織，焊縫中無氣孔、裂紋等缺陷; 此外，工件焊后殘余變形很小，焊縫中殘余應(yīng)力很低。這種方法的缺點(diǎn)是, 為了避免攪拌引起的振動(dòng)力使工件偏離正確的裝配方向，在施焊時(shí)

23、必須把工件剛性固定，從而使它的工藝柔性受到限制。國(guó)內(nèi)己有數(shù)家研究單位對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并在常規(guī)鋁合金薄板連接方面取得了一定的進(jìn)展。中南大學(xué)等單位已對(duì)鋁合金厚板的攪拌摩擦焊進(jìn)行了技術(shù)基礎(chǔ)研究，對(duì)2000、6000、7000系列鋁合金及超硬LC52鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊工藝實(shí)驗(yàn)，取得了顯著的進(jìn)展，實(shí)驗(yàn)效果良好。與傳統(tǒng)摩擦焊一樣，攪拌摩擦焊也是利用摩擦熱作為焊接熱源。不同之處在 于，攪拌摩擦焊的焊接過程是由焊頭的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的相對(duì)直線移動(dòng)、并 通過對(duì)焊接材料的高溫摩擦與攪拌來完成焊接的。攪拌摩擦焊的工作原理如圖1一1所示。在攪拌摩擦焊的焊接過程中，一個(gè)帶有圓柱形突肩的特殊形狀的焊頭旋

24、轉(zhuǎn)并緩慢插入兩塊對(duì)接板材之間的焊縫處。對(duì)接板材必須用壓板夾緊，以防止對(duì)接接頭面分開。焊頭的長(zhǎng)度應(yīng)與焊縫的深度相近2l。 在旋轉(zhuǎn)的焊頭接觸工件表面時(shí)快速摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使接觸點(diǎn)材料的溫度升高，強(qiáng)度降低。焊頭在外加力的作用下不斷頂鍛和擠壓接縫兩邊的材料，直至臺(tái)肩緊密接觸工件表面為止。這時(shí)，在旋轉(zhuǎn)臺(tái)肩和焊頭產(chǎn)生的摩擦熱和擠壓力的聯(lián)合作用下，工具臺(tái)肩和焊頭周圍形成塑化層。在工件相對(duì)焊頭移動(dòng)或焊頭相對(duì)工件移動(dòng)的情況下，利用在焊針側(cè)面和旋轉(zhuǎn) 方向上產(chǎn)生的機(jī)械攪拌和頂鍛作用，焊針的前表面把塑化的材料磨碎并移送到后 表面。因而，在焊針沿著接縫前進(jìn)時(shí)，只是工具前頭的對(duì)接接頭表面被摩擦加熱 至超塑性狀態(tài)。結(jié)果，焊

25、針磨碎接縫，破碎氧化膜，攪拌和重組工具后方的磨碎 材料，工具后方的材料冷卻后就形成固態(tài)焊縫。這種方法可以看作是一種利用固相小孔效應(yīng)的焊接方法，在焊接過程中，焊 針?biāo)谔幮纬尚】祝】自陔S后的焊接過程中又被填滿20。在攪拌摩擦焊的焊接過程中，焊頭的作用是對(duì)焊縫金屬進(jìn)行摩擦和攪拌; 臺(tái) 肩則主要用于與工件表面摩擦生熱，并用于防止塑性狀態(tài)材料的溢出，同時(shí)可以 起到清除表面氧化膜的作用。對(duì)攪拌摩擦焊設(shè)備的要求主要表現(xiàn)在以下方面:焊接運(yùn)動(dòng)、剛度、抗震性、 壓力與速度自動(dòng)控制及工裝。攪拌摩擦焊接的主要工藝特點(diǎn)為:1、保持母材的冶金性能，接頭力學(xué)性能好由于攪拌摩擦焊接過程中接頭部位不存在金屬的熔化，故攪拌摩

26、擦焊是一種 固相焊接方法。以6061一T6高強(qiáng)度鋁合金為例，該合金的熔化溫度約為582，而焊縫中心的最高溫度僅450左右，所以攪拌摩擦焊時(shí)不會(huì)產(chǎn)生與金屬熔化有關(guān)的各種焊接缺陷，可以焊接用熔焊方法難于焊接的材料，如2000、7000系列的硬鋁及超硬鋁，并且可以在任意位置進(jìn)行焊接。由于攪拌摩擦焊是一種固相焊接方法，在焊接鋁合金時(shí)不會(huì)產(chǎn)生與熔化焊有 關(guān)的焊接缺陷，也不會(huì)降低焊接接頭的性能，而且，焊縫金屬的晶粒結(jié)構(gòu)比母材 金屬的更細(xì)小，焊縫金屬的強(qiáng)度超過熱影響區(qū)金屬的強(qiáng)度，沒有焊縫金屬蒸發(fā)產(chǎn) 生的合金元屬損失，不改變合金的成分，因此接頭的力學(xué)性能好，并且在焊前和 焊接過程中對(duì)環(huán)境的污染小，焊前工件無須

