第二章攪拌摩擦焊

1、第二章第二章 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能第五節(jié)第五節(jié) 攪拌摩擦焊的應(yīng)用攪拌摩擦焊的應(yīng)用第二章第二章 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊2/13近年來，為了保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源，人們強(qiáng)烈希望汽車、飛機(jī)、機(jī)車車輛、船舶等運(yùn)輸機(jī)械輕量化。為此，積極開發(fā)、研制適用于這些運(yùn)輸機(jī)械的輕金屬材料，例如鋁及其鋁合金。鋁及其鋁合金材料由于重量輕、抗腐蝕、易成形等優(yōu)點；隨著新型硬鋁、超硬鋁等材料的出現(xiàn)，使得

2、這類材料的性能不斷提高，因而在航空、航天、高速列車、高速艦船、汽車等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。除了運(yùn)輸機(jī)械外，土木建筑、橋梁等領(lǐng)域也引入了鋁及其鋁合金。這些結(jié)構(gòu)的安裝連接主要以焊接為主要連接方式。在鋁及其鋁合金的焊接中，存在的主要問題之一是由于它的膨脹系數(shù)大而在焊接時產(chǎn)生較大的變形。為了防止變形，在施工現(xiàn)場，必須采用胎卡具固定，和由培訓(xùn)過的熟練工人操作。因為鋁及其鋁合金容易氧化，表面存在一層致密、堅固難熔的氧化膜，所以焊前要求對其表面進(jìn)行去膜處理；焊接時，要用氬等惰性氣體進(jìn)行保護(hù)。鋁及鋁合金焊接時，易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷，也是焊接時必須注意的問題。對于熱處理型鋁合金來說，必須避免在

3、焊接時熱影響區(qū)產(chǎn)生軟化，強(qiáng)度降低的問題。為了解決鋁及鋁合金熔化焊時出現(xiàn)的以上問題，開發(fā)研制出一種新的固相焊接方法，即攪拌摩擦焊。 第二章第二章 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊的英文是Friction Stir Welding 縮寫為FSW，于1991年由英國焊接研究所（TWI）發(fā)明的。它是利用間接摩擦熱實現(xiàn)板材的連接。這種方法打破了原來摩擦焊只限于圓形斷面材料焊接的概念，是上個世紀(jì)末本世紀(jì)初最新的鋁及其合金的焊接技術(shù)。自從攪拌摩擦焊發(fā)明以來，攪拌摩擦焊技術(shù)在世界各國突然興起，得到廣泛的關(guān)注和深入的研究，并向生產(chǎn)適用化發(fā)展，特別是針對鋁合金材料，世界范圍的研究機(jī)構(gòu)、學(xué)校以及大公司都對此進(jìn)行了深入

4、細(xì)致的研究和應(yīng)用開發(fā)，并且在諸多制造工業(yè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。本章詳細(xì)介紹了攪拌摩擦焊原理、特點，并且針對鋁及其合金的攪拌摩擦焊的工藝及應(yīng)用作了詳細(xì)的闡述。 第二章第二章 攪拌摩擦焊攪拌摩擦焊第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理 5/13一、一、攪拌摩擦焊的原理攪拌摩擦焊的原理攪拌摩擦焊的原理如圖2-1所示。它是利用帶有特殊形狀的硬質(zhì)攪拌指棒的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著插入被焊接頭，與被焊金屬摩擦生熱，通過攪拌摩擦，同時結(jié)合攪拌頭對焊縫金屬的擠壓，使接頭金屬處于塑性狀態(tài)，攪拌指棒邊旋轉(zhuǎn)邊沿著焊接方向向前移動，在熱-機(jī)聯(lián)合作用下形成致密的金屬間結(jié)合，實現(xiàn)材料的連接。 第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的

5、基本原理攪拌摩擦焊的基本原理 圖2-1攪拌摩檫焊原理圖第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理攪拌頭由特殊形狀的攪拌指棒和軸肩組成。攪拌指棒的長度等于板厚，但一般情況下，它的長度比母材的厚度稍短一些；而軸肩的直徑大于攪拌指棒的直徑。第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理攪拌頭的軸肩的作用攪拌頭的軸肩的作用：一是可以保證攪拌指棒插入的深度；一是可以保證攪拌指棒插入的深度；其次是軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止處于塑性狀態(tài)的母材表面其次是軸肩與被焊材料的表面緊密接觸，防止處于塑性狀態(tài)的母材表面的金屬排出而造成的損

6、失和氧化；的金屬排出而造成的損失和氧化；三是與母材表面摩擦生熱，提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱。三是與母材表面摩擦生熱，提供部分焊接所需要的攪拌摩擦熱。FSW接頭焊縫的最大寬度決定于摩擦攪拌棒肩部直徑大小。攪拌摩擦焊要求特殊形狀的攪拌指棒，一般要用具有良好耐高溫力學(xué)和物理特性的抗磨損材料制造。對于鋁及其合金等輕型合金材料，在焊接過程中攪拌頭的磨損程度很小。焊接過程中，因為攪拌頭對焊接區(qū)域的材料具有向下擠壓和側(cè)向擠壓的傾向，所以被焊工件要夾裝背墊和夾緊固定，以便承受攪拌頭施加的軸向力、縱向力（沿著焊接方向）以及側(cè)向力。通過研究，在對接接頭中，攪拌摩擦焊對焊接接頭形狀、清潔度以及接頭裝配間隙均有較

7、大的工藝裕度，如攪拌摩擦焊對接焊時在接頭間隙為厚度10的條件下，同樣可以得到優(yōu)良的焊接接頭。 第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理10/13二、攪拌摩擦焊的特點二、攪拌摩擦焊的特點攪拌摩擦焊由于它是一種固相連接，所以與其他焊接方法相比具有很多的優(yōu)越性。1.1.攪拌摩擦焊的優(yōu)點攪拌摩擦焊的優(yōu)點（1）攪拌摩擦焊是一種高效、節(jié)能的連接方法攪拌摩擦焊是一種高效、節(jié)能的連接方法 對于厚度為12.5mm的6XXX系列的鋁合金材料的攪拌摩擦焊，可單道焊雙面成型，總功率輸入約為3kw；焊接過程不需要填充焊絲和惰性氣體保護(hù)；焊前不需要開坡口和對材料表面作特殊的處理。（2）焊接過程中母材不熔化焊

