攪拌摩擦焊工藝研究

攪拌摩擦焊工藝研究

0twi專利技術(shù)攪拌緩沖焊接（fsw）是英國焊接研究所（簡稱氛圍探測研究所（簡稱統(tǒng)計(jì)研究所）于1991年開發(fā)并獲得世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的新型固相焊接技術(shù)。它也是世界焊接技術(shù)發(fā)展的最短、最復(fù)雜的復(fù)雜聯(lián)系技術(shù)。FSW的發(fā)明引起了世界范圍的關(guān)注,截至2002年9月15日,得到TWI專利技術(shù)許可的用戶有78家,與此相關(guān)的專利技術(shù)有551項(xiàng),覆蓋24個(gè)國家和地區(qū)。著名的Boeing、NASA、BAE、HONDA、GE、HITACHI、MARTIN、ESAB、ALCAN等公司購買了此項(xiàng)技術(shù),并已在航空航天、車輛、造船等行業(yè)得到了大量成功應(yīng)用。與傳統(tǒng)焊接方法相比,FSW熱源來自工件和攪拌頭間的摩擦,焊接溫度一般低于材料熔點(diǎn),焊接過程中沒有工件熔化,故產(chǎn)生氣孔的幾率很小,而且接頭殘余內(nèi)應(yīng)力和工件變形也很小,從而排除了焊接缺陷產(chǎn)生的可能性。眾所周知,利用傳統(tǒng)TIG焊接鋁合金時(shí),由于表面高熔點(diǎn)致密氧化膜以及污垢的存在,焊前需嚴(yán)格清除后才可以進(jìn)行焊接,而且焊接時(shí)易產(chǎn)生氣孔等缺陷。而FSW技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為鋁合金的焊接問題開拓了新的思路(如可以實(shí)現(xiàn)用熔焊難以保證質(zhì)量的裂紋敏感性強(qiáng)的7000、2000系列鋁合金的高質(zhì)量連接),不僅能完成對接、搭接、丁字接等接合方式,而且接頭力學(xué)性能較高,能一次完成較長、較大截面、多方位的焊接,便于機(jī)械化和自動(dòng)化操作,因此成本也較低。作為新興的固態(tài)連接工藝,FSW技術(shù)在有色金屬等材料的連接中具有廣闊的應(yīng)用前景。本文評述了FSW的研究與發(fā)展,并對在FSW基本原理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型材料加工技術(shù)——攪拌摩擦加工進(jìn)行了介紹。1fsw的優(yōu)點(diǎn)FSW是一種連續(xù)、純機(jī)械的新型固相連接技術(shù),其焊接過程如圖1所示。其中,攪拌頭主要由軸肩(Shoulder)和攪拌針(Pin)組成。在焊接過程中,攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入兩塊對接板材的接縫處,直至攪拌頭的軸肩與工件緊密接觸。攪拌針的作用是攪動(dòng)接縫兩側(cè)的材料,使其產(chǎn)生塑性流變和混合;軸肩的作用是把由攪拌針攪動(dòng)變形的材料傳輸?shù)綌嚢桀^后側(cè)并同時(shí)施加鍛造作用,從而形成密實(shí)無缺陷的焊縫。從FSW基本原理可以看出,只要材料在高溫下具有一定的塑性流變能力,就有可能對其焊接。其優(yōu)點(diǎn)可以概括為:(1)固態(tài)連接:無粗大凝固組織和熔焊缺陷,熱變形和殘余應(yīng)力小,可以實(shí)現(xiàn)大型框架結(jié)構(gòu)的精密焊接;(2)制造成本低:焊前無需開坡口和特殊清理,無需金屬填料、保護(hù)氣體或焊劑,能量消耗比熔化焊低80%,還可實(shí)現(xiàn)水下焊接;(3)綠色環(huán)保:沒有煙塵、飛濺、強(qiáng)弧光、輻照和輻射,噪音低;(4)機(jī)械化/自動(dòng)化:類似于銑床加工,無需傳統(tǒng)焊工的技術(shù)等級培訓(xùn),操作過程簡便,人為因素影響小,易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,焊頭質(zhì)量重復(fù)性好;(5)工藝裕度大:允許對接間隙容差0.1t(t為板厚);(6)焊縫表觀好:焊后工件表面平整,無明顯焊縫凸起和焊滴,無需后續(xù)表面處理;(7)力學(xué)性能好:疲勞、斷裂及彎曲等性能明顯優(yōu)于熔化焊,且接頭力學(xué)性能各向同性。