伸縮式攪拌頭厚鋁板攪拌摩擦焊缺陷及其補焊工藝

介紹了攪拌摩擦焊的原理、研究現(xiàn)狀及應(yīng)用,并對該焊接方法的應(yīng)用前景進行了展望。

攪拌摩擦焊是一種新型固相塑性連接方法,它的出現(xiàn)為銅的焊接提供了一種新的工藝.對紫銅的攪拌摩擦焊工藝進行了研究,通過工藝試驗,對其焊縫成形、接頭組織形態(tài)及其力學(xué)性能進行了分析.研究結(jié)果表明,攪拌摩擦焊接紫銅時應(yīng)選用攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度在400~700r/min,焊接速度為35~60mm/min;從顯微組織角度,由于接頭主要發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶,焊接接頭沒有熱力影響區(qū),而是三個區(qū),即焊核區(qū)、熱影響區(qū)、母材區(qū).研究還發(fā)現(xiàn)用攪拌摩擦焊得到的銅接頭出現(xiàn)了明顯的軟化現(xiàn)象,接頭的機械性能比母材低,但比熔化焊得到的接頭性能要高,其平均抗拉強度可達到母材的80%.

主要對塑料板的攪拌摩擦焊工藝進行了探索,研究了主要的工藝參數(shù)(包括攪拌頭的形狀、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度、軸肩下壓量和主軸傾角)對塑料焊縫成形的影響,并對焊后成形較好的試樣進行了力學(xué)性能試驗和焊縫橫截面的宏觀分析。結(jié)果表明,當(dāng)工藝參數(shù)選擇合適時,可以得到光滑、美觀和無缺陷的焊縫,接頭的抗拉強度可達到母材的90%以上。

根據(jù)已研制的三維數(shù)控焊攪拌摩擦焊機結(jié)構(gòu),研究了攪拌頭長度補償模型,給出了攪拌頭長度補償計算公式及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

攪拌摩擦焊(frictionstirwelding.簡稱fsw)是一種利用高速旋轉(zhuǎn)的攪拌頭與工件磨擦產(chǎn)生的熱量使被焊材料局部塑化的新型固相連接工藝。它可以對多種熔化焊接性差的有色金屬等材料進行可靠的連接,而且連接工藝簡單,有較好的工藝適應(yīng)性。本文在總結(jié)攪拌摩擦焊研究成果的基礎(chǔ)上,論述了攪拌摩擦焊的基本原理和特點,闡述了近年來國內(nèi)外攪拌摩擦焊工藝參數(shù)、接頭微觀組織、焊接成形機理等方面的研究現(xiàn)狀,并展望fsw的應(yīng)用前景。

結(jié)合攪拌摩擦焊發(fā)展現(xiàn)狀，本文主要對攪拌摩擦焊攪拌頭領(lǐng)域?qū)＠M行統(tǒng)計分析，包括申請量、主要申請人、專利申請態(tài)勢分布、進行統(tǒng)計分析，對攪拌摩擦焊用攪拌頭的技術(shù)背景和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展作了簡單歸納介紹，提出專利分析可以作為一種技術(shù)路線分析的手段，指引后續(xù)創(chuàng)新方向。

結(jié)合攪拌摩擦焊發(fā)展現(xiàn)狀，本文主要對攪拌摩擦焊攪拌頭領(lǐng)域?qū)＠M行統(tǒng)計分析，包括申請量、主要申請人、專利申請態(tài)勢分布、進行統(tǒng)計分析，對攪拌摩擦焊用攪拌頭的技術(shù)背景和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展作了簡單歸納介紹，提出專利分析可以作為一種技術(shù)路線分析的手段，指引后續(xù)創(chuàng)新方向。

本文從鋼攪拌摩擦焊攪拌頭受力分析、失效形式、材料選擇等方面對鋼攪拌摩擦焊攪拌頭研究進展進行介紹和分析，

結(jié)合攪拌摩擦焊發(fā)展現(xiàn)狀，本文主要對攪拌摩擦焊攪拌頭領(lǐng)域?qū)＠M行統(tǒng)計分析，包括申請量、主要申請人、專利申請態(tài)勢分布、進行統(tǒng)計分析，對攪拌摩擦焊用攪拌頭的技術(shù)背景和應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展作了簡單歸納介紹，提出專利分析可以作為一種技術(shù)路線分析的手段，指引后續(xù)創(chuàng)新方向。