27、進(jìn)行嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺。2、捍后變形小、殘余應(yīng)力小在鋁合金特別是薄板熔化焊接時(shí)，結(jié)構(gòu)的平面外變形是非常明顯的，無論是采用無變形焊接技術(shù)，還是采用焊后冷、熱校形技術(shù)，都是非常麻煩的，而且增加了結(jié)構(gòu)的制造成本。而攪拌摩擦焊則可以克服這些缺陷。這是由于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接后結(jié)構(gòu)的變形量和殘余應(yīng)力比熔化焊的小得多。同時(shí)，由于不存在熔焊過程中接頭部位大范圍的熱塑性變形過程，焊后接頭的內(nèi)應(yīng)力小、變形小，基本可實(shí)現(xiàn)板件的低應(yīng)力無變形焊接。3、不需要焊料攪拌摩擦焊通過工件與焊接工具之間的摩擦產(chǎn)生足夠的熱量將工件兩部份連接在一起

28、，因此，在攪拌摩擦焊焊接過程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊絲、焊條、焊劑、及保護(hù)氣體等。唯一消耗的是焊接攪拌頭。通常在鋁合金焊接時(shí)，一個(gè)工具鋼攪拌頭可焊數(shù)百米長(zhǎng)的焊縫。4、設(shè)備簡(jiǎn)單，效率高，適合大型結(jié)構(gòu)的焊接攪拌摩擦焊還具有設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，能量利用效率高(可以用總功率3KW 的設(shè)備焊接12.5mm 深單焊道焊縫的鋁合金8 ，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不需填充金屬或保護(hù)氣體，能全位置焊接，適用于多種接頭形式和不需要特殊的焊接技能等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于攪拌摩擦焊僅僅是靠焊頭旋轉(zhuǎn)并移動(dòng)，逐步實(shí)現(xiàn)整條焊縫的連接，所以比熔化焊甚至常規(guī)焊更節(jié)省能源。而且對(duì)擠壓型材進(jìn)行焊接，可制成大型結(jié)構(gòu)，如船板、框架、平臺(tái)等。5

29、、能實(shí)現(xiàn)不同材料的連接，可焊熱裂紋敏感的材料攪拌摩擦焊能實(shí)現(xiàn)不同材料的焊接，如鑄件和擠壓件之間的連接，金屬與非金屬材料的連接等。由于攪拌摩擦焊消除了熔化焊所形成的裂紋，如液化裂紋或結(jié)晶裂紋，因此可以焊接熱裂紋敏感的材料，如鋅等。6、不需開專門的坡口，適合多種接頭形式:對(duì)接、搭接和角接。原則上，攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)仰焊和俯焊:_可實(shí)現(xiàn)多種形式的焊接接頭，如對(duì)接、角接、搭接接頭(如圖l 一2所示 ，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接。 攪拌摩擦焊接頭的金相組織顯微簡(jiǎn)圖如圖1一3所示。焊核位于焊縫中心，內(nèi)部組織是清晰的洋蔥狀，由一系列的橢圓組成。在焊縫的上部，焊核延伸到焊縫表面，比焊針大，比軸肩小，焊核

30、偶爾會(huì)延伸到焊件底部。焊核的外貌取決于焊針的形狀、焊接參數(shù)和被焊材料的強(qiáng)度。 另外，通過對(duì)攪拌摩擦焊焊接接頭的金相分析以及顯微硬度分析可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊的焊縫組織可分為A 、B 、C 、D 四個(gè)區(qū)域(如圖1一3所示:A區(qū)為母材區(qū)，無熱影響也無熱變形;B 區(qū)為熱影響區(qū)(HAZ，該區(qū)域的材料因受熱循環(huán)的影響，微觀組織和力學(xué)性能均發(fā)生了變化，但沒有發(fā)生塑性變形;C 區(qū)為熱變形影響區(qū)(TMAZ，該區(qū)域材料已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。就鋁合金而言，再結(jié)晶區(qū)域和TMAZ 之間通常有明顯的界限，但在其它沒有熱致相變的材料中，如在純鈦、鈦合金、奧氏體不銹鋼和銅中，似乎TMAZ 整體已再結(jié)晶化，產(chǎn)生了應(yīng)變?cè)俳Y(jié)晶

