搅拌摩擦焊 振动摩擦焊

在线自焊接和切割

搅拌摩擦焊

由于其突出的冶金优势，FSW已成功应用于航空空航天、轨道交通等领域重要金属构件的制造。由于FSW的固有特性，焊接金属经历了高度非线性的热-机械耦合行为，即不对称的局部高应变率、大应变和在正面AS和背面RS上剧烈的温度变化。同时，由于异种铝合金在高温力学性能、强化相的热敏感性、缺陷积累和相变等方面的巨大差异，异种铝合金在AS和RS中FSW焊缝金属流动的不均匀性急剧增加，给高质量FSW接头的性能控制带来巨大挑战。此外，当FSW技术应用于角焊缝和T形焊缝复杂结构件的焊接时，由于搅拌工具的限制，仍然难以实现这些结构件的焊接。目前，国内外学者对FSW开展了大量的研究工作，主要涉及焊接参数、接头结构和力学性能，仍是本次会议的研究热点。FSW原理的示意图如图1所示。

图1 FSW原理示意图

巴西圣卡洛斯联邦大学的BATISTÃ等人[1]研究了转速和双面焊接对AA5083-O铝合金和GLA36钢的FSW的影响。结果表明，以300r/min的速度单面焊时，可获得质量较好的接头。此外，转速的提高和双面焊接的应用增加了铝合金搅拌区(SZ)的弥散钢晶粒和接头缺陷的数量。虽然SZ中的铝晶粒得到细化，但所有焊接区域的硬度都差不多，界面附近的钢晶粒由于加工硬化硬度显著增加，如图2所示(图中FSW300代表转速为300r/min的单面焊，FSW300-2P代表转速为300r/min的双面焊)。此外，研究范围内的焊接条件对接头的力学性能影响很小，所有试样的抗拉强度非常相似，这是由于铝/钢界面通过相互扩散形成了金属间化合物层(IMC)。此外，采用扫描电子显微镜(SEM)结合X射线能谱分析了不同转速下单面焊和双面焊的焊接接头。结果表明，在整个焊缝界面存在由富铝相Fe2Al5或FeAl3组成的连续IMC层，厚度约为300～400nm。图3示出了转速为300转/分钟的双面焊接头的EDS结果。可以看出，IMC层中含有大量的铝-钢混合物，其中少量的镁、锰和硅分布在铝合金中，它们是Al6(Mn，Fe)Si弥散体和β析出物(Al3Mg2)，这些产物会促进晶间腐蚀的形成。

图2接头显微硬度分布

图3 300 r/min双面焊FSW接头EDS元素分布。

由于FSW是固态焊接工艺，其焊接质量相对稳定，不易受外界影响。因此，在焊接参数固定的情况下，通常采用轴向力或位移来控制焊接过程。然而，由工件、间隙公差、工具磨损或机床/工具缺陷引起的外部和内部工艺扰动很少被监控，并且目前没有关于工艺数据和焊缝质量之间相关性的结论。德国亚琛工业大学的Rabe等人[2]提出了一种基于焊接过程力反馈的FSW质量监控与分析算法，即通过检测焊缝截面与受力数据之间的相关性，基于解析算法监控焊缝质量。监控系统可以准确识别完好无损的焊缝和内部(孔洞)或外部(闪光)有缺陷的焊缝。
马来西亚Teknolo大学的Azmi等人[3]研究了搅拌头的形状和转速对AA7075和AA5083铝合金FSW接头的力学性能和微观结构的影响。通常，搅拌头的转速和形状会对焊接区的材料流动产生很大的影响。带螺纹的锥形搅拌针可以使金属材料在更高的转速下混合更均匀。在焊接过程中，AA5083铝合金位于前侧，AA7075铝合金位于后侧，焊缝区域存在明显的孔洞缺陷。结果表明，搅拌头形状和焊接参数对不同转速下接头的力学性能影响很大，如图4所示。当使用螺纹锥形混合头，转速为800转/分钟时，可获得抗拉强度为263MPa的无缺陷接头。

