搅拌摩擦焊接过程中搅拌针摩擦行为的研究

自搅拌摩擦焊发明至今,国内外开展了大量的有关搅拌摩擦焊(frictionstirwelding,fsw)技术的研究与开发工作,并且已在轻合金结构制造领域得到大量实际应用。此外,基于搅拌摩擦焊原理发展而来的另一项技术——搅拌摩擦加工也得到广泛关注,并且在金属材料组织改性及复合材料制备方面显示了独特的优势。然而,由于受到高温搅拌头材料的限制,对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究相比铝合金要少了很多。本研究对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究进展进行简要概述,总结同质钢铁材料搅拌摩擦焊接、异质钢铁材料搅拌摩擦焊接、钢铁材料搅拌摩擦加工以及高温焊接工具材料等几方面的研究成果,指出其中存在的重要科学及技术问题,并对钢铁材料搅拌摩擦焊接以及搅拌摩擦加工的发展趋势及值得关注的问题进行展望。

介绍了搅拌摩擦焊接技术的焊接工艺、焊接机理、焊接数值模拟及难点，提出应从复合搅拌摩擦焊接技术工艺和搅拌头的再设计等途径解决搅拌摩擦焊接高熔点合金与黑色金属的技术问题。

采用搅拌摩擦焊接方法对厚度为25mm的t2紫铜厚板进行了单道对接焊试验,并对焊缝的微观组织、力学性能、导电特性及焊缝能谱进行了分析.结果表明,用搅拌摩擦焊方法焊接25mm厚的t2紫铜板,可得到成形美观、内部无缺陷的平板对接接头.在旋转速度为960r/min、焊接速度为70mm/min时,搅拌摩擦焊的焊接接头的抗拉强度可达到186.6mpa,搅拌摩擦焊接头的电阻率与母材基本相当.

采用搅拌摩擦焊接方法对厚度为30mm和50mm的t2紫铜板分别进行单面和双面焊接实验,并对焊缝的微观组织与力学性能进行了分析.结果表明:在一定的参数范围内,可获得表面成形美观、内部无缺陷且变形小的对接接头.30mmt2紫铜板单道焊焊后平均抗拉强度为177.2mpa,达到母材的81.7%,断后平均伸长率为25.4%;焊缝横切面显微硬度分布波动较大,最低值位于前进侧热影响区底部,说明了此处位置是焊缝薄弱环节.

对t2紫铜的搅拌摩擦焊技术进行了实验研究,对其基本工艺、接头组织和性能等进行了初步分析。实验结果表明,用搅拌摩擦焊方法焊接6mm厚的t2紫铜板,当焊接规范合适时,可得到成形美观、内部无缺陷、几乎不变形的平板对接接头;搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达母材的90%;搅拌摩擦焊接头的电阻率与母材基本相同。

研究了等径弯曲通道变形az31镁合金的搅拌摩擦焊工艺,对焊缝的成形特点和力学性能进行了分析。试验结果表明,对厚为15mm的等径弯曲通道变形az31镁合金板,工艺参数对焊缝成型有很大的影响,成型性能对焊接速度的敏感程度较铝合金板要大,当焊接速度为37.5mm/min和搅拌头旋转速度为750r/min时,可以获得较好的焊接质量。

对冷轧al-cu双层复合板进行搅拌摩擦焊接,获得了无缺陷的焊接接头。对搅拌摩擦焊过程中的金属流动行为和两层之间的混合进行了研究,考察了显微组织和硬度的变化。结果表明,在搅拌区的金属流动导致了在cu层中前进侧生成条带状结构,在这些条带状结构中的细晶区域中,存在微量的al颗粒和al-cu金属间化合物,这导致了其硬度的增加。

以搅拌摩擦焊接头疲劳寿命为研究对象,使用概率统计的方法,研究2024搅拌摩擦焊接头疲劳寿命统计分布特征,其具有代表性的统计参量为形状参数b和特征寿命n_a,通过分析证实了2024铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳寿命符合双参数威布尔分布。

国内对搅拌摩擦焊焊接参数(如进给速度、旋转速度)的研究比较多,但对工艺倾角的研究很少。本文采用搅拌摩擦焊方法对2519铝合金进行了焊接试验,结果表明,工艺倾角也是影响焊缝质量的关键性因素,工艺倾角在3°~5°区间时,呈现出较好的焊缝性能,小于3°或大小5°,焊缝性能较差。

热电偶测温和红外仪测温都是现代测温技术中的主要测温方法。但由于热电偶测温的滞后性和红外仪测温易受发射率影响的原因,测温的准确度难以提高。在基于搅拌摩擦焊接动态测温试验基础上,本文提出了一种根据热电偶测温原理对热电偶测温动态误差进行校正的方法,并通过红外仪测温对校正结果进行了检验,取得了较理想的结果,对提高测温准确度具有一定的意义。