與其它焊接技術(shù)相比,FSW還存在著以下不足:(1)焊接過程中需要攪拌頭向被焊工件施加足夠大的頂鍛壓力和向前驅(qū)動(dòng)力,要求焊接設(shè)備有足夠的穩(wěn)定性和剛性;(2)相對于熔焊,其焊速還不是很高;(3)被焊工件必須有剛性固定,焊接過程中不能移位;(4)需要在焊縫背面加墊板;(5)當(dāng)焊接完畢攪拌頭從工件中回抽時(shí),在焊縫尾部會(huì)留下一個(gè)洞(稱為“匙孔”),需要將該洞部切除或添加引焊板和出焊板。隨著研究的深入和發(fā)展,FSW的缺點(diǎn)正在被逐漸改進(jìn)。如近年來開發(fā)的可回抽技術(shù),在焊接臨近結(jié)束時(shí)通過逐漸把攪拌針回抽至與軸肩平齊來消除匙孔;還有最近發(fā)展的雙軸肩技術(shù),不再需要背面的支撐墊板,使焊接操作更加靈活、方便。2攪拌接頭的影響材料在FSW過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的流變及混合,致使攪拌頭形狀、焊接參數(shù)(焊接速度v和攪拌頭轉(zhuǎn)速ω)及接頭形式對材料流變方式和溫度場產(chǎn)生很大作用,從而影響材料組織變化。2.1雙軸攪拌針焊接特點(diǎn)攪拌頭是FSW技術(shù)的關(guān)鍵,其好壞不僅決定能否擴(kuò)大待焊材料種類及能否提高待焊材料的板厚范圍,而且直接影響焊縫質(zhì)量和焊接速度。因此,攪拌頭可稱為FSW技術(shù)的心臟,是FSW工藝中最重要的技術(shù)之一。最常見的攪拌頭是攪拌針為柱形和錐形的2種(圖2)。圖2(a)所示攪拌頭使用了最早的柱形攪拌針,是TWI早期的研究成果,屬于5651系列,主要是為焊接1.2~12mm的鋁合金板而研制的。然而,由于焊接過程中柱形攪拌針周圍的軟化材料流動(dòng)性能較差,導(dǎo)致焊后接頭的性能較低。若鋁合金焊接板厚大于12mm,則必須設(shè)計(jì)全新的攪拌頭。圖2(b)是改進(jìn)后的攪拌針為錐形的攪拌頭,試驗(yàn)表明,焊后接頭性能有很大提高。近年來,TWI研制了兩種新型攪拌頭——WhorlTM和MXTrifluteTM,見圖3。這兩種攪拌頭較5651系列有很大的改進(jìn),WhorlTM系列主要焊接厚的6082-T6鋁合金板件,單面焊時(shí),焊接板厚可以為25~40mm;雙面焊時(shí),板厚可達(dá)75mm。其截錐體外形的攪拌針帶有螺旋狀紋路,不僅增強(qiáng)了焊縫金屬的攪拌作用,也可向塑化的金屬施加一個(gè)向下的運(yùn)動(dòng),從而使得塑性金屬更易流動(dòng)。MXTrifluteTM系列攪拌頭的表面有奇數(shù)個(gè)帶有陡峭角度的凹槽,凹槽表面環(huán)繞著粗糙的螺旋線,這種設(shè)計(jì)進(jìn)一步減小了攪拌針的體積,有助于焊縫金屬的流動(dòng)以及破碎和分散結(jié)合面的氧化物。當(dāng)進(jìn)行單面焊時(shí),它可以焊接板厚為6~50mm的鋁合金。此外,這兩種系列的攪拌頭上螺旋狀凹槽和旋脊上的螺線能增大攪拌頭的表面積,使攪拌頭和材料的接觸面積變大,有利于增加攪拌頭與工件之間的摩擦,從而能夠產(chǎn)生更多的熱量。非對稱攪拌針中心軸與設(shè)備中心存在一個(gè)偏角,而軸肩表面垂直于設(shè)備中心軸,因而焊接時(shí)焊針不是以攪拌頭自身中心軸旋轉(zhuǎn),如圖4所示。