不同搅拌头类型和转速下的接头强度。

在FSW过程中，金属材料在高温、高应变率下短时间内发生明显的塑性变形，不同于一般准静态材料的状态。了解材料在这种特定加工条件下的演变行为，可以更好地理解焊接工艺优化和力学性能提高的内在机理。德国亥姆霍兹材料与海洋研究中心(HZG)的Reimann等人[4]介绍了一种在摩擦焊接条件下测试材料性能的方法，测试装置如图5所示。具体而言，通过测试旋转工具与铝合金样品摩擦接触时的力和扭矩，分析了基底金属的成分和性能对摩擦焊期间能量输入的影响。此外，还对摩擦条件和流动应力的发展进行了初步分析。该方法可以识别影响流动应力发展的因素，例如由高应变速率变形引起的沉淀硬化和加工硬化。研究结果强调，准静态试验条件下的力学性能不足以解释或预测摩擦焊接条件下沉淀硬化铝合金的材料性能。

图5用于分析材料高剪切塑性变形行为的实验装置。

德国伊尔梅瑙理工大学的Grä tzel等人[5]提出了一种新型的FSW纺锤体堆积结构。现有的FSW系统通过额外的伺服电机进行扩展，实现轴肩和搅拌针的单独控制，从而改变转速和方向，增加了调节摩擦生热的可能性和各种工具配置的应用。这种改进型FSW的主要优势体现在三个方面，即增加焊接深度、减少机器振动和实现不同的刀具配置组合，如静台肩和常规FSW。以2mm EN AA 5754 H22试板为研究对象，测量焊接过程中的温度和力，确定不同工艺条件对接头的影响，并通过拉伸试验和金相分析表征其力学性能和显微组织。不同搅拌针速度下的温度分布如图6所示。

图6不同搅拌针速度下的温度分布

a)与肩部方向相同b)与肩部方向相反

开发超高强度钢板是减轻重量和降低制造成本的重要措施，例如在汽车起重机和重型机械上的应用。焊接是最常用的生产方法，但熔焊通常难以精确控制钢的显微组织，对接头的力学性能不利，尤其是熔合线附近的冲击韧性通常较差。芬兰阿尔托大学的Sorger等人[6]研究了调质高强度钢板(厚度6mm，使用强度1100MPa)的双面FSW接头的可焊性。对焊接试样的力学性能和显微组织进行了测试和分析，重点研究了接头的冲击韧性。在-80℃下测试了接头的夏比冲击韧性。试验结果表明，焊接区所有试验部位的冲击韧性比母材高1.77~2.29倍。随后，通过扫描电子显微镜(SEM)分析断裂表面，并评估断裂裂纹扩展方向。同时测试了抗拉强度和硬度，抗拉强度为807MPa，明显低于母材，这是由于接头热影响区局部软层的影响。

近年来，人们也对钛合金和碳纤维增强复合材料的不同焊接方法进行了广泛的研究，因为人们希望通过不同的焊接方法充分发挥两种材料的优点，弥补各自的缺陷。日本大阪大学的Choi等人[7]对钛合金和碳纤维增强复合材料(CFRP)进行了FSW研究，通过优化焊接参数(如工具速度)实现了连接良好的异质接头。通过测试钛-CFRP接头界面的显微组织和力学性能，研究了不同摩擦强度下的最佳界面温度。

博苏等[8]西北工业大学李教授团队实现了Ti-4A1-0.005钛合金T型接头的FSW连接。节点由三块试板通过两道焊缝拼接而成，其中两块试板作为底板，另一块试板作为筋板。母材是典型的轧制组织，由沿轧制方向变形的晶粒组成。热影响区晶粒尺寸略大于母材，而热影响区晶粒尺寸沿剪切方向明显变形。在焊接过程中，当焊接温度高于β相变线时，搅拌区最终形成片状α相组织。当焊接温度低于β相变线时，由于完全动态再结晶，在搅拌区产生等轴α相晶粒。第一次焊接的显微硬度在第二次焊接后有所降低，硬度最低的区域出现在第一次焊接前侧的热影响区。在拉伸试验中，随着转速的增加，抗拉强度先增大后减小，如图7所示。

图7不同参数下接头的拉伸性能