攪拌摩擦焊接過程中攪拌針摩擦行為的研究

自攪拌摩擦焊發(fā)明至今,國內(nèi)外開展了大量的有關(guān)攪拌摩擦焊(frictionstirwelding,fsw)技術(shù)的研究與開發(fā)工作,并且已在輕合金結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域得到大量實際應(yīng)用。此外,基于攪拌摩擦焊原理發(fā)展而來的另一項技術(shù)——攪拌摩擦加工也得到廣泛關(guān)注,并且在金屬材料組織改性及復(fù)合材料制備方面顯示了獨特的優(yōu)勢。然而,由于受到高溫攪拌頭材料的限制,對鋼鐵材料攪拌摩擦焊接及加工的研究相比鋁合金要少了很多。本研究對鋼鐵材料攪拌摩擦焊接及加工的研究進展進行簡要概述,總結(jié)同質(zhì)鋼鐵材料攪拌摩擦焊接、異質(zhì)鋼鐵材料攪拌摩擦焊接、鋼鐵材料攪拌摩擦加工以及高溫焊接工具材料等幾方面的研究成果,指出其中存在的重要科學及技術(shù)問題,并對鋼鐵材料攪拌摩擦焊接以及攪拌摩擦加工的發(fā)展趨勢及值得關(guān)注的問題進行展望。

介紹了攪拌摩擦焊接技術(shù)的焊接工藝、焊接機理、焊接數(shù)值模擬及難點，提出應(yīng)從復(fù)合攪拌摩擦焊接技術(shù)工藝和攪拌頭的再設(shè)計等途徑解決攪拌摩擦焊接高熔點合金與黑色金屬的技術(shù)問題。

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、力學性能、導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.

采用攪拌摩擦焊接方法對厚度為30mm和50mm的t2紫銅板分別進行單面和雙面焊接實驗,并對焊縫的微觀組織與力學性能進行了分析.結(jié)果表明:在一定的參數(shù)范圍內(nèi),可獲得表面成形美觀、內(nèi)部無缺陷且變形小的對接接頭.30mmt2紫銅板單道焊焊后平均抗拉強度為177.2mpa,達到母材的81.7%,斷后平均伸長率為25.4%;焊縫橫切面顯微硬度分布波動較大,最低值位于前進側(cè)熱影響區(qū)底部,說明了此處位置是焊縫薄弱環(huán)節(jié).

對t2紫銅的攪拌摩擦焊技術(shù)進行了實驗研究,對其基本工藝、接頭組織和性能等進行了初步分析。實驗結(jié)果表明,用攪拌摩擦焊方法焊接6mm厚的t2紫銅板,當焊接規(guī)范合適時,可得到成形美觀、內(nèi)部無缺陷、幾乎不變形的平板對接接頭;攪拌摩擦焊接頭的抗拉強度可達母材的90%;攪拌摩擦焊接頭的電阻率與母材基本相同。

研究了等徑彎曲通道變形az31鎂合金的攪拌摩擦焊工藝,對焊縫的成形特點和力學性能進行了分析。試驗結(jié)果表明,對厚為15mm的等徑彎曲通道變形az31鎂合金板,工藝參數(shù)對焊縫成型有很大的影響,成型性能對焊接速度的敏感程度較鋁合金板要大,當焊接速度為37.5mm/min和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為750r/min時,可以獲得較好的焊接質(zhì)量。

對冷軋al-cu雙層復(fù)合板進行攪拌摩擦焊接,獲得了無缺陷的焊接接頭。對攪拌摩擦焊過程中的金屬流動行為和兩層之間的混合進行了研究,考察了顯微組織和硬度的變化。結(jié)果表明,在攪拌區(qū)的金屬流動導致了在cu層中前進側(cè)生成條帶狀結(jié)構(gòu),在這些條帶狀結(jié)構(gòu)中的細晶區(qū)域中,存在微量的al顆粒和al-cu金屬間化合物,這導致了其硬度的增加。

以攪拌摩擦焊接頭疲勞壽命為研究對象,使用概率統(tǒng)計的方法,研究2024攪拌摩擦焊接頭疲勞壽命統(tǒng)計分布特征,其具有代表性的統(tǒng)計參量為形狀參數(shù)b和特征壽命n_a,通過分析證實了2024鋁合金攪拌摩擦焊接頭疲勞壽命符合雙參數(shù)威布爾分布。