采用非對稱攪拌針焊接時(shí)可以提高攪拌針周圍塑性軟化區(qū)的范圍,同時(shí)這種攪拌針的攪動(dòng)可以提高攪拌針的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)體積比。而傳統(tǒng)攪拌針的中心軸與設(shè)備中心軸重合,其旋轉(zhuǎn)中心即為攪拌針的中心軸,因而只能靠改變攪拌針的形狀來改善攪拌針的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)體積比。FSW的兩個(gè)主要缺點(diǎn)是封閉焊縫尾部存在匙孔及焊接變厚度材料需更換不同長度攪拌針。為克服上述缺點(diǎn),NASA所屬的馬歇爾空間飛行中心設(shè)計(jì)了一種基于計(jì)算機(jī)控制的可伸縮式的攪拌頭,如圖5所示。這種攪拌頭在焊接收尾時(shí)由計(jì)算機(jī)控制自動(dòng)退出工件,從而消除了匙孔問題。這種設(shè)計(jì)允許攪拌頭的角度和長度依據(jù)待焊工件的厚度進(jìn)行調(diào)整并在焊接收尾時(shí)完成閉合的焊縫?？缮炜s式攪拌頭的出現(xiàn)使FSW技術(shù)在汽車、造船及其它工業(yè)中的應(yīng)用更具高效、通用和成本競爭的優(yōu)勢。隨著FSW技術(shù)的發(fā)展,針對焊接材料和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),TWI、BOEING、MTS等公司已經(jīng)開發(fā)出雙軸肩攪拌頭,如圖6所示。其主要功能是利用攪拌頭的雙軸肩使FSW過程中產(chǎn)生的作用力相互抵消,從而解除薄壁筒形件焊接時(shí)對剛性裝備的依賴。NASA將雙軸肩攪拌頭主要應(yīng)用在坦克、飛機(jī)等大型圓周焊接中,現(xiàn)已成功焊接了直徑為8.382m的環(huán)縫薄壁圓筒件。用這種攪拌頭施焊的缺點(diǎn)是:焊接前需要在啟焊處預(yù)制一個(gè)導(dǎo)引孔,以便插入攪拌針,焊后需將一側(cè)軸肩拆卸,抽出攪拌針,使焊接過程操作復(fù)雜化。軸肩有兩個(gè)主要作用:一是通過與工件表面摩擦來提供焊接熱源;二是提供一個(gè)封閉的焊接環(huán)境,以防止高塑性軟化材料從焊接區(qū)域溢出。其直徑要適中,若尺寸過大,熱輸入量增加,導(dǎo)致熱影響區(qū)尺寸增大,同時(shí)工件易產(chǎn)生變形;若尺寸過小,摩擦熱不足以塑化材料,需要增大轉(zhuǎn)速或降低焊速以保證熱輸入量,因而效率較低。焊接不同材料或在不同工況條件下焊接時(shí),需選用不同外形的軸肩。常見的幾種軸肩形貌如圖7所示,它們都是在攪拌針和軸肩的交界處中間凹入。這些規(guī)則的幾何圖案不僅增大了軸肩與焊件表面的接觸面積,提高了焊接時(shí)的閉合性,更重要的是能夠讓軸肩端部下方軟化的材料受到向內(nèi)方向的力的作用,從而使軸肩和塑化材料緊密地耦合在一起。2.2焊縫織入量、焊接速度和焊接線能量的影響與傳統(tǒng)熔化焊方法相比,FSW的優(yōu)點(diǎn)在于只需控制較少的工藝參數(shù),即攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度ω、焊接速度v和壓力P。根據(jù)傳熱分析,通過旋轉(zhuǎn)焊頭與被焊材料的摩擦所產(chǎn)生的熱源強(qiáng)度q為:q=43π2μPωR3(1)q=43π2μΡωR3(1)其中:ω為轉(zhuǎn)速,P為軸肩與工件間壓力,μ為摩擦系數(shù),R為軸肩直徑。從式(1)中可以看出,攪拌頭的轉(zhuǎn)速是影響FSW熱源的主要因素之一;當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí),產(chǎn)生的摩擦熱不足以使材料塑化,不能實(shí)現(xiàn)固相連接并在焊縫中形成孔洞;隨著轉(zhuǎn)速的提高,摩擦熱逐漸增大,熱塑性流動(dòng)層由上而下逐漸增大,孔洞逐漸減小直至消失,形成致密的焊縫。