8、接過程中母材不熔化 有利于實現(xiàn)全位置焊接以及高速連接。（3）適用于熱敏感性很強(qiáng)及不同制造狀態(tài)材料的焊接適用于熱敏感性很強(qiáng)及不同制造狀態(tài)材料的焊接 熔焊不能連接的熱敏感性強(qiáng)的硬鋁、超硬鋁等材料可以用攪拌摩擦焊得到可靠連接；可以提高熱處理鋁合金的接頭強(qiáng)度；焊接時不產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；可以防止鋁基復(fù)合材料的合金和強(qiáng)化相的析出或溶解；可以實現(xiàn)鑄造鍛壓以及鑄造軋制等不同狀態(tài)材料的焊接。第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理11/13（4）接頭無變形或變形很小 由于焊接變形很小，可以實現(xiàn)精密鋁合金零部件的焊接。（5）焊縫組織晶粒細(xì)化接頭力學(xué)性能優(yōu)良 焊接時焊縫金屬產(chǎn)生塑性流動，接頭不會產(chǎn)

9、生柱狀晶等組織，而且可以使晶粒細(xì)化，焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)良,特別是抗疲勞性能。（6）易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化 可以實現(xiàn)焊接過程的精確控制，以及焊接規(guī)范參數(shù)的數(shù)字化輸入、控制和紀(jì)錄。（7）攪拌摩擦焊是一種安全的焊接方法 與熔焊方法相比， 攪拌摩擦焊過程沒有飛濺、煙塵、以及弧光的紅外線或紫外線等有害輻射對人體的危害等。 第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理2.2.存在的存在的問題問題隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的研究和發(fā)展，攪拌摩擦焊在應(yīng)用領(lǐng)域的限制得到很好解決，但是受它本身特點限制，攪拌摩擦焊仍存在以下問題：（1）焊縫無增高 在接頭設(shè)計時要特別注意這一特征。焊接角接接頭受到限制，接頭形式必

10、須特殊設(shè)計。（2）需要對焊縫施加大的壓力，限制了攪拌摩擦焊技術(shù)在機(jī)器人等設(shè)備上的應(yīng)用。（3）焊接結(jié)束由于攪拌頭的回抽在焊縫中往往殘留攪拌指棒的孔，所以必要時，焊接工藝上需要添加“引焊板或退出板”。（4）被焊零件需要由一定的結(jié)構(gòu)剛性或被牢固固定來實現(xiàn)焊接；在焊縫背面必須加一耐摩擦力的墊板。（5）要求對接頭的錯邊量及間隙大小必需嚴(yán)格控制（6）目前只限于對輕金屬及其合金的焊接?？傊?，與熔焊相比，它是一種高質(zhì)量、高可靠性、高效率、低成本的綠色連接技術(shù)。 第一節(jié)第一節(jié) 攪拌摩擦焊的基本原理攪拌摩擦焊的基本原理13/13目前，攪拌摩擦焊已經(jīng)可以焊接全部牌號的鋁及其合金，如1000系列（純鋁）、2000系列

11、（AL-Cu合金）、3000系列（AL-Mn合金）、4000系列（AL-Si合金）、5000系列（AL-Mg合金）、6000系列（AL-Mg-Si合金）、7000系列（AL-Zn合金）、8000系列（其它鋁合金）。也已實現(xiàn)鋁基復(fù)合材料以及鑄材和鍛壓板材的鋁合金攪拌摩擦焊。鋁合金攪拌摩擦焊的可焊厚度從初期的1.212.5mm，現(xiàn)已在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用攪拌摩擦焊成功地焊接了厚度為12.525mm鋁合金。并且已實現(xiàn)單面焊的厚度達(dá)50mm、雙面焊可以焊接70 mm的鋁合金。攪拌摩擦焊也適用于鈦合金、鎂合金、銅合金、鐵合金等材料的連接。針對不同的零部件和應(yīng)用對象，開發(fā)研制了系列的攪拌摩擦焊專用設(shè)備，并且在航

12、空、航天、船舶、汽車等制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。設(shè)備主要由機(jī)械部分、主軸驅(qū)動系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、高精度焊接平臺及焊接夾具、控制系統(tǒng)、位置傳感系統(tǒng)等組成。 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝一一 影響影響FSWFSW焊接的因素焊接的因素影響FSW焊接過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量的因素，主要有攪拌頭的形狀、攪拌頭的位置、攪拌頭的轉(zhuǎn)速、焊接速度、接頭精度以及材料拘束等。表2-1列出了影響FSW焊的主要工藝因素和它們的內(nèi)容要點 工藝因素內(nèi) 容攪拌頭的形狀攪拌指棒的長度：約等于母材厚度攪拌指棒的形狀：要適合于不同的材料、板厚攪拌頭的角度：一定的前進(jìn)角攪拌頭的位置攪拌指棒插入的深度：約與板厚相等攪拌頭中心線的位置：正

13、好處于接頭中心線攪拌頭肩部：接觸程度攪拌頭的轉(zhuǎn)速根據(jù)被焊材料厚度，攪拌頭的形狀，電動機(jī)的輸出功率，機(jī)械剛度，轉(zhuǎn)速一般為幾百-幾千轉(zhuǎn)/分焊接速度根據(jù)確定的攪拌頭的轉(zhuǎn)速選擇焊接速度一般由 幾 cm/min 和 1-2m/ min，約與電弧焊相等接頭精度接頭間隙，推薦0mm間隙材料的擠壓加工精度、接頭的加工精度、是防止產(chǎn)生缺陷的重要因素材料拘束為了保證接頭精度，設(shè)計專用的夾具是非常重要的。表2-1 攪拌摩擦焊的工藝因素第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝1.1.攪拌指棒的材質(zhì)及形狀攪拌指棒的材質(zhì)及形狀(1)(1)攪拌指棒的材質(zhì)攪拌指棒的材質(zhì)由于攪拌指棒要產(chǎn)生并承受摩擦熱，高溫剪切強(qiáng)度是攪拌指棒

14、根部必須考慮的一個很重要的因素。目前英國焊接研究所采用工具鋼來制作攪拌指棒，例如TWI的Nicholas采用工具鋼AISI-H13。日本采用了SUS440馬氏體不銹鋼以及工具鋼SKD61作為攪拌指棒的材料。從攪拌指棒的高溫強(qiáng)度出發(fā)，目前攪拌摩檫焊只能焊接鋁、鎂及其合金和銅合金等。隨著攪拌指棒的材質(zhì)不斷開發(fā)，可以預(yù)見會有更多的材料適用于攪拌摩檫焊焊接。(2) (2) 攪拌指棒的形狀攪拌指棒的形狀攪拌指棒的形狀為單純圓柱形或加工成稍帶錐形的圓柱形；也有得把單純圓柱形加工成螺紋牙型或淺牙形，而端部形狀一般為半球形。 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝16/13圖2-2 新的攪拌頭TWI采用F

