【正文】 鋁合金攪拌摩擦焊焊縫受力與焊縫成型的關(guān)系1 引言攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡稱FSW)最初是針對(duì)焊接性差的鋁合金開發(fā)的一種新型固相焊接工藝，由英國焊接研究所(The Welding Institute)于1991年開發(fā)的專利技術(shù)。攪拌摩擦焊自發(fā)明以來很快就受到制造工業(yè)的密切關(guān)注和支持，并且于1996年在制造工業(yè)領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。攪拌摩擦焊是利用一種特殊的低耗損的攪拌頭旋轉(zhuǎn)著壓入被焊零件的表面，攪拌頭與被焊零件的摩擦使被焊材料熱塑化，當(dāng)攪拌頭沿著焊接界面向前移動(dòng)時(shí)，熱塑化的材料由前向后轉(zhuǎn)移，在熱機(jī)聯(lián)合作用下連接形成致密的固相連接接頭。TWI、NASA(National Aeronautics and Space Administration)、Boeing、ESAB等大型研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)都在進(jìn)行與該工藝相關(guān)的研究工作[1,2]。FSW已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。攪拌摩擦焊技術(shù)一出現(xiàn)，就得到航空界的青睞。英國焊接研究所申報(bào)了此項(xiàng)專利后，瑞典ESAB公司按許可證制造了專用焊接設(shè)備Superstire攪拌摩擦焊機(jī)，并已獲得實(shí)際應(yīng)用[3]。美國著名的宇航公司爭(zhēng)相購買攪拌摩擦焊的專利許可證，開發(fā)、應(yīng)用攪拌摩擦焊技術(shù)。1998年美國波音公司的空間和防御實(shí)驗(yàn)室引進(jìn)了攪拌摩擦焊技術(shù)，用于焊接某些火箭部件，成功用于低溫下工作的鋁合金薄壁壓力容器，完成了縱向和環(huán)向焊縫的連接；麥道公司也把這種技術(shù)用于制造Delta運(yùn)載火箭的推進(jìn)劑貯箱[4]。圖11 攪拌摩擦焊原理示意圖FSW是固相連接過程，其原理如圖11所示。攪拌摩擦焊對(duì)工件的焊接，主要通過攪拌頭(Welding tool)的高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。攪拌頭包括軸肩(Shoulder)，攪拌針(Pin)和夾持部分(Shank)。攪拌針插入母材內(nèi)部，軸肩與工件表面壓緊，產(chǎn)生摩擦熱并使得焊縫材料塑性流動(dòng)。攪拌頭的端部加工出螺紋，確保發(fā)生塑變的工件材料充分流動(dòng)，以得到?jīng)]有孔洞的接頭。FSW焊接不需要焊前特別處理，～50mm的材料，～10mm，特殊搭接厚度為 ～，如果厚度達(dá)100mm，則可以進(jìn)行雙面焊接。目前應(yīng)用FSW成功連接的材料有AL合金，Mg合金，鉛，鋅，銅，不銹鋼，低碳鋼等同種或異種材料。國外許多人進(jìn)行了鋁合金Ag的FSW焊接研究，對(duì) AM50，AM60，AZ31，AZ91鎂合金同種和異種材料之間進(jìn)行了FSW焊接試驗(yàn)，證明可以應(yīng)用FSW連接鎂合金。FSW不僅對(duì)一系列鋁合金成功連接，而且也實(shí)現(xiàn)了對(duì)高熔點(diǎn)材料Ti合金的連接。TWI于1997年11月報(bào)道成功FSW焊接3mm厚的低碳鋼，EWI(Edison Welding Institute)于1998年5月報(bào)道成功連接 6 mm軟鋼，并報(bào)道12mm厚12% Cr不銹鋼的FSW焊接[6]。由此可知，隨著攪拌摩擦焊技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)SW可以應(yīng)用于更多的材料的連接。 攪拌摩擦焊接的特點(diǎn)1） 能保持母材的冶金性能，焊接接頭力學(xué)性能好鋁合金具有密度低、強(qiáng)度比高 、剛度比高等優(yōu)點(diǎn) ，但是鋁合金熔點(diǎn)較低、導(dǎo)熱系數(shù)大、比熱容大、線膨脹系數(shù)大，在采用熔化焊進(jìn)行焊接時(shí)，易產(chǎn)生裂紋、氣孔、變形等焊接缺陷。同時(shí)，由于焊接溫度較高，其性能會(huì)降低，因而限制了鋁合金的廣泛應(yīng)用。