但轉(zhuǎn)速過高將導(dǎo)致焊針周圍以及軸肩下面的材料溫度達(dá)到或超過熔點(diǎn),也無法形成固相連接。根據(jù)所焊材料、板厚及焊接速度的不同,轉(zhuǎn)速通常在200~2000r/min之間。焊接速度是攪拌摩擦焊中攪拌頭在焊件中向前移動(dòng)的速度,不同焊接條件所選的焊速也不同。若焊速過低,攪拌頭所產(chǎn)生的熱量使焊接溫度過高,焊核區(qū)金屬的溫度達(dá)到或超過熔點(diǎn),易產(chǎn)生液化裂紋,同時(shí)焊縫表面凹凸不平;若焊速過高,所產(chǎn)生的熱量不足以使攪拌頭周圍的金屬達(dá)到塑化狀態(tài),焊縫內(nèi)部就易形成孔洞。因此,應(yīng)根據(jù)待焊材料、板厚及轉(zhuǎn)速選擇合適的焊接速度。FSW過程中單位長度的熱輸入量和材料的塑性流變狀態(tài)是決定焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵因素。焊縫線能量大小取決于攪拌頭軸肩的直徑、壓力、摩擦系數(shù)以及攪拌頭轉(zhuǎn)速與焊速比(ω/v)。當(dāng)焊接線能量適當(dāng),即ω/v在一定范圍內(nèi)時(shí),才能獲得質(zhì)量良好的焊接接頭。ω/v小,焊縫成型不好,甚至?xí)诤缚p表面出現(xiàn)溝槽、內(nèi)部出現(xiàn)孔洞等缺陷,不能形成良好的焊縫;ω/v大,攪拌頭所產(chǎn)生的熱量使金屬因過熱而出現(xiàn)疏松,產(chǎn)生液化裂紋,從而導(dǎo)致焊縫成型和接頭性能均較差。攪拌頭與被焊工件表面直徑的接觸狀態(tài)對焊縫成型有較大影響。當(dāng)所施加壓力不足時(shí),焊縫底部在冷卻后會(huì)由于金屬的“上浮”而形成孔洞;當(dāng)壓力過大時(shí),焊縫表面又會(huì)出現(xiàn)飛邊、毛刺等缺陷。3fsw過程材料流變的計(jì)算機(jī)模擬及研究進(jìn)展由于FSW過程自身的特點(diǎn),至今仍沒有辦法直接觀察到材料的流變過程,目前主要借助示蹤材料加以研究。Seidel等采用標(biāo)記插入技術(shù)研究了AA2195材料的流動(dòng),將AA5454-H32制成的標(biāo)記放置在焊縫對接面的不同位置,焊后將工件減薄、腐蝕,再通過金相法確定標(biāo)記的最終位置。研究表明,墊板、軸肩以及焊縫區(qū)域外的金屬共同構(gòu)成“擠壓?！?材料在這個(gè)“?！眱?nèi)運(yùn)動(dòng),經(jīng)過數(shù)字化處理后,將這些標(biāo)記位置組成三維圖來表示材料的流變行為,可以看出攪拌針兩側(cè)材料都從前向后發(fā)生了擠壓。Colligan在FSW過程中做了“急停實(shí)驗(yàn)”,即實(shí)驗(yàn)時(shí)突然停止焊接,再將帶螺紋的攪拌針迅速從工件中反轉(zhuǎn)出來,攪拌針周圍的材料可以原樣保留,不改變其形貌,最后將這部分材料進(jìn)行拋光、腐蝕處理,得到了一些數(shù)據(jù),表明部分材料繞攪拌針運(yùn)動(dòng)并最終在其后部沉淀。對于FSW過程中材料塑性流變的計(jì)算機(jī)模擬目前研究得還比較少。Seidel等建立了攪拌摩擦焊接過程的二維全耦合模型。此模型基于流體力學(xué)理論,把焊接過程中移動(dòng)的固體認(rèn)為是層流、粘性、非牛頓流體繞過旋轉(zhuǎn)的圓柱體探針(攪拌頭被簡化為一個(gè)探針),材料軟化所需要的熱量由材料變形產(chǎn)生。結(jié)果表明,在探針直徑范圍內(nèi)的材料僅后退側(cè)繞過探針,而不是在探針兩側(cè)繞過,材料在變形區(qū)域速度被加速,與流經(jīng)探針直徑外面的材料相比,它有一種被壓向下方的速度流動(dòng)。FSW中材料的流動(dòng)是一個(gè)非常復(fù)雜問題,受多種因素影響,如攪拌頭形狀、焊接參數(shù)、材料類型、工件溫度等,因此,FSW過程材料流動(dòng)行為及模擬研究還尚處于探索階段。