國內(nèi)對攪拌摩擦焊焊接參數(shù)(如進給速度、旋轉(zhuǎn)速度)的研究比較多,但對工藝傾角的研究很少。本文采用攪拌摩擦焊方法對2519鋁合金進行了焊接試驗,結(jié)果表明,工藝傾角也是影響焊縫質(zhì)量的關(guān)鍵性因素,工藝傾角在3°~5°區(qū)間時,呈現(xiàn)出較好的焊縫性能,小于3°或大小5°,焊縫性能較差。

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。

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,最終導致摩擦頭的硬度、強度和耐磨性等下降。

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。

采用熱塑性塑料abs作為焊接材料,研究了攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對其焊接接頭力學性能的影響。結(jié)果表明,工藝參數(shù)與性能之間有明顯的關(guān)聯(lián)性,采用1300r/min轉(zhuǎn)速、0.05mm下壓量、20mm/min焊接速度,接頭宏觀表面成型良好,且焊接后板材整體基本無翹曲,可以實現(xiàn)有效連接。斷面分析表明,在不同焊接參數(shù)下接頭斷裂方式不同,斷面出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。

采用圓柱形、螺柱形、正圓錐形、倒圓錐形等形狀的攪拌頭對厚10mm聚氯乙烯板進行了攪拌摩擦焊試驗。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當攪拌頭轉(zhuǎn)速ω=1660r/min,焊接速度v=25mm/min時,采用正圓錐形的攪拌頭可得到焊合良好、成形飽滿的焊縫;采用圓柱形的攪拌頭,也能得到焊合良好、表面光滑、成形美觀的焊縫;采用倒圓錐形和螺柱形攪拌頭焊接的接頭焊合不良,質(zhì)量較差。焊接時的測溫結(jié)果表明,硬pvc塑料最佳的攪拌摩擦焊溫度范圍應(yīng)為180～190℃,高于200℃會出現(xiàn)燒焦現(xiàn)象,低于170℃則會焊合不良或不能焊合。

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轉(zhuǎn)換關(guān)系。

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，

試驗研究了板厚為2mm和12mm的紫銅板的攪拌摩擦焊工藝,分析了焊接接頭組織及性能。結(jié)果表明,板厚為2mm的紫銅,在一較寬的規(guī)范范圍內(nèi),可得到組織致密、無孔洞、無裂紋的焊接接頭,接頭強度可達到母材的90%。板厚為12mm時,采用雙面焊,僅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,大大小于鎢極氬弧焊時所容許的缺陷率。焊縫的顯微組織為典型的再結(jié)晶組織,晶粒細小,焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)的組織不對稱。

攪拌摩擦焊接是固相連接技術(shù),焊接過程中形成精細的鍛造組織,具有較高的接頭性能。在介紹攪拌摩擦焊技術(shù)的基礎(chǔ)上,對該技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用進行了探討。對攪拌摩擦點焊技術(shù)進行了介紹。由于攪拌摩擦點焊具有成本低、耗能少等優(yōu)勢,可完全替代傳統(tǒng)點焊方法用于汽車制造。

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。

采用攪拌摩擦焊方法對厚度為1.8mm2024-t4鋁合金薄板進行焊接實驗,通過高壓水冷裝置來控制由殘余應(yīng)力產(chǎn)生的失穩(wěn)翹曲變形,并對焊縫的微觀組織與力學性能進行了分析。結(jié)果表明:用攪拌摩擦焊方法焊接1.8mm厚的2024-t4鋁合金薄板可得到外表成形美觀、內(nèi)部無缺陷的平板對接接頭。在冷卻水壓為0.4mpa、攪拌針旋轉(zhuǎn)速度為2100r/min、焊接速度為120mm/min時,攪拌摩擦焊的焊接接頭強度可達到377.9mpa,達到母材強度的80.39%。

采用攪拌摩擦焊(fsw)技術(shù)對1mm厚6061-t6鋁合金薄板進行了對接.研究了焊接工藝參數(shù)的范圍,實驗測試了焊接接頭的強度、硬度和延伸率,利用金相顯微鏡、掃描電鏡和透射電鏡分析了接頭的微觀組織.結(jié)果表明:對于1mm厚度6061-t6鋁合金,fsw的最優(yōu)工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度1800r.min-1,焊接速度1000mm.min-1;在此參數(shù)下,接頭的硬度值達到母材的80%左右,抗拉強度達到母材的103%,延伸率達到母材的54%;接頭的力學性能與微觀結(jié)構(gòu)相符.