31、，這可能使得HAZ/TMAZ的邊界難以精確劃分。D 為焊核（熱變行影響區(qū)的一部分），焊核是最接近工具臺(tái)肩的區(qū)域（很明顯是TMAZ 的一部分），組織結(jié)構(gòu)通常有較大變化。該區(qū)域可以看作是TMAZ 的一個(gè)單獨(dú)的分區(qū)。在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外，其金相組織與母材沒有多大區(qū)別。對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化或加工硬化的合金，從焊接區(qū)傳導(dǎo)的熱量使熱量影響區(qū)過時(shí)效或位錯(cuò)密度下降使焊后接頭熱影響區(qū)的硬度下降。在焊接接頭的熱變形影響區(qū)，焊接過程引起長(zhǎng)晶粒的彎曲和輕微的重結(jié)晶，焊接熱循環(huán) 使得此區(qū)的退火過程發(fā)生的早一些，而且時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化的合金，這一區(qū)域的硬度最低。從圖1-4中顯微組織塑變流程的走向

32、可以明顯看出熱影響區(qū)（TMAZ 的存在。 圖1-4焊縫組織金像圖片 圖1-5（a ）焊縫硬度分布由圖1一5所示的焊接接頭硬度分布也能證明攪拌影響區(qū)的存在。6061一T6(Al一Mg 一Si 一Cu 為冷軋時(shí)效強(qiáng)化鋁合金，溫度的升高會(huì)造成材料硬度和強(qiáng)度的降低，但由于攪拌的影響，使得近鄰焊縫區(qū)域的材料發(fā)生變形強(qiáng)化，從而形成熱變形影響區(qū)(TMAZ。在圖1一5中，硬度最低點(diǎn)至焊縫邊界之間的區(qū)域即為熱變形影響區(qū)(TMAZ。 焊核區(qū)的金相組織是明顯的等軸晶粒，并且非常細(xì)小，晶粒尺寸取決于所焊合金及焊接過程，但普遍小于10級(jí)，焊核區(qū)的硬度比熱變形影響區(qū)的要高，但比母材的硬度要低(如圖1一5所示 。在高強(qiáng)度鋁

33、合金的攪拌摩擦焊接中，用于反映熱影響區(qū)(HAZ的顯微組織演變的研究可參考特別是Grong ，Myh 和Bj mekiett 等34，35，39，43的文章。這些文章描述了在焊接過程中依次發(fā)生的分解、再次沉淀、和自然時(shí)效問題。硬化沉淀相的分解(例如:6000系列和7000系列中的或相 是焊接中強(qiáng)度損失的主要因素。同時(shí)，發(fā)生在熱循環(huán)隨后的冷卻中的非硬化相(如:或相 的成長(zhǎng)，導(dǎo)致了鋁質(zhì)母材中熔質(zhì)的損耗。這又輪流地減少了潛在的硬化沉淀相，并在長(zhǎng)時(shí)間的室溫時(shí)效后，促成了焊縫HAZ 的部分回復(fù)區(qū)中一個(gè)長(zhǎng)期軟化區(qū)的形成。下面以6000系鋁合金為例，來分別說明攪拌摩擦焊接中硬度分布、峰值溫度與顯微組織演變的關(guān)

34、系。1、硬度分布與顯微組織演變的關(guān)系Yutakatt 等通過溫度循環(huán)熱模擬試驗(yàn)，對(duì)攪拌摩擦焊接過程中鋁合金的HAZ 組織演變進(jìn)行了研究。焊縫焊合區(qū)中沉淀相的分布與硬度的關(guān)系簡(jiǎn)圖如圖1一6所示。從圖中可見，母材區(qū)中含有大量的針狀沉淀相和少量的桿狀沉淀相; 但在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)中，僅針狀沉淀相顯著減少，而桿狀沉淀相增加了，然而此處的硬度卻比母材的要減少很多。由此可見硬度與顯微組織演變的關(guān)系為:在焊合區(qū)中，隨著顯微硬度的降低，顯微組織中的針狀沉淀相顯著減少40,41。 圖1-6 沉淀相與硬度關(guān)系圖2、峰值溫度與顯微組織演變的關(guān)系在Al 一Mg 一si 系的平衡相圖中，有一個(gè)(Al+Mg2Si 的偽二元共