雖然材料的流動(dòng)行為在國外已成為熱點(diǎn)問題,但在國內(nèi)研究得還比較少,所取得的結(jié)果也僅限于對試驗(yàn)現(xiàn)象的觀察和分析,缺乏數(shù)值模擬及深層次的理論研究,所提出的模型也過于簡單。為深入了解FSW焊縫的形成機(jī)制,應(yīng)將材料流動(dòng)行為研究的重點(diǎn)放在更深層次的理論研究和分析上。4fsw焊接組織和性能4.1熱影響區(qū)的影響微觀組織結(jié)構(gòu)與接頭力學(xué)性能密切相關(guān)。一般將FSW接頭分為3個(gè)部分,即焊核區(qū)(Weldnugget或Dynamicallyrecrystallizedzone,簡稱DXZ)、熱機(jī)械影響區(qū)(Thermo-mechanicallyaffectedzone,簡稱TMAZ)和熱影響區(qū)(Heataffectedzone,簡稱HAZ),如圖8所示?？梢钥闯?焊核區(qū)位于焊縫中心,一般呈橢圓形的“洋蔥”環(huán)狀結(jié)構(gòu);焊核區(qū)外圍是熱機(jī)械影響區(qū),這部分發(fā)生了明顯的塑性變形;熱機(jī)械影響區(qū)以外到母材之間的部分是熱影響區(qū)。焊核區(qū)金屬在攪拌頭的強(qiáng)烈攪拌摩擦作用下發(fā)生顯著的塑性變形和完全的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,形成細(xì)小、等軸晶粒的微觀組織。一般認(rèn)為,這些再結(jié)晶晶粒中位錯(cuò)密度較低,但是,最近一些研究結(jié)果表明,焊核區(qū)細(xì)小的再結(jié)晶組織中包含大量的亞晶界、亞晶及位錯(cuò)。焊核區(qū)形狀大體上有兩種:盆狀和橢圓形。大部分FSW焊核區(qū)形狀為橢圓形,但Sato等在攪拌摩擦焊接6063Al-T5時(shí)發(fā)現(xiàn)了盆狀焊核,這是因?yàn)楣ぜ砻媸軘嚢栳樀膹?qiáng)烈攪拌和塑性流動(dòng),導(dǎo)致了盆狀焊核的形成。Ma等的研究表明,在低焊接轉(zhuǎn)速下,焊核為盆狀(圖9(a)),隨焊接轉(zhuǎn)速的提高,焊核變成橢圓形,并出現(xiàn)明顯的“洋蔥”環(huán)特征(圖9(b))。焊核區(qū)“洋蔥”圓環(huán)的形成主要與攪拌頭的幾何形狀和焊接工藝參數(shù)有關(guān),這是因?yàn)閳A環(huán)的形成本質(zhì)上取決于塑性流體的運(yùn)動(dòng),且以上兩者均影響塑性流體的運(yùn)動(dòng)。圓環(huán)的中心比較密,往外圍比較稀疏。圓環(huán)間隙與焊接工具每一轉(zhuǎn)前進(jìn)的距離相等。此外,圓環(huán)的尺寸與攪拌針的尺寸密切相關(guān),一般焊核區(qū)直徑比焊針直徑稍大,而且隨著焊針直徑的增大而增大。熱機(jī)械影響區(qū)位于焊核區(qū)的外圍兩側(cè),在攪拌頭的熱、機(jī)聯(lián)合作用下發(fā)生了不同程度的塑性變形,形成了由彎曲而拉長晶粒組成的微觀組織,如圖10所示。一些研究發(fā)現(xiàn),這一區(qū)域存在一些沉淀相,而且隨著熱量的增加,沉淀相的數(shù)量不斷增加。此外,在熱機(jī)械影響區(qū)中還發(fā)現(xiàn)存在亞晶界。焊縫的熱影響區(qū)沒有受到攪拌頭的機(jī)械攪拌作用,因而并沒有發(fā)生塑性變形,僅在摩擦熱循環(huán)作用下發(fā)生了一些微觀結(jié)構(gòu)的變化。對于時(shí)效強(qiáng)化和加工硬化鋁合金,熱暴露導(dǎo)致熱影響區(qū)過時(shí)效(沉淀強(qiáng)化相的粗化和部分溶解)和位錯(cuò)密度下降,從而導(dǎo)致焊后接頭的硬度明顯下降。