選用yg8硬質(zhì)合金作為摩擦頭材料進行低碳鋼的攪拌摩擦焊試驗。采用游標(biāo)卡尺測量工具、x射線衍射儀和能譜儀等分析摩擦頭在焊接過程中的主要失效形式。結(jié)果表明,yg8硬質(zhì)合金摩擦頭在低碳鋼的攪拌摩擦焊過程中的主要失效形式為機械磨損、氧化剝落、攪拌針脆性斷裂和軸肩變形失效等。引起失效的主要原因是摩擦頭長時間的高溫高壓摩擦,導(dǎo)致粘結(jié)相co分布不均勻或部分擴散流失,嚴重破壞了硬質(zhì)合金的骨架模型;失效后摩擦頭組織中出現(xiàn)了游離碳和硬脆相co6w6c,減弱粘結(jié)相co對基體相碳化鎢的固溶強化作用,最終導(dǎo)致摩擦頭的硬度、強度和耐磨性等下降。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）是中國攪拌摩擦焊技術(shù)先鋒和開拓者,秉持“航空報國、強軍富民”的主體理念,已成功實現(xiàn)我國大型飛機機身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機艙體、機翼結(jié)構(gòu)和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國武器裝備的制造技術(shù)水平。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）是中國攪拌摩擦焊技術(shù)先鋒和開拓者,秉持“航空報國、強軍富民”的主體理念,已成功實現(xiàn)我國大型飛機機身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機艙體、機翼結(jié)構(gòu)和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國武器裝備的制造技術(shù)水平。

中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司（中國攪拌摩擦焊中心）是中國攪拌摩擦焊技術(shù)先鋒和開拓者,秉持“航空報國、強軍富民”的主體理念,已成功實現(xiàn)我國大型飛機機身結(jié)構(gòu)、油箱、口蓋、地板結(jié)構(gòu)、新型戰(zhàn)斗機艙體、機翼結(jié)構(gòu)和雷達冷板等部件的攪拌摩擦焊接,大幅提升了我國武器裝備的制造技術(shù)水平。

用攪拌摩擦焊方法成功焊接了10mm厚的紫銅與低碳鋼板,得到了內(nèi)部無缺陷、外觀成形良好的接頭.紫銅位于攪拌摩擦焊返回邊時,能使焊縫形成良好接頭.反之,位于前進邊時則有溝槽和未焊合等缺陷.右旋螺紋攪拌針會使焊縫材料向上作螺旋形運動,接頭有明顯的軸肩影響區(qū),缺陷容易在焊縫底部出現(xiàn).左旋螺紋攪拌針使攪拌針周圍的塑化金屬向下遷移,在焊縫下部形成明顯的呈"洋蔥環(huán)"形焊核區(qū),缺陷容易在焊縫上部出現(xiàn).攪拌針偏移量對焊縫形貌有較大影響.接頭抗拉強度達233mpa,為銅母材強度的95%,斷裂位置在銅側(cè)熱影響區(qū).焊核區(qū)抗拉強度達296mpa,遠超過紫銅母材的強度.

熱電偶測溫和紅外儀測溫都是現(xiàn)代測溫技術(shù)中的主要測溫方法。但由于熱電偶測溫的滯后性和紅外儀測溫易受發(fā)射率影響的原因,測溫的準確度難以提高。在基于攪拌摩擦焊接動態(tài)測溫試驗基礎(chǔ)上,本文提出了一種根據(jù)熱電偶測溫原理對熱電偶測溫動態(tài)誤差進行校正的方法,并通過紅外儀測溫對校正結(jié)果進行了檢驗,取得了較理想的結(jié)果,對提高測溫準確度具有一定的意義。

采用3種規(guī)格的攪拌頭進行2a70-t6鋁合金t型接頭攪拌摩擦焊試驗,并對焊縫橫截面進行觀察以及焊縫抗拉強度的測試。結(jié)果表明:焊縫中前進側(cè)過渡區(qū)的金屬變化急劇,拉長的晶粒成流線狀分布,返回側(cè)過渡區(qū)的金屬變化緩和,由焊核區(qū)細小晶粒緩慢過渡至母材較大的晶粒;隨著攪拌針根部直徑的增加,焊核的寬度也增大;為了獲得無缺陷的接頭,焊接速度增大時,頂鍛壓力必須協(xié)同增大,隨著頂鍛壓力的增大,焊縫的抗拉強度也增大。