35、晶截面，該偽二元共晶成分為8.25%Mg，4.75%Si，其共晶溫度為595。在攪拌摩擦焊接過程中，該Al 一Mg 2Si 偽二元共晶體的演變順序?yàn)槿缦滤?過飽和的固溶體針狀沉淀相相Mg 2Si在一些對(duì)AI 一Mg 一Si 合金的研究文獻(xiàn)中4l，長(zhǎng)度大約為2050nm的成形良好的針狀沉淀相，又稱為GP 區(qū)，或稱為相。為了對(duì)焊合區(qū)顯微組織的演變進(jìn)行更深入的研究，并根據(jù)焊縫側(cè)面硬度分布的特征，可將焊合區(qū)劃分為四個(gè)區(qū)，如下圖1一7所示，D 區(qū)為焊縫硬度大致相同的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū);C 區(qū)為焊縫硬度最低的區(qū)域，即熱變形影響區(qū)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶區(qū)的交界處;B 區(qū)為熱變形影響區(qū)中硬度適中的區(qū)域;A 區(qū)為硬度接近母材

36、的熱影響區(qū)與母材區(qū)的交界處 圖1一7焊縫鍘面硬度分區(qū)圖國(guó)外一些學(xué)者通過熱模擬試驗(yàn)，并通過與圖1一6中的沉淀相進(jìn)行對(duì)照，揭示了焊縫中D 、C 、B 區(qū)中的沉淀相的演變順序。在如下圖1一8所示的熱循環(huán)的作用下(其中cycle l為施加在D 區(qū)的焊接熱循環(huán):cyde 2為施加在C 區(qū)的焊接熱循環(huán);cyde 3為施加在D 區(qū)的焊接熱循環(huán) ，焊縫中的顯微組織會(huì)經(jīng)過以下幾步演變:第一步，隨著焊縫摩擦溫度的上升，針狀沉淀相(即相 的穩(wěn)定性逐漸減小，如step 1所示; 第二步，隨著摩擦溫度的進(jìn)一步上升，D 區(qū)和C 區(qū)中的針狀沉淀相發(fā)生溶解，如step2-1所示，而B 區(qū)中還有一部分針狀沉淀相沒有發(fā)生溶解，如

37、step2-2所示; 第三步，D 區(qū)中溫度超過了相的固溶溫度，相溶解，如step3-1所示，但在C 區(qū)中的峰值溫度要低于相的固溶溫度，此處的相不會(huì)溶解，如step3-2所示，而在B 區(qū)中的部分針狀沉淀相將轉(zhuǎn)變成相，如step3-3所示。然而，這些區(qū)域中溫度循環(huán)的峰值溫度都低于-Mg 2Si 的固溶溫度(79lK，或518 ，而且這些區(qū)域處于峰值溫度的時(shí)間都很短，所以在熱循環(huán)中重新生成的-Mg 2Si 會(huì)發(fā)生溶解。 圖1一8焊縫組織演變關(guān)系圖通過對(duì)照?qǐng)D1一6至圖1一8中溫度與針狀沉淀相(即相 和桿狀沉淀相的增減情況，可見:在攪拌摩擦焊接過程中，隨著焊接溫度的上升，焊合區(qū)中的針狀沉淀相顯著減少，桿

38、狀沉淀相基本上沒有減少，而硬度降低很快，這就揭示了針狀沉淀相(即相 的分解是攪拌摩擦焊縫中強(qiáng)度損失的主要因素。攪拌摩擦焊過程實(shí)際上是一種熱變形剪切過程。在該過程中，焊頭與焊接工件的劇烈摩擦使工件局部溫度升高，并引起強(qiáng)烈的塑性變形，焊合處的屈服強(qiáng)度降低至低于承受的剪切應(yīng)力，焊頭產(chǎn)生的流體靜壓力能夠使材料從工具前邊流向工具后邊并形成固相接頭。從理論上講，如果焊頭在被焊材料的塑化溫度下具有足夠的熱強(qiáng)度，則所有能夠受摩擦加熱局部塑化的材料都能進(jìn)行攪拌摩擦焊。即攪拌摩擦焊不只限于能夠焊接鋁合金，焊接銅合金、欽合金等也是可能的。攪拌摩擦焊的應(yīng)用范圍首先取決于焊接工具研制的進(jìn)展情況，該焊接工具是攪拌摩擦焊方

39、法的核心。工具的形狀決定塑化焊縫金屬受熱、塑性流動(dòng)和被頂鍛的方式; 工具的大小決定了焊縫大小; 工具的材料決定了摩擦加熱的速度和工具的強(qiáng)度、工具溫度，后者最終決定了哪些材料能夠進(jìn)行攪拌摩擦焊接。因而，為了焊接具有更高熔點(diǎn)的材料，研制具有足夠熱強(qiáng)度和耐磨性的工具材料至關(guān)重要。例如就欽合金的攪拌摩擦焊而言，主要問題是難以找到適當(dāng)?shù)墓ぞ卟牧?，因?yàn)閷⑼ǔＳ糜阡X合金的工具用于欽合金，工具會(huì)因高的工作溫度而失效。攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能(包括斷裂、疲勞、腐蝕性能 、冶金性能、破壞機(jī)理、模擬試驗(yàn)以及無損檢測(cè)等的研究是推廣應(yīng)用攪拌摩擦焊的基礎(chǔ)，對(duì)其作更加深入細(xì)致的研究是十分必要的。攪拌摩擦焊的焊速比溶化焊的慢