4.2fsw接頭熱循環(huán)技術(shù)FSW接頭(焊縫)的性能一直是研究熱點(diǎn),這里僅對其焊后硬度、強(qiáng)韌性及疲勞等性能進(jìn)行歸納。對FSW接頭橫截面微觀硬度測試表明,微觀硬度在接頭各個(gè)微觀組織區(qū)域分布是不均勻的,如圖11所示。其中,HAZ在攪拌摩擦熱循環(huán)的作用下發(fā)生沉淀強(qiáng)化相粗化和溶解,形成軟化區(qū),導(dǎo)致硬度顯著降低,從而成為接頭最薄弱的環(huán)節(jié)。因此,如何控制FSW過程中的熱輸入量以減小對接頭的軟化作用,是獲得高強(qiáng)度FSW接頭的關(guān)鍵。在保證焊縫成形和沒有缺陷的前提下,應(yīng)盡量減少對材料的熱輸入,亦即盡量增大v/ω(mm/r)的值。對于鋁合金,沉淀強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化鋁合金在攪拌摩擦焊后硬度變化也有所不同。焊后接頭(鋁合金)室溫拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明,接頭的拉伸強(qiáng)度可以達(dá)到母材的70%以上,延伸率達(dá)到母材的60%以上,如表1所示。FSW接頭的性能,除了與母材本身的性能有關(guān)外,還取決于攪拌頭的形狀、尺寸(軸肩和攪拌頭直徑)以及主軸傾角、焊接壓入量、焊接參數(shù)(攪拌頭轉(zhuǎn)速ω和焊接速度v)等。通過對這些因素影響規(guī)律的研究及優(yōu)化,尋求最佳焊接參數(shù)配比區(qū)間,可以獲得最佳性能的攪拌摩擦焊縫。此外,一些研究表明,焊縫的HAZ由于沉淀強(qiáng)化相粗化和溶解,使強(qiáng)度大大降低,導(dǎo)致拉伸時(shí)在此處最早斷裂,這與圖11(b)的硬度分布相對應(yīng)。在FSW時(shí),HAZ的硬度和強(qiáng)度最低,對熱循環(huán)的控制是獲得高強(qiáng)度的關(guān)鍵。為了獲得最佳的機(jī)械性能,焊后熱處理是熱處理強(qiáng)化材料提高焊縫性能的最好選擇。但是,在許多工況條件下,無法進(jìn)行后續(xù)熱處理。焊縫的疲勞性能是一個(gè)重要的考核指標(biāo),近年來,對其應(yīng)力循環(huán)疲勞(S-N)和疲勞裂紋擴(kuò)張行為的研究越來越多,并且更加深入。如采用10mm厚的5083-O鋁合金焊件,使用應(yīng)力比R=0.1進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí),5083-O鋁合金FSW對接接頭的疲勞壽命是金屬極電弧焊的9~12倍,且計(jì)算疲勞特征值為67.3MPa,遠(yuǎn)高于金屬極電弧焊(MIG)的值(39.8MPa),如圖12所示。同時(shí),要獲得優(yōu)異的疲勞性能,對接焊縫的根部必須全部焊上。與其他焊接工藝一樣,進(jìn)行攪拌摩擦焊時(shí)同樣需要避免根部缺陷。5fsw技術(shù)的應(yīng)用FSW焊接溫度低于材料熔點(diǎn),焊接過程中始終沒有材料的熔化,故理論上講,只要材料在高溫下具有一定的塑性流變能力,就有可能采用FSW技術(shù)進(jìn)行焊接。此外,攪拌頭的性能要滿足要求,即在焊接過程中有足夠的熱強(qiáng)度,FSW就可以用來焊接多種材料和合金。目前,除了焊接鋁合金外,國內(nèi)外已用FSW成功焊接了鈦合金、鋼、鋁基復(fù)合材料、鎂合金以及銅合金,而且焊后材料的機(jī)械性能達(dá)到了母材的80%~90%,有的甚至超過了母材的性能,具體見表2。6超塑性鋁合金fsp除了作為一種焊接方法外,FSW還可用于材料微觀組織的改性和制造,這種方法稱為攪拌摩擦加工(Frictionstirprocessing,簡稱FSP)。其基本思想是,利用攪拌頭所造成加工區(qū)材料的劇烈塑性變形、混合、破碎和熱暴露,實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)的致密化、均勻化和細(xì)化。