新型高性能飛機的研制在制造技術(shù)方面促進了攪拌摩擦焊技術(shù)在飛機制造中的應(yīng)用和發(fā)展,適合于飛機不同材料和結(jié)構(gòu)的特點使攪拌摩擦焊演繹出了多種不同的新型攪拌摩擦焊技術(shù),如攪拌摩擦點焊技術(shù)、雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)和函數(shù)曲線攪拌摩擦焊技術(shù)等,這些技術(shù)已經(jīng)在多種飛機結(jié)構(gòu)中得到工程化應(yīng)用。攪拌摩擦焊技術(shù)的日漸成熟和發(fā)展將逐漸匯入新型飛機制造的主旋律中。

攪拌摩擦焊具有熔化焊接無法比擬的優(yōu)點，因此鋁合金攪拌摩擦焊引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。本文主要介紹了攪拌摩擦焊的工作原理和接頭性能影響因素．詳細介紹了國內(nèi)外鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織、接頭力學(xué)性能和塑性流動機理以及攪拌摩擦焊焊接缺陷修補技術(shù)，指出了在塑型金屬流動方面存在的不足，還需要進一步研究焊接接頭質(zhì)量的評定方法和攪拌摩擦焊接頭缺陷的修補技術(shù)。

攪拌摩擦焊是一種由英國焊接研究所研發(fā)的固相新型焊接方式。低的焊接溫度、小的熱輸入量、接頭強度較高以及在攪拌摩擦焊接過程中金屬材料不發(fā)生變化,這些優(yōu)點使得攪拌摩擦焊比其他的傳統(tǒng)熔化焊更易于推廣。從攪拌摩擦焊在焊接過程中的攪拌頭和焊接工藝方面出發(fā),研究攪拌摩擦焊的成型規(guī)律。

利用正交試驗法研究了攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對20mm厚的5a06-h112鋁合金板接頭組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明:焊接速度對接頭抗拉強度影響最大,而攪拌頭軸肩直徑和旋轉(zhuǎn)速度依次減小;采用最優(yōu)組合參數(shù)焊接的試樣其抗拉強度可達365mpa;由于攪拌摩擦焊焊縫中前進側(cè)的熔合過渡區(qū)的界面變化急劇,因此斷裂往往發(fā)生在該熔合過渡區(qū);隨著退火溫度升高,焊核原本細小的等軸晶粒開始長大,并伴隨著β(mg2al3)相從α(al)基體中析出,雖然焊核的晶粒變得粗大,但焊縫的抗拉強度降低的幅度較小。

采用攪拌摩擦焊接方法對厚度為25mm的t2紫銅厚板進行了單道對接焊試驗,并對焊縫的微觀組織、力學(xué)性能、導(dǎo)電特性及焊縫能譜進行了分析.結(jié)果表明,用攪拌摩擦焊方法焊接25mm厚的t2紫銅板,可得到成形美觀、內(nèi)部無缺陷的平板對接接頭.在旋轉(zhuǎn)速度為960r/min、焊接速度為70mm/min時,攪拌摩擦焊的焊接接頭的抗拉強度可達到186.6mpa,攪拌摩擦焊接頭的電阻率與母材基本相當(dāng).

對異種材料dp600鍍鋅雙相鋼板和1060工業(yè)純鋁進行了攪拌摩擦焊搭接試驗(鋁板在上,鋼板在下).從接頭橫截面的金相形貌可以發(fā)現(xiàn),在前進側(cè)和返回側(cè),鋼像兩個釘子一樣進入鋁中.在微觀上,鋼和鋁以河流狀的形式充分地混合在一起.在焊核區(qū)和熱力影響區(qū),鋼和鋁之間形成了一層有一定寬度的由兩種材料呈帶狀交錯分布組成的過渡層.力學(xué)性能測試表明,過渡層的顯微硬度較高,接頭抗剪強度達到母材77%,形成了力學(xué)性能較好的焊縫.xrd物相分析發(fā)現(xiàn)在斷面產(chǎn)生了金屬間化合物al13fe4.