15、SW焊接75m特大厚板時，采用的攪拌頭表面如圖2-2（a）所示，切削成螺紋牙型的螺旋溝，目的是增加對被焊金屬的攪拌力。圖2-2（b）所示為較為復(fù)雜形狀的攪拌指棒 。第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝2.2.攪拌頭肩部的形狀和材質(zhì)攪拌頭肩部的形狀和材質(zhì)如圖2-3所示，攪拌頭的肩部不是平面狀，而是稍帶凹面的形狀，凹的程度應(yīng)通過實踐來確定。這種肩部形狀在旋轉(zhuǎn)摩檫時，會促進(jìn)其正下方母材表面金屬的塑性流動，增強(qiáng)混合攪拌效果。 圖2-3 攪拌頭的肩部形狀因為攪拌頭的肩部是產(chǎn)熱之處，可采用熱傳導(dǎo)率低的二氧化鋯作為肩部材料；而有的攪拌頭為整體鋼制。它與采用通常一體型全鋼制攪拌頭相比，向攪拌頭傳導(dǎo)的熱減

16、少，即減少了熱損失；而且在相同條件下也不會增加FSW熱影響區(qū)的寬度。在FSW高速焊時，肩部的發(fā)熱量增加了30-70%。只有當(dāng)肩部材質(zhì)為二氧化鋯時，向攪拌頭側(cè)的熱傳導(dǎo)會得到有效的抑制，該攪拌頭才適用于高速FSW焊接。 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝18/133.3.攪拌頭的壽命攪拌頭的壽命攪拌頭的壽命主要是以攪拌指棒根部的損傷為衡量標(biāo)準(zhǔn)。由于攪拌指棒根部易發(fā)生高溫疲勞或剪切破壞，而造成損傷。初步試驗結(jié)果表明，攪拌頭的材質(zhì)、形狀、被焊工件的板厚各異以及焊接工藝參數(shù)不同，其壽命會有差別。在實際施焊過程中，以達(dá)到規(guī)定的焊縫長度或達(dá)到規(guī)定的使用時間為其壽命。例如焊接板厚6mm的6082-T6

17、鋁合金時，焊接長度為800m。當(dāng)攪拌頭壞損后，一定要把殘留在焊縫內(nèi)的破損的攪拌指棒取出。目前，采用肉眼觀察檢驗攪拌頭是否破損，是不容易的。在實際施焊過程中，達(dá)到規(guī)定的壽命，必須更換攪拌頭，然后通過研磨等修復(fù)處理后再使用。 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝攪拌頭的前進(jìn)角對焊縫金屬塑性流動的影響如圖2-4所示。當(dāng)改變攪拌頭的前進(jìn)角時，焊縫金屬的塑性流動停滯點發(fā)生很大變化。從圖中可以看出，在攪拌頭的前進(jìn)角為零度時，即攪拌頭與工件表面垂直，焊縫金屬的塑性流動停滯點處于焊根部中心，隨著前進(jìn)角角度的增大，攪拌力增大，塑性流動的停滯點向焊縫上方移動，這有利于消除缺陷。 4. 4. 攪拌頭的前進(jìn)角攪

18、拌頭的前進(jìn)角攪拌頭的前進(jìn)角是指攪拌頭中心軸線與工件表面垂線之間的夾角。在一般情況下，攪拌頭的前進(jìn)角定為3-5。確定前進(jìn)角的目的，一般認(rèn)為它可以提高攪拌頭的壽命，促進(jìn)摩擦引起的焊縫金屬塑性流動，消除產(chǎn)生缺陷的傾向。圖2-4 攪拌頭前進(jìn)角對焊縫金屬的塑性流動停滯點位置的影響第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝20/135.5.攪攪拌拌頭頭的位置的位置攪拌頭的位置是被焊金屬與攪拌頭的相對位置有關(guān)的參數(shù)。為了獲得沒有缺陷的良好接頭，被焊金屬必須通過攪拌作用向板厚方向輸入摩擦熱。這就要求攪拌頭的肩部必須完全與被焊金屬表面接觸，使攪拌指棒完全插入板厚的狀態(tài)保持穩(wěn)定。攪拌頭中心線的位置正好處于接頭中心

19、線上。6.6.工件的固定工件的固定被焊工件的固定，要依據(jù)坡口加工精度、胎卡具的設(shè)計、被焊金屬以及尺寸大小等綜合考慮。在焊接過程中易產(chǎn)生橫向張開，保持接頭間隙不變比較困難，特別在焊接長尺寸的工件時，一定要重視胎卡具的設(shè)計。 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝二二 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝1.1.接頭形式接頭形式關(guān)于這種新焊接方法的接頭形式，推薦如圖2-5所示的各種接頭形狀。通常攪拌摩擦焊采用平板對接和搭接形式進(jìn)行焊接。 它也可實現(xiàn)多種接頭的焊接，如多層對接、多層搭接、T形接頭、V形接頭、角接等，并在實際工業(yè)制造中得到了應(yīng)用。對于角接來說，由于此種焊接方法焊接的焊縫沒有增高，原來的接頭

20、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)已不適用，必須對接頭側(cè)的形狀進(jìn)行很好的設(shè)計，才能實現(xiàn)焊接。由圖2-5（d）可以看到，多重板可實現(xiàn)一次焊接，這是此種焊接方法的一大優(yōu)點。 圖2-5 攪拌摩擦焊接頭形狀圖 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝除了以上典型接頭形式外，經(jīng)過不斷的開發(fā)研究，針對不同的結(jié)構(gòu)零件，研究人員設(shè)計了多種其它接頭形式，如圖2-6所示。 圖2-6不同形式結(jié)構(gòu)件的攪拌摩擦焊接頭形狀 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝圖2-7所示為熱容量差較大的厚大工件與小薄件的焊接接頭。厚大工件為鑄態(tài)材料，薄件為軋制板材。工業(yè)生產(chǎn)中，攪拌摩擦焊不僅可以焊接筒形零件的環(huán)縫和縱縫，還可以實現(xiàn)全位置空間焊接，如水平焊

21、、垂直焊、仰焊以及任意位置和角度的軌道焊。 圖2-7 不同厚度的鑄鋁和鍛鋁的攪拌摩檫焊接頭的宏觀斷面第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝2. 2. 工工藝參數(shù)藝參數(shù)的的選擇選擇(1)(1)焊焊接速度接速度焊接速度是根據(jù)攪拌頭的形狀和被焊金屬來定。幾乎與MIG焊相同，或稍比MIG焊快一些，一般為30-100cm/min 不同的被焊金屬在不同板厚情況下最大焊接速度如圖2-8所示。由圖可以看出，在板厚為5mm時，焊接鋁的焊速最大為700mm/min；焊接銅的焊速為100mm/min；焊接鋁合金時焊速處于500mm/min150mm/min范圍內(nèi)；異種鋁合金的焊接焊速極低。鎂的材料常數(shù)為400，