1999年,美國密蘇里大學(xué)的Mishra博士首次采用該技術(shù)制備了細(xì)晶超塑性鋁合金。目前,FSP已在超塑性、表面復(fù)合、納米相鋁合金的均勻化以及鑄造鋁合金微觀組織細(xì)化等方面取得應(yīng)用。以下簡要介紹微觀結(jié)構(gòu)改性和超塑性的研究工作。6.1化學(xué)改性和熱處理方法普通Al-Si-Mg合金鑄件由于粗大的針狀Si相和鋁枝晶以及縮孔、疏松等缺陷,導(dǎo)致其力學(xué)性能,尤其是塑性和疲勞性能較低。傳統(tǒng)上采用各種化學(xué)改性和熱處理方法對其進(jìn)行改性處理,然而這些方法不僅工序繁雜,而且不能完全消除鑄造空洞,也很難使微觀組織完全均勻化。Ma等的研究表明,在采用FSW對A356鑄件進(jìn)行加工后,粗大針狀Si相被破碎成近似等軸粒子并均勻分布在鋁基體中,鑄造空洞被彌合,鋁枝晶被破碎、基體晶粒被細(xì)化,使材料的力學(xué)性能得到明顯改善,特別是塑性(表3)和疲勞性能。6.2細(xì)晶鋁合金的制備技術(shù)超塑性在汽車、航空等領(lǐng)域的整體部件成型中獲得日益廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)細(xì)晶超塑性鋁合金的制備采用熱機(jī)械加工手段,不僅工序繁雜、制備成本高,而且還有3個(gè)明顯不足:(1)需要大壓下量,使超塑性鋁板通常小于3mm厚,限制了超塑成型工藝在制造業(yè)的廣泛應(yīng)用;(2)最佳超塑性應(yīng)變速率為1×10-4~1×10-3s-1,對于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),生產(chǎn)效率太低;(3)超塑性通常只能在高溫下實(shí)現(xiàn),既浪費(fèi)能源,又導(dǎo)致成型后工件性能降低。因而,近年來大量的研究致力于發(fā)展新的細(xì)晶鋁合金制備技術(shù),如等通道角擠壓、高壓扭轉(zhuǎn)、多向鍛造、疊軋復(fù)合等。FSP是一種全新的超塑性細(xì)晶鋁合金制備技術(shù)。Mishra等首先報(bào)道了攪拌摩擦加工7075Al的超塑性,在490℃、1×10-2s-1的高應(yīng)變速率下,可獲得超過1000%的超塑性延伸率。隨后,Ma等采用FSP對Al-4Mg-1Zr合金進(jìn)行處理,得到1.5μm的微細(xì)晶粒;在525℃及1×10-1s-1高應(yīng)變速率下,獲得1280%的超塑性延伸率;即使在550℃的高溫下,仍獲得1210%的延伸率,這表明高溫下也能保持較好的超塑性。此外,Charit等采用FSP技術(shù)對2024鋁合金進(jìn)行處理,得到高應(yīng)變速率的超塑性特征,當(dāng)應(yīng)變速率為1×10-2s-1、溫度為430℃時(shí),材料的最高塑性達(dá)到525%。上述研究表明,FSP是一種非常有效的制備高應(yīng)變速率超塑性細(xì)晶鋁合金的手段。目前對這方面的研究還不是很多,有許多問題有待深入研究或澄清。7頭力學(xué)性能應(yīng)用自FSW發(fā)明以來,由于其焊縫組織好、接頭力學(xué)性能優(yōu)異,已經(jīng)在航空航天、造船、汽車、鐵道車輛等制造領(lǐng)域顯示出強(qiáng)勁的創(chuàng)新活力和廣闊的應(yīng)用前景,并得到廣泛應(yīng)用。7.1外貯箱焊接用fsw自1995年以來,美國、日本和歐洲的一些國家開展了對FSW在航天中的應(yīng)用性研究。美國航空航天工業(yè)部門成功焊接了以往難以焊接的7075鋁合金低溫燃料貯箱;波音公司的空間防御實(shí)驗(yàn)室在1998年也將此技術(shù)用于火箭某些部件的焊接;1999年初,波音公司在加州HuntingtonBeach工廠用FSW焊接生產(chǎn)了DeltaⅡ和Ⅲ運(yùn)載火箭的貯箱,并于2001年又用FSW焊接生產(chǎn)了DeltaⅣ運(yùn)載火箭的貯箱。