由于攪拌摩擦焊是一種固相焊接方法，在焊接鋁合金時(shí)不會(huì)產(chǎn)生與熔化焊有關(guān)的焊接缺陷，也不會(huì)降低焊接接頭的性能，而且，焊縫金屬的晶粒結(jié)構(gòu)比母材金屬的更細(xì)小，焊縫金屬的強(qiáng)度超過熱影響區(qū)金屬的強(qiáng)度，沒有焊縫金屬蒸發(fā)產(chǎn)生的合金元屬損失，不改變合金的成分，因此接頭的力學(xué)性能好。2） 焊后變形小、殘余應(yīng)力小 由于攪拌摩擦焊的焊接溫度較低，焊接后結(jié)構(gòu)的變形量和殘余應(yīng)力比熔化焊小得多。同時(shí)，由于不存在熔焊過程中接頭部位大范圍的熱塑性變形過程，焊后接頭的內(nèi)應(yīng)力小、變形小，基本可實(shí)現(xiàn)板件的低應(yīng)力低變形焊接。3） 焊接成本低、效率高 攪拌摩擦焊操作方便，能量利用效率高。并且在焊前和焊接過程中對(duì)環(huán)境的污染小，焊前工件無須進(jìn)行嚴(yán)格的表面清理準(zhǔn)備，焊接過程中的摩擦和攪拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接過程中也無煙塵和飛濺。還可以在有磁場(chǎng)的條件下進(jìn)行焊接，并適合自動(dòng)化焊接。4） 適用范圍廣 由于攪拌摩擦焊沒有熔化焊所形成的裂紋，如液化裂紋或結(jié)晶裂紋，因此，可以焊接熱裂紋敏感的材料；通過對(duì)擠壓型材進(jìn)行焊接，可制成大型結(jié)構(gòu)，如船板、框架、平臺(tái)等；攪拌摩擦焊能實(shí)現(xiàn)不同材料的焊接，如鋁和銀的連接。攪拌摩擦焊可實(shí)現(xiàn)各種位置的焊接，并可實(shí)現(xiàn)多種形式的焊接接頭，如對(duì)接、角接、搭接接頭，甚至厚度變化的結(jié)構(gòu)和多層材料的連接。 攪拌摩擦焊由于其焊接原理的限制，存在一些缺陷，主要是：①被焊接工件必須在墊板上牢固夾緊，以防止被焊穿及在焊接過程中工件松動(dòng)；② 攪拌針退出會(huì)在焊縫末段留下一個(gè)小孔，在大多數(shù)情況下，只能用其它焊接方法填充；③焊接工件沒有足夠的強(qiáng)度和剛度 ，或通過夾具不能提高焊縫區(qū)的剛度或強(qiáng)度的承載能力，則不適合采用攪拌摩擦焊[5]。 攪拌摩擦焊焊縫組織典型的攪拌摩擦焊接頭宏觀組織如圖12所示(所焊材料為LY12)。從圖中可以看出，焊核位于焊縫中心，內(nèi)部組織是清晰的洋蔥狀，由一系列的橢圓組成，焊核可以看得很清楚(但在有些合金中不一定很清楚或根本看不到)。焊核延伸到焊縫表面，比攪拌針大，比軸肩小，焊核偶爾會(huì)延伸到焊件底部。 焊核的外貌取決于攪拌針的形狀、焊接參數(shù)和被焊材料的強(qiáng)度。圖12 FSW接頭橫截面“洋蔥環(huán)”通過對(duì)攪拌摩擦焊焊接接頭的金相分析以及顯微硬度分析可以發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊的焊縫組織可分為 A、B、C、D四個(gè)區(qū)域，如圖 13 所示：A區(qū)為母材區(qū)(basic metal，簡稱BM)，無熱影響也無熱變形；B區(qū)為熱影響區(qū)(heat affected zone，簡稱 HAZ)，該區(qū)域的材料因受熱循環(huán)的影響，熱變形影響區(qū)(thermomechanicallly affected zone，簡TMAZ)，該區(qū)域材料已經(jīng)產(chǎn)生了劇烈的塑性變形。就鋁合金而言，再結(jié)晶區(qū)域和TMAZ之間通常有明顯的界限，但在其它沒有熱致相變的材料中，如在純鈦、β鈦合金、奧氏體不銹鋼和銅中，似乎TMAZ整體已再結(jié)晶化，產(chǎn)生了無應(yīng)變?cè)俳Y(jié)晶，這可能使HAZ/TMAZ的邊界難以精確劃分；D區(qū)為焊核(dynamically recrystallized zone，簡稱DXZ)，焊核是最接近軸肩的區(qū)域，組織結(jié)構(gòu)通常有較大的變化 [1113]。圖13 攪拌摩擦焊焊縫區(qū)域示意圖在焊接接頭的熱影響區(qū)中，除了腐蝕反應(yīng)比母材快一些外，其金相組織與母材沒有多大區(qū)別。對(duì)于時(shí)效強(qiáng)化或加工硬化的合金，從焊接區(qū)傳導(dǎo)來的熱量使熱影響區(qū)過時(shí)效或位錯(cuò)密度下降，使焊后接頭熱影響區(qū)的硬度下降。 攪拌摩擦焊金屬流動(dòng)性以及動(dòng)態(tài)軟化過程金屬材料的力學(xué)性能和物理性能都與材料中的位錯(cuò)密度有關(guān)，金屬經(jīng)歷塑性變形時(shí)，位錯(cuò)密度發(fā)生變化，材料性能將相應(yīng)發(fā)生變化，動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是材料在高溫變