22、比2000系鋁合金的材料常數(shù)600還低，所以推薦在低速下進(jìn)行焊接。 圖2-8 各種材料的攪拌摩擦焊臨界焊接速度計算值 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝焊接速度也可用如下公式進(jìn)行計算：tVFSWFSWFSW1（mm/min） 式中 FSW: 材料常數(shù)； FSW: 攪拌棒常數(shù)，通常為1，高效率的攪拌頭可取為2； t: 板厚, 單位為mm材料常數(shù)FSW的大小，除了以上給出的一些金屬的數(shù)據(jù)外，可通過圖2-8的數(shù)據(jù)用以上公式換算出來。在使用以上公式計算時，一定要注意，t是以mm為計量單位的無量綱數(shù)帶入的。攪拌摩擦焊的焊接速度也與攪拌頭轉(zhuǎn)速有關(guān)，攪拌頭的轉(zhuǎn)速與焊接速度可在比較大的范圍內(nèi)選擇，只有

23、焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速相互配合才能獲得良好的焊縫。第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝圖2-9為5005鋁鎂合金的攪拌摩擦焊焊接速度與攪拌頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，從圖中可以看出，焊接速度與攪拌頭的轉(zhuǎn)速存在一最佳范圍。在高轉(zhuǎn)速低焊接速度的情況下，由于接頭獲得了攪拌過剩的熱量，焊縫金屬由肩部排出形成飛邊，使焊縫外觀顯著不良。在低轉(zhuǎn)速或高焊速度范圍內(nèi)，由于獲得的熱量不足，焊縫金屬的塑性流動不好，焊縫會產(chǎn)生空隙（中空）狀的缺陷，乃至產(chǎn)生攪拌指棒的破損。最佳范圍因攪拌頭特別是攪拌指棒的形狀不同而不同。對于同一合金材料的攪拌摩擦焊，目前都是在適合范圍內(nèi)的較高焊速下進(jìn)行施焊。圖2-9 5005鋁合金攪拌摩擦焊的

24、最佳規(guī)范圖 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝圖2-10為不同合金的最佳焊接規(guī)范參數(shù)。由圖可以看出，6000系A(chǔ)l-Si-Mg鋁合金（6N01）的攪拌摩擦焊的工藝適用性比5000系A(chǔ)l-Mg合金適用范圍要大得多。圖2-10 各種鋁合金的攪拌摩擦焊的最佳規(guī)范參數(shù) 28/13第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝(2) FSW(2) FSW的的熱輸熱輸入入 攪拌摩擦焊的熱輸入是以攪拌頭的轉(zhuǎn)速與焊接速度之比來表示，即1mm焊縫長度的攪拌頭的轉(zhuǎn)數(shù)。相對于電弧焊的焊接熱輸入定義來說，攪拌摩擦焊的熱輸入不是單位能的概念。攪拌摩擦焊是把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能，它的產(chǎn)熱與攪拌頭的轉(zhuǎn)速大小有關(guān)。因而以攪拌

25、頭的轉(zhuǎn)速與焊接速度的比值大小，可定性的說明在攪拌摩擦焊焊接過程中對母材熱輸入的大小。比值比值越大，說明對母材的熱輸入越大。越大，說明對母材的熱輸入越大。此值的大小，也對應(yīng)著被焊金屬焊接的難易程度。攪拌頭的轉(zhuǎn)速與焊速的比值，一般在28之間。攪拌摩擦焊的熱輸入在此值范圍內(nèi)，可獲得無缺陷的優(yōu)良焊接接頭。攪拌摩擦焊對母材的熱輸入即攪拌頭的轉(zhuǎn)速與焊速的比值，根據(jù)被焊合金不同而取不同的數(shù)值。在實際生產(chǎn)中，焊接5083鋁合金時此值可以取較小的值，焊接7075鋁合金時可以取稍大一些，焊接2024鋁合金時此值可以取較大的值。在實際應(yīng)用時此比值不能取得過小，如果過小，焊縫會產(chǎn)生缺陷。 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝

26、攪拌摩擦焊工藝(3)(3)接接頭頭的精度的精度 被焊工件對接接頭的裝配精度比電弧焊要求更加嚴(yán)格。在攪拌摩擦焊時，接頭的裝配精度要考慮如圖2-11所示的幾種情況，即接頭間隙、錯邊量大小和攪拌頭中心與焊縫中心的偏差。接頭間隙及接頭錯邊量接頭間隙及接頭錯邊量圖2-11接頭間隙、錯邊量及中心偏差 30/13第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝圖2-12 接頭精度對機(jī)械性能的影響 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝接頭的精度和攪拌頭的位置有關(guān)接頭的精度和攪拌頭的位置有關(guān)。圖2-13表示了攪拌頭肩部的直徑與允許接頭間隙的關(guān)系。從圖中可以看出攪拌頭的肩部直徑越大，允許接頭間隙越大。這是因為攪拌

27、頭肩部本身也與被焊金屬的塑性流動現(xiàn)象有著極大的關(guān)系，間接說明了攪拌頭的形狀、肩部直徑或形狀有一個最佳形狀。 圖2-13 攪拌頭直徑對允許接頭間隙的影響 32/13第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝攪拌頭肩部表面與母材表面接觸程度，在焊接過程中也是一個很重要的因素?？赏ㄟ^焊接結(jié)束后的攪拌頭肩部外觀來判別焊接時的攪拌頭旋轉(zhuǎn)的方向，以及攪拌頭肩部表面與母材表面接觸程度。即攪拌頭肩部表面完全被侵蝕，說明攪拌頭肩部表面與母材表面接觸是正常的；當(dāng)肩部周圍75%表面被侵蝕，說明攪拌頭肩部表面與母材表面接觸程度是在允許的范圍內(nèi)；肩部表面被侵蝕在70%以下，說明攪拌頭肩部表面與母材表面接觸不良，這種情況