40、，為了充分發(fā)揮攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn)，提高焊接速度，有必要進(jìn)行提高攪拌摩擦焊速度的研究。此外，隨著攪拌摩擦焊應(yīng)用的日益廣泛，曲面零件的攪拌摩擦焊也是重要的研究科題之一。攪拌摩擦焊的應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，理論研究尚不成熟。但隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的不斷發(fā)展和日臻完善，其應(yīng)用必將愈來愈廣。1.6本論文的目的、意義隨著現(xiàn)代交通的高速發(fā)展, 對(duì)交通工具中應(yīng)用的材料性能要求越來越高. 鋁合金制品因其質(zhì)輕、耐蝕性好、拉伸性能好等特點(diǎn), 可實(shí)現(xiàn)其型材的大型寬體化. 為此, 鋁合金在高速列車車體中的應(yīng)用已成為當(dāng)今世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)。6005鋁合金因其熱擠壓成型性、耐蝕性、焊接性能均非常優(yōu)異且強(qiáng)度可滿足高速列車用材料的要求，日本

41、、西歐等國(guó)廣泛采用6005鋁合金制造高速列車車體。我國(guó)許多科研工作者也在該領(lǐng)域開展了大量的研究工作。目前,6005鋁合金大型擠壓型材已研制成功并投入生產(chǎn), 逐步成為高速列車用大型鋁合金型材的主要用材之一。隨著我國(guó)鐵路交通事業(yè)的發(fā)展,6005合金必將有廣泛的應(yīng)用前景. 雖然6005鋁合金有著良好的綜合性能, 但其尚無完善的工藝技術(shù)，還需要實(shí)驗(yàn)研究，進(jìn)一步制定合理的工藝技術(shù)，以滿足以后的生產(chǎn)。第2章 試驗(yàn)材料設(shè)備及試驗(yàn)方法本論文是對(duì)高速客車車體6005鋁合金攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)研究，6005屬于Al-Mg-Si 系合金, 它具有中等強(qiáng)度, 良好的塑性、抗蝕性、焊接性及加工成形性, 綜合性能優(yōu)良。60

42、05合金主要用于制造焊接結(jié)構(gòu)件、高塑性和高抗蝕性的機(jī)械零件, 近年來該合金厚板成為制造高速列車車頭的重要材料。其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB3190-96, 見表2-1。其力學(xué)性能見表2-2。6005板材尺寸為300mm ×150mm ×6mm 。表2-1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分（） 表2-2 實(shí)驗(yàn)材料的力學(xué)性能 用攪拌摩擦焊機(jī)對(duì)6005鋁合金板材進(jìn)行焊接，并對(duì)已經(jīng)焊好的板材進(jìn)行拉伸彎曲沖擊殘余應(yīng)力及微型剪切的測(cè)試，研究板材的機(jī)械性能，再對(duì)試樣進(jìn)行金相分析，并測(cè)其維氏硬度值，進(jìn)行微觀分析，得出相應(yīng)的結(jié)論。（1）本試驗(yàn)所用板材和設(shè)備由西南交通大學(xué)提供，在西南交通大學(xué)焊接試驗(yàn)室完成焊接，如圖2-1所示。設(shè)備型號(hào)為JBM01-06。整套設(shè)備系統(tǒng)包括精密主軸單元、三坐標(biāo)數(shù)控移動(dòng)工作臺(tái)、平移氣泵、機(jī)頭滑枕、夾具先進(jìn)的控制、記錄系統(tǒng)等組成。該設(shè)備可以焊接厚度為312mm所有牌號(hào)的鋁合金板材，以及鋁基復(fù)合材料，鋅及鋅合金，銅及銅合金，鎂及鎂合金，鉛及鉛合金，鈦及鈦合金，碳銅及不銹鋼等，還可以完成不同材料的焊接，能實(shí)現(xiàn)對(duì)接、丁字搭接等多種接頭方式，并大大提高焊接接頭的力學(xué)性能，排除了熔焊產(chǎn)生缺陷的可能性。 （2）用于測(cè)拉伸性能的試驗(yàn)設(shè)備是