DeltaⅣ運(yùn)載火箭的貯箱直徑為5m,是DeltaⅡ和Ⅲ的2倍多,采用2219-T87鋁合金,在阿拉巴馬洲的Decatur工廠生產(chǎn)。波馬公司已經(jīng)評定了FSW工藝在各種鋁合金及鋁鋰合金上的應(yīng)用,并購置了3臺(tái)GTC公司生產(chǎn)的FSW設(shè)備用于航天飛機(jī)外貯箱的焊接生產(chǎn)。在航空領(lǐng)域中,飛機(jī)制造零部件的裝配連接使用了大量鉚接和螺栓連接結(jié)構(gòu),如在空中客車A340飛機(jī)上使用了超過100萬個(gè)鉚釘,如果用FSW代替鉚接,一方面FSW具有比鉚接更快的制造速度,另一方面FSW在減少制造過程庫存零部件的同時(shí),還大大減輕了飛機(jī)的結(jié)構(gòu)質(zhì)量。歐洲航空公司在幾年前就開展了兩項(xiàng)有關(guān)FSW的研究工作,項(xiàng)目之一是“飛機(jī)框架結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊(WAFS)”,歷時(shí)3年,由歐洲13個(gè)主要的飛機(jī)制造公司和研究機(jī)構(gòu)合作承擔(dān);“宇航工業(yè)近期商業(yè)目標(biāo)技術(shù)應(yīng)用(TANGO)”是其第二個(gè)FSW研究項(xiàng)目,由空客公司負(fù)責(zé),歷時(shí)4年,由12個(gè)國家34個(gè)合作伙伴參加,主要研究飛機(jī)結(jié)構(gòu)的FSW問題,這些結(jié)構(gòu)包括:金屬材料機(jī)身、復(fù)合材料機(jī)身、中心和側(cè)部翼箱。美國Eclipse飛機(jī)制造公司斥資3億美元用于FSW的飛機(jī)制造計(jì)劃,根據(jù)計(jì)劃,世界上FSW焊接的首架商業(yè)噴氣飛機(jī)已于2002年6月完成首飛,于2003年8月交付使用。Eclipse500商用客機(jī)機(jī)身基本全部利用FSW制造,其中包括飛機(jī)蒙皮、翼肋、飛機(jī)地板以及結(jié)構(gòu)件的裝配等?？傊?FSW技術(shù)的出現(xiàn)為航空航天工業(yè)設(shè)計(jì)和制造提供了一種新的方法和途徑,并逐步投入到實(shí)際生產(chǎn)中。7.2fsw鋁合金熔焊技術(shù)的應(yīng)用船舶制造和海洋工業(yè)是FSW首先得到商業(yè)應(yīng)用的兩個(gè)工業(yè)領(lǐng)域,主要應(yīng)用在甲板、側(cè)板、防水壁板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件、直升機(jī)降落平臺(tái)、水上觀測站、海洋運(yùn)輸結(jié)構(gòu)件、帆船桅桿及結(jié)構(gòu)件、船用冷凍器中空平板等。鋁合金材料傳統(tǒng)連接方法為鉚接和弧焊連接,鉚接增加了制造時(shí)間、人力和物料使用量,且鋁合金熔焊時(shí)易產(chǎn)生變形、缺陷和煙塵等,也限制了弧焊的使用。所以FSW技術(shù)的發(fā)展,以高集成度的預(yù)成型模塊化制造來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的船舶加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)的制造,是船舶制造技術(shù)發(fā)展的必然和革命性的進(jìn)步。挪威Haugesund的GydroMarineAluminium鋁板廠每年都要生產(chǎn)70km以上無缺陷的FSW鋁板,主要用于造船業(yè)的船甲板、殼體、船艙壁等部位的焊接。日本住友輕金屬公司采用FSW生產(chǎn)鋁質(zhì)蜂窩結(jié)構(gòu)板件和耐海