28、是不允許的。第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝 攪拌頭中心的偏差攪拌頭中心的偏差在攪拌摩擦焊時，攪拌頭的中心與焊接接頭中心線的相對位置，對焊接接頭的質(zhì)量，特別是焊接接頭的機(jī)械強(qiáng)度有很大的影響。圖2-14是攪拌頭的中心位置對焊接接頭抗拉強(qiáng)度的影響。此圖也表示出了攪拌頭中心位置與焊接方向以及攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向之間的關(guān)系。 圖2-14 攪拌棒中心位置對接頭抗拉強(qiáng)度的影響 第二節(jié)第二節(jié) 攪拌摩擦焊工藝攪拌摩擦焊工藝從圖中可見，對于攪拌頭旋轉(zhuǎn)的反方向側(cè)，在攪拌頭的中心與焊接接頭中心線偏差2mm時，對焊接接頭的機(jī)械性能幾乎無影響；而在與攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向相同方向一側(cè)，攪拌頭的中心與焊接接頭中心線偏差2mm

29、時，便會造成焊接接頭的機(jī)械性能顯著降低。當(dāng)攪拌頭的攪拌指棒直徑為5mm時，攪拌頭的中心與焊接接頭中心線允許偏差為攪拌指棒直徑的40%以下，這是對于FSW焊接性好的材料而言，而對于焊接性較差的其它合金，允許范圍就小得多。為了獲得優(yōu)良的FSW焊接接頭，攪拌頭的中心位置必須保持在允許的范圍內(nèi)。接頭間隙和攪拌頭中心位置都發(fā)生變化時，對其中一個因素必須要嚴(yán)格控制。例如，接頭間隙在0.5mm以下，攪拌頭的中心位置大致允許偏差2.0mm。另外，還要考慮接頭中心線的扭曲、接頭間隙的不均勻性、接合面的垂直度或平行度等。 在確定FSW工藝參數(shù)時，要考慮攪拌指棒的形狀及焊接胎夾具等因素。此外還應(yīng)考慮FSW焊機(jī)的其它

30、部分對缺陷產(chǎn)生的可能性。這些因素對確定FSW最佳規(guī)范也有一定的影響。35/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織攪拌摩擦焊時，由機(jī)械旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與被焊金屬摩擦產(chǎn)生的熱能傳輸給被焊金屬，焊縫金屬在攪拌力的驅(qū)動下產(chǎn)生塑性流動。焊縫組織受到強(qiáng)塑性流動的影響，導(dǎo)致焊縫結(jié)晶的微細(xì)化，也許局部伴有粗大化。攪拌摩擦焊接頭組織和其溫度分布密切相關(guān)，因此必須要注意攪拌指棒的形狀，對焊縫熱循環(huán)的影響。一、焊縫區(qū)的溫度分布一、焊縫區(qū)的溫度分布攪拌摩擦焊的溫度分布的測定是不容易的。因為，在采用熱電偶測量焊接接頭溫度分布時，焊縫中金屬的強(qiáng)塑性流動，使得熱電偶端頭易產(chǎn)生損壞。目前多

31、是在焊縫區(qū)附近或熱影響區(qū)進(jìn)行測量。圖2-15為Backland等學(xué)者在板厚為4mm的A6063T6鋁合金、攪拌頭直徑為15mm的情況測得的焊接接頭的熱循環(huán)曲線。從圖中可以看到，離焊縫中心線2mm處的溫度大于500C。日本有人經(jīng)過試驗得到純鋁焊縫區(qū)的溫度最高為450C。由于鋁的熔化溫度為660C，可以認(rèn)為是在熔點以下的溫度發(fā)生塑性流動。英國焊接研究所試驗結(jié)果表明焊縫區(qū)的最高溫度為熔點的70%，純鋁最高溫度不超過550C?？傊?，純鋁攪拌摩擦焊接時焊縫區(qū)的最高溫度在500C左右。熱傳導(dǎo)計算結(jié)果與以上的實測值基本一致。第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-15

32、 A6063-T6合金攪拌摩擦焊的熱循環(huán)曲線 37/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織攪拌指棒的溫度是一個很重要的問題，至今還沒有實測數(shù)據(jù)。因為攪拌指棒要在焊縫金屬內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測量十分困難。有人在被焊金屬固定的情況下，將旋轉(zhuǎn)的攪拌指棒壓入到板厚為12.7mm的6061-T6鋁中，測量距攪拌指棒的端部0.2mm處的溫度，并根據(jù)這個溫度，用計算機(jī)仿真的方法仿真出攪拌指棒外圍的溫度。在攪拌指棒的直徑為5mm，長為5.5mm的條件下，其仿真結(jié)果如圖2-16所示。根據(jù)攪拌指棒壓入的速度可以推定，約24秒攪拌指棒全部壓入到被焊金屬中。從圖2-16可以看出，從15秒后

33、到24秒，攪拌指棒外圍溫度為一常數(shù)約580C，即達(dá)到6061合金固相線溫度。在攪拌摩擦焊時攪拌指棒的溫度不能高于以上溫度，因為攪拌指棒的高溫剪切強(qiáng)度或高溫抗疲勞強(qiáng)度就處于這個溫度范圍。也可以看到，攪拌指棒外圍區(qū)的溫度比上述的焊縫金屬的溫度高出幾十?dāng)z氏度。 第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-16 攪拌指棒外圍溫度的仿真計算結(jié)果焊接速度：0.5mm/min 板厚：4mm 攪拌頭直徑：15mm39/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織二、仿真計算結(jié)果二、仿真計算結(jié)果由于焊縫內(nèi)攪拌區(qū)的溫度是很難測量的，因而有人在研

34、究殘余應(yīng)力分布時，用仿真的方法計算出其溫度。圖2-17所示是A6063鋁合金攪拌摩擦焊焊縫區(qū)的溫度分布仿真計算結(jié)果。圖中的斑點為攪拌頭的肩部區(qū)，圖中的曲線為等溫線，曲線上的數(shù)字是此等溫線的最高溫度。但是由于采用的鋁的高溫物理性能、粘度等的數(shù)據(jù)不十分精確，仿真結(jié)果與實際的溫度分布會有一定的差別。圖2-17 攪拌摩擦焊焊縫區(qū)的等溫線（板厚：5mm）第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織焊接速度對溫度分布有相當(dāng)大的影響。對于FSW來說，由于熱源在固體中移動，在焊縫中心部最高溫度的上限不會超過母材的固相線溫度。由計算得出的焊接速度對焊縫最高溫度的影響如圖2-18所示

35、。從圖可以看出，在低速焊接情況下，焊縫的最高溫度為490C；在高速焊接時焊縫的最高溫度為450C。從以上結(jié)果可以看出，在低速焊接和高速焊接下，雖然焊縫的最高溫度溫差并不大，但在實際攪拌摩擦焊時高速焊接是困難的，因為母材熱輸入低，焊縫金屬塑性流動性不好，易造成攪拌頭破損。最佳焊接規(guī)范的制定，是以在適當(dāng)?shù)哪Σ翢岬淖饔孟潞缚p金屬發(fā)生良好的塑性流動為依據(jù)。第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-18 焊接工藝參數(shù)對最高溫度的影響圖 42/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織三、焊接時的熱量計測三、焊接時的熱量計測日本有人