选用yg8硬质合金作为摩擦头材料进行低碳钢的搅拌摩擦焊试验。采用游标卡尺测量工具、x射线衍射仪和能谱仪等分析摩擦头在焊接过程中的主要失效形式。结果表明,yg8硬质合金摩擦头在低碳钢的搅拌摩擦焊过程中的主要失效形式为机械磨损、氧化剥落、搅拌针脆性断裂和轴肩变形失效等。引起失效的主要原因是摩擦头长时间的高温高压摩擦,导致粘结相co分布不均匀或部分扩散流失,严重破坏了硬质合金的骨架模型;失效后摩擦头组织中出现了游离碳和硬脆相co6w6c,减弱粘结相co对基体相碳化钨的固溶强化作用,最终导致摩擦头的硬度、强度和耐磨性等下降。

介绍了搅拌摩擦焊的原理、研究现状及应用,并对该焊接方法的应用前景进行了展望。

采用热塑性塑料abs作为焊接材料,研究了搅拌摩擦焊工艺参数对其焊接接头力学性能的影响。结果表明,工艺参数与性能之间有明显的关联性,采用1300r/min转速、0.05mm下压量、20mm/min焊接速度,接头宏观表面成型良好,且焊接后板材整体基本无翘曲,可以实现有效连接。断面分析表明,在不同焊接参数下接头断裂方式不同,断面出现明显的分层现象。

采用圆柱形、螺柱形、正圆锥形、倒圆锥形等形状的搅拌头对厚10mm聚氯乙烯板进行了搅拌摩擦焊试验。结果发现,当搅拌头转速ω=1660r/min,焊接速度v=25mm/min时,采用正圆锥形的搅拌头可得到焊合良好、成形饱满的焊缝;采用圆柱形的搅拌头,也能得到焊合良好、表面光滑、成形美观的焊缝;采用倒圆锥形和螺柱形搅拌头焊接的接头焊合不良,质量较差。焊接时的测温结果表明,硬pvc塑料最佳的搅拌摩擦焊温度范围应为180～190℃,高于200℃会出现烧焦现象,低于170℃则会焊合不良或不能焊合。

根据已研制的三维数控焊搅拌摩擦焊机结构,研究了搅拌头长度补偿模型,给出了搅拌头长度补偿计算公式及坐标转换关系。

本文从钢搅拌摩擦焊搅拌头受力分析、失效形式、材料选择等方面对钢搅拌摩擦焊搅拌头研究进展进行介绍和分析，

试验研究了板厚为2mm和12mm的紫铜板的搅拌摩擦焊工艺,分析了焊接接头组织及性能。结果表明,板厚为2mm的紫铜,在一较宽的规范范围内,可得到组织致密、无孔洞、无裂纹的焊接接头,接头强度可达到母材的90%。板厚为12mm时,采用双面焊,仅中部有未融合的缺陷,但缺陷在板厚方向的尺寸小于1%的板厚,大大小于钨极氩弧焊时所容许的缺陷率。焊缝的显微组织为典型的再结晶组织,晶粒细小,焊缝两侧热影响区的组织不对称。

搅拌摩擦焊接是固相连接技术,焊接过程中形成精细的锻造组织,具有较高的接头性能。在介绍搅拌摩擦焊技术的基础上,对该技术在汽车制造业中的应用进行了探讨。对搅拌摩擦点焊技术进行了介绍。由于搅拌摩擦点焊具有成本低、耗能少等优势,可完全替代传统点焊方法用于汽车制造。

结合搅拌摩擦焊发展现状，本文主要对搅拌摩擦焊搅拌头领域专利进行统计分析，包括申请量、主要申请人、专利申请态势分布、进行统计分析，对搅拌摩擦焊用搅拌头的技术背景和应用领域的发展作了简单归纳介绍，提出专利分析可以作为一种技术路线分析的手段，指引后续创新方向。

结合搅拌摩擦焊发展现状，本文主要对搅拌摩擦焊搅拌头领域专利进行统计分析，包括申请量、主要申请人、专利申请态势分布、进行统计分析，对搅拌摩擦焊用搅拌头的技术背景和应用领域的发展作了简单归纳介绍，提出专利分析可以作为一种技术路线分析的手段，指引后续创新方向。

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为1.8mm2024-t4铝合金薄板进行焊接实验,通过高压水冷装置来控制由残余应力产生的失稳翘曲变形,并对焊缝的微观组织与力学性能进行了分析。结果表明:用搅拌摩擦焊方法焊接1.8mm厚的2024-t4铝合金薄板可得到外表成形美观、内部无缺陷的平板对接接头。在冷却水压为0.4mpa、搅拌针旋转速度为2100r/min、焊接速度为120mm/min时,搅拌摩擦焊的焊接接头强度可达到377.9mpa,达到母材强度的80.39%。

采用搅拌摩擦焊(fsw)技术对1mm厚6061-t6铝合金薄板进行了对接.研究了焊接工艺参数的范围,实验测试了焊接接头的强度、硬度和延伸率,利用金相显微镜、扫描电镜和透射电镜分析了接头的微观组织.结果表明:对于1mm厚度6061-t6铝合金,fsw的最优工艺参数为旋转速度1800r.min-1,焊接速度1000mm.min-1;在此参数下,接头的硬度值达到母材的80%左右,抗拉强度达到母材的103%,延伸率达到母材的54%;接头的力学性能与微观结构相符.