36、對板厚為4mm的6N01鋁合金的攪拌摩擦焊過程中的熱量進(jìn)行了測量。其方法是把在焊接過程中產(chǎn)生的熱用水吸收，用溫度計測量水溫來進(jìn)行測量攪拌摩擦焊過程中的熱量，測量中不考慮焊縫背面墊塊等的熱損失。圖2-19表示出了在相同的焊接速度和工件完全熔透的情況下，F(xiàn)SW和MIG焊的焊接熱輸入，F(xiàn)SW的熱輸入范圍為120230J/mm，它大約是MIG焊焊接熱輸入的一半。圖2-19 FSW和MIG焊4mm鋁合金焊接熱輸入的比較 第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織在攪拌摩擦焊焊接時，分別測量攪拌指棒和肩部的溫度，然后由測得的溫度循環(huán)換算為熱量。也可以采取簡單的方法計算，即在

37、最高溫度下組織變化的截面積與比熱容、密度相乘。其計算結(jié)果如圖2-20所示。從圖中可以看出，對母材總的熱輸入量隨著焊接速度的增大和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的降低而降低。圖2-20 攪拌摩擦焊焊接速度對熱輸入的影響 44/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織攪拌指棒形狀以及肩部直徑對總的熱輸入量也有很大的影響，攪拌頭的攪拌指棒及肩部直徑越大，使總的熱輸入量變大。這樣的趨勢在焊接6000系及2000系鋁合金時是一樣的。 根據(jù)圖4-20給出的結(jié)果，把總熱輸入分為攪拌指棒和肩部各自產(chǎn)生的熱量進(jìn)行比較，比較結(jié)果如圖2-21所示。它是用不銹鋼制造的攪拌頭焊接的結(jié)果。有圖可以看

38、到，攪拌指棒的發(fā)熱量為總的熱輸入的5560%。這個發(fā)熱量的比率在轉(zhuǎn)速8001600rpm的情況下幾乎不受影響。最近，帶有螺紋的攪拌指棒已經(jīng)用于生產(chǎn)，這種攪拌指棒對產(chǎn)熱的影響特別明顯。第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-21 焊接速度對攪拌指棒和肩部熱量的影響 46/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織四、焊縫區(qū)的組織四、焊縫區(qū)的組織攪拌摩擦焊焊縫由于是在摩擦熱和攪拌指棒的強(qiáng)烈攪拌共同作用下形成的，焊縫金屬組織與其它焊接方法的焊縫相比有很多特點。攪拌摩擦焊焊縫的宏觀斷面經(jīng)腐蝕后進(jìn)行觀察，其斷面形狀可分為2種，一

39、種斷面形狀為圓柱狀；另一種為熔核狀（焊點）。大多數(shù)FSW焊縫為圓柱狀或它的變形的繞杯狀；而焊點狀的斷面多發(fā)生于高強(qiáng)度和軋制加工性不好的如7075A、5083鋁合金合金的攪拌摩擦焊焊縫中。第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-22是接頭的宏觀斷面，由圖可以看出，焊接斷面為一倒三角形，其中心區(qū)是由攪拌指棒產(chǎn)生的摩擦熱和強(qiáng)烈攪拌作用下形成的，其上部是由摩擦攪拌頭的肩部與母材表面的摩擦熱而形成的。焊縫沒有增高，通常與母材表面平齊稍微有些凹陷。圖2-22 接頭的宏觀斷面48/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-23

40、所示是攪拌摩擦焊焊接接頭組成的劃分。它是根據(jù)如圖2-23所顯示的焊接接頭的金相組織進(jìn)行觀察而劃分的。攪拌摩擦焊焊接接頭依據(jù)金相組織的不同分為四個區(qū)域。即圖中A區(qū)為母材，B區(qū)為熱影響區(qū)， C區(qū)為塑性變形和局部再結(jié)晶區(qū)，D區(qū)即焊縫中心區(qū)為完全再結(jié)晶區(qū)。圖2-23攪拌摩擦焊焊接接頭組成第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織根據(jù)對攪拌摩擦焊焊縫金相組織的觀察，在C區(qū)可以看到部分晶粒發(fā)生了明顯的塑性變形和部分再結(jié)晶。D區(qū)是一個晶粒非常細(xì)小的焊核區(qū)域。此區(qū)域的焊縫金屬經(jīng)歷了完全再結(jié)晶的過程。通過觀察A5005鋁合金攪拌摩擦焊焊縫金相組織，在焊縫中心區(qū)發(fā)現(xiàn)了等軸結(jié)晶組織，

41、如圖2-24所示。但是晶粒細(xì)化不很明顯，晶粒大小多在2030m。這是由于熱輸入過大，產(chǎn)生過熱而造成的。圖2-24 攪拌摩擦焊焊縫中心的等軸等軸結(jié)晶圖 50/13第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織圖2-25是攪拌摩擦焊焊縫微觀組織照片。它是2024鋁合金和AC4C鑄鋁的異種金屬攪拌摩擦焊接頭。由于圓柱狀的焊縫金屬的塑性流動，出現(xiàn)環(huán)狀組織，稱為洋蔥狀環(huán)組織。這種洋蔥狀環(huán)組織是FSW焊接接頭特有的組織。圖2-25 攪拌摩擦焊焊縫微觀斷面 （A5005鋁合金 板厚6mm）對于FSW來說，由于對焊縫給予摩擦熱加之旋轉(zhuǎn)攪拌，產(chǎn)生強(qiáng)烈的塑性流動，其焊縫為非熔化狀態(tài)，所

42、以歸類為固相焊接。但Bjorneklett等研究發(fā)現(xiàn)，在攪拌頭的肩部正下方溫度高，對于7030鋁合金攪拌摩檫焊來說，焊縫為固液共存狀態(tài)。由于攪拌頭肩部正下方焊縫金屬的溫升為330C/s，造成局部熔化現(xiàn)象也是可能的。 第三節(jié)第三節(jié) FSWFSW的溫度分布和焊縫金屬組織的溫度分布和焊縫金屬組織52/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能在一般情況下，攪拌摩檫焊焊接接頭的力學(xué)性能，大約與母材和MIG焊接接頭性能相當(dāng)。 一一 接頭的抗拉強(qiáng)度和彎曲性能接頭的抗拉強(qiáng)度和彎曲性能最近英國焊接研究所（TWI）認(rèn)為，2000、5000、7000等系鋁合金的攪拌摩檫焊焊接接頭的常態(tài)強(qiáng)度

43、與母材等強(qiáng)度，但也有的低于母材。表2-2給出了鋁合金攪拌摩檫焊焊接接頭的力學(xué)性能數(shù)據(jù)。表2-2 鋁合金的攪拌摩檫焊焊接接頭的拉伸試驗結(jié)果注：PM斷裂在母材，WM斷裂在焊縫，HAZ斷裂在熱影響區(qū)，HAZ/ PM斷裂在熱影響區(qū)和母材交接處第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能母材焊接速度/cm.mmin-10.2%屈服點/Mpa抗拉強(qiáng)度/ Mpa延伸率/%斷裂位置5083-0508350835083508350835083-H1129.213.26.69.24.615.01421441411561541431562993152316.213.620.318.819.818.

44、0PMWMWMWMWMWMHAZ/ PM608260826082608260826082-T56082-T4時效6082-T66082-T6時效75.026.437.453.075.01501501361321441412851452302542603102202808.411.310.710.79.979HAZ/ PMWMHAZHAZHAZ6005-T46005-T46005-T46N01等離子弧焊MIG焊25.09410710419917519417913322201812HAZ/ PM7075-T73517108-T79902082053843175.511HAZ/ PM2014-T62

45、473786.5HAZ54/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能Kluken等對采用各種焊接方法和攪拌摩檫焊焊接的A6005鋁合金接頭的靜態(tài)強(qiáng)度進(jìn)行了比較，從表2-2中可以看出，等離子弧小孔焊焊接接頭的抗拉強(qiáng)度值最高，為194MPa；攪拌摩檫焊最低，為175Mpa，而接頭的延伸率卻最高，為22%。但是攪拌摩檫焊焊接接頭沒有氣孔、裂紋等缺陷。2000系鋁合金的攪拌摩檫焊焊接接頭，斷裂發(fā)生在熱影響區(qū)。鋁合金分為熱處理型和非熱處理型。對于熱處理型合金來說，采用熔焊時，焊接接頭性能發(fā)生改變是一個大問題。飛機(jī)制造用的2000、7000系硬鋁，時效后進(jìn)行攪拌摩檫焊，或攪拌摩檫

46、焊之后進(jìn)行時效處理，兩者焊接接頭的靜態(tài)抗拉強(qiáng)度約為母材的8090%。第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能6000系的6N01-T6鋁合金廣泛用于日本的鐵路車輛制造。焊接和時效處理順序?qū)C(jī)械性能有很大的影響。表2-3是12mm的6No1-T6鋁合金在大氣中和水冷中進(jìn)行攪拌摩檫焊，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度試驗結(jié)果。從試驗結(jié)果可以看出，經(jīng)時效處理后，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度得到了提高。表2-3 焊接中冷卻方式和時效處理對抗拉強(qiáng)度的影響抗拉強(qiáng)度/Nmm-20.2%屈服點/ Nmm-2延伸率/%空冷20312212.5空冷時效處理2301857.6水冷22014311.1水冷時效處理267

47、2386.056/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能摩擦焊的焊接強(qiáng)度和板厚的關(guān)系摩擦焊的焊接強(qiáng)度和板厚的關(guān)系: :特別是在水冷中焊接的試件經(jīng)時效處理后，改善效果最為顯著。這是因為，水冷使軟化區(qū)變小，采用這樣的時效處理，硬度回復(fù)效果特別好。在一邊水冷一邊進(jìn)行攪拌摩擦焊的情況下，接頭強(qiáng)度的大小和被焊金屬的厚度有關(guān)，如圖2-26所示。隨著板厚的增大，接頭強(qiáng)度下降。圖2-26 6No1-T6鋁合金在水冷中攪拌圖 第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能攪拌摩擦焊焊接焊頭的彎曲試驗，與電弧焊接頭彎曲試驗不同，彎曲半徑為板厚的4倍以上。試驗結(jié)果表明，在

48、這樣的試驗條件下，無論是鋁及其合金還是鋼的攪拌摩擦焊焊接焊頭的180彎曲性能都很好。由于攪拌摩擦焊是單道焊，被焊母材是被固定在墊板上。焊接時，為了避免攪拌頭的攪拌指棒與墊板接觸，攪拌頭的攪拌指棒長度往往稍微比被焊金屬厚度小一些，從而造成被焊金屬的背面留有一定的間隙，它導(dǎo)致焊接接頭在背彎試驗時背面張開，相當(dāng)于熔化焊的根部欠陷。如果焊縫根部有缺陷，可用砂輪將焊縫根部缺陷處輕輕打磨平。58/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能二、接頭的硬度二、接頭的硬度攪拌摩擦焊接接頭的硬度，由于被焊金屬及時效方法等不同，焊接接頭的硬度分布不同。圖2-27表示出了6No1-T5鋁合金F

49、SW接頭的硬度分布，并與MIG焊接頭的硬度分布進(jìn)行比較。從圖中可以看到，攪拌摩擦焊焊接接頭的硬度比較高。圖2-27 FSW與MIG焊焊接接頭硬度分布第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能材料時效有自然時效和人工時效之分。對2014A及7075鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭焊后進(jìn)行了9個月自然時效，自然時效初始2個月硬度回復(fù)速度劇烈，經(jīng)自然時效9個月后，2014A及7075鋁合金焊接接頭都沒有回復(fù)到母材的硬度值，但7075鋁合金焊接接頭硬度的回復(fù)大。圖2-28 6063-T5鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭人工時效硬度的變化圖 60/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接

50、接頭的力學(xué)性能對于人工時效來說，板厚6mm的6063-T5 鋁合金攪拌摩擦焊接頭，經(jīng)過人工時效的硬度的分布變化如圖2-28所示。 由圖可知，在175C下保溫2小時后接頭硬度幾乎達(dá)到了母材的硬度；人工時效12小時后，一部分處于過時效狀態(tài)。人工時效處理促使焊縫金屬中的針狀析出物和/相析出，導(dǎo)致接頭硬度的恢復(fù)。 第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能三、疲勞強(qiáng)度三、疲勞強(qiáng)度與TIG和MIG等熔焊方法相比較，鋁合金的攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞性能具有明顯的優(yōu)勢。其原因有二:1、因為攪拌摩擦焊的焊縫材料經(jīng)過攪拌頭的摩擦、擠壓、頂鍛得到的是精細(xì)的等軸晶組織；2、由于焊接過程是在低于材

51、料熔點溫度條件下完成，焊縫組織中沒有熔焊經(jīng)常出現(xiàn)的凝固偏析和凝固過程中產(chǎn)生的缺陷。攪拌摩擦焊焊接接頭綜合性能優(yōu)良。對于不同材料的鋁合金如 A12014T6、A12219、A15083O、A17075等的攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞性能研究表明，鋁合金材料的攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞性能均優(yōu)于熔焊接頭，其中A15083O鋁合金的攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞性能完全可以達(dá)到與母材相同的水平。系列疲勞試驗結(jié)果表明，鋁合金的疲勞性能指標(biāo)遠(yuǎn)超過工業(yè)設(shè)計熔焊標(biāo)準(zhǔn)。62/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能Kluken等人在懸臂拉伸的疲勞試驗（應(yīng)力比為0.5）中得到了與6005-T4母材

52、幾乎相同的S-N曲線圖。攪拌摩擦焊焊接接頭的疲勞破壞處于焊縫上表面位置，而熔化焊焊接接頭的疲勞破壞則處于焊縫根部。圖2-29顯示出了板厚為40mm的6No1-T5鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭，應(yīng)力比為0.1的疲勞性能試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明，107次疲勞壽命達(dá)到母材的70%，即50MPa，此值為激光焊、MIG焊的2倍。圖2-29 6No1-T5鋁合金各種焊接方法的疲勞強(qiáng)度第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能為了確定6No1S-T5的鋁甲板構(gòu)造物的疲勞強(qiáng)度，疲勞試件進(jìn)行了比較大的改造，進(jìn)行了箱型梁疲勞試驗。試件為寬200mm、腹板高250mm的異型箱型斷面，長2m。圖2-30

53、給出了這一試件的疲勞試驗結(jié)果。在106次以上疲勞強(qiáng)度降低。但大于歐洲標(biāo)準(zhǔn)Eurocod 9的疲勞強(qiáng)度極限的一倍以上。同一研究者做的20mm寬的小型試件的結(jié)果，在圖中用點線標(biāo)出的曲線，顯示出同樣的疲勞強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。與大型試件相比較，下降的程度小。梁翼板由于受拉伸載荷作用，其攪拌摩擦焊焊縫產(chǎn)生疲勞龜裂。64/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能圖2-30 6No1S-T5的鋁甲板構(gòu)造物的疲勞強(qiáng)度圖 第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能四、沖擊韌度和斷裂韌度四、沖擊韌度和斷裂韌度對板厚為30mm的5083-O鋁合金，在焊速為40mm/min規(guī)

54、范下，進(jìn)行了雙道攪拌摩擦焊，用焊得的接頭制備了比較大型試件，進(jìn)行了接頭的低溫沖擊韌性試驗，試驗結(jié)果如圖2-31所示。 圖2-31 5083鋁合金攪拌摩擦焊接頭的沖擊試驗結(jié)果 66/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能無論是在液氮溫度，還是液氦溫度下，攪拌摩擦焊接頭的低溫沖擊韌性都高于母材，斷面呈現(xiàn)韌窩狀。而MIG焊焊接接頭在室溫以下的低溫沖擊韌性均低于母材。同時采用KIC來評價接頭的斷裂韌性，與沖擊韌性實驗一樣，攪拌摩擦焊接頭的斷裂韌度值高于母材，而在低溫下發(fā)生晶界斷裂。一般來說，鋁的攪拌摩擦焊焊縫金屬承受載荷的能力，等于或高于母材在垂直于軋制方向的承載能力。板厚

55、為5mm多種鋁合金的攪拌摩擦焊接頭，在室溫下做了尖端裂紋張開位移CTOD（5）試驗，其結(jié)果如表2-4所示。 第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能CTOD（5）m /mm合金母材攪拌擦摩焊焊縫塑性流動區(qū)和熱影響區(qū)5005 H14（板厚：3mm）0.430.340.291.621.681.411.471.521.202020 T351（板厚：5mm）0.310.290.290.230.230.210.210.186061 H6（板厚：5mm）0.280.310.241.010.950.920.620.660.617020 T6（板厚：5mm）0.410.390.390.5

56、20.44 評價中表2-4 各種鋁合金的攪拌摩擦焊接頭斷裂韌性值68/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能斷裂韌性試驗采用在通常尺寸的試件（CT50，a/w為0.5）上預(yù)先開一疲勞尖端裂紋。從表中可見攪拌摩擦焊焊縫區(qū)都有良好的斷裂韌性。7020鋁合金攪拌摩擦焊的焊縫區(qū)，尖端張開位移CTOD最高值大于母材的0.39mm。而2024硬鋁合金攪拌摩擦焊的焊縫區(qū)CTOD最高值稍微低于母材。攪拌摩擦焊的焊縫區(qū)具有良好的斷裂韌性，其原因是攪拌摩擦焊的焊縫組織晶粒細(xì)化的結(jié)果。 69/13第四節(jié)第四節(jié) FSWFSW焊接接頭的力學(xué)性能焊接接頭的力學(xué)性能五、應(yīng)力腐蝕裂紋五、應(yīng)力腐蝕裂

57、紋7000系硬鋁是制造飛機(jī)用的材料。對其以下兩種工藝的攪拌摩擦焊接頭，進(jìn)行了應(yīng)力腐蝕裂紋試驗，一是先時效后進(jìn)行攪拌摩擦焊；二是先攪拌摩擦焊后進(jìn)行時效處理。試驗結(jié)果表明，焊后時效處理的焊縫組織中析出許多微細(xì)的相，具有良好抗應(yīng)力腐蝕裂紋的性能；而先時效后再進(jìn)行攪拌摩擦焊時，由于焊縫組織中析出的微細(xì)相，再固溶時產(chǎn)生溶解，因而焊縫產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕裂紋。70/13第第五五節(jié)節(jié) 攪拌摩擦焊的應(yīng)用攪拌摩擦焊的應(yīng)用 攪拌摩擦焊經(jīng)歷十幾年的研究發(fā)展，已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段。攪拌摩擦焊在美國的宇航工業(yè)、歐洲的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等制造領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用。船舶制造和海洋工業(yè)是攪拌摩擦焊首先獲得應(yīng)用的領(lǐng)域，主要應(yīng)用于船舶零部件的焊接上，如甲板、側(cè)板、防水壁板和地板； 還有船體外殼和主體結(jié)構(gòu)件等。已成功焊接了6m 16m的大型鋁合金船甲板。此甲板采用厚度甲板6mm、寬為200-400mm的6082-T6鋁合金進(jìn)行縱逢拼焊焊成。71/13第第五五節(jié)節(jié) 攪拌摩擦焊的應(yīng)用攪拌摩擦焊的應(yīng)用 在航空制造方面，攪拌摩擦焊在飛機(jī)制造領(lǐng)域的開發(fā)和應(yīng)用還處于試驗階段。主要