【正文】 分(Shank)。美國(guó)著名的宇航公司爭(zhēng)相購(gòu)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)。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]。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(jiǎn)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(guó)焊接研究所(The Welding Institute)于1991年開發(fā)的專利技術(shù)。FSW已成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。1998年美國(guó)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]。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)。國(guó)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。 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。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。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)。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(wú)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(jiǎn)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]。該過程宏觀表現(xiàn)是材料的變形抗力減小。經(jīng)過一周或數(shù)周的旋轉(zhuǎn)，這些材料脫落下來形成焊縫的跡線；(2)來自于攪拌針后退側(cè)材料的擠出過程，擠出的材料填充進(jìn)前進(jìn)側(cè)材料脫落后所留下的空腔。如圖14所示，由于金屬分別處于不同位置，所以受到的熱的影響和變形情況不同，從而在物理性質(zhì)以及力學(xué)性能上都會(huì)發(fā)生不同的變化。攪拌頭主要由軸肩和攪拌針兩部分構(gòu)成，其幾何形貌和尺寸不僅決定著焊接過程的熱輸入方式，還影響焊接過程中攪拌頭附近塑性軟化材料的流動(dòng)形式，對(duì)于給定板厚的材料來說，焊接質(zhì)量和效率主要取決于攪拌頭的形貌和幾何設(shè)計(jì)。攪拌針的材料通常采用合金工具鋼。攪拌針的長(zhǎng)度與焊縫的背面成形有關(guān)。2) 攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度攪拌頭轉(zhuǎn)速是影響摩擦攪拌焊熱源的主要因素之一，由此可知，當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，摩擦熱不夠，不足以形成熱塑性流動(dòng)層，其結(jié)果是不能實(shí)現(xiàn)固相連接，在焊縫中形成了孔洞。當(dāng)焊接速度過小時(shí)，攪拌頭所產(chǎn)生的熱量使焊接溫度過高，焊核區(qū)金屬溫度將接近金屬熔點(diǎn)，會(huì)使金屬因過熱而出現(xiàn)疏松，同時(shí)焊縫表面將凹凸不平。4） 焊縫受力攪拌摩擦焊與普通電弧焊的焊縫受力有很多不同之處。圖15 攪拌摩擦焊焊縫受力分析攪拌頭與被焊工件表面之間的接觸狀態(tài)對(duì)焊縫的成形也有較大的影響，目前在攪拌摩擦焊中軸向力是攪拌針及軸肩與工件接觸而形成的。試驗(yàn)中所使用的是自行研制的攪拌摩擦焊機(jī)。這部分能量要經(jīng)過電機(jī)、減速器以及絲杠，最終傳遞到工作臺(tái)。在這種情況下，焊接過程中金屬對(duì)攪拌針的阻力較大，從而導(dǎo)致工作臺(tái)相對(duì)運(yùn)動(dòng)所需要的力也比較大。同樣，對(duì)于攪拌摩擦焊焊縫所受的軸向力，國(guó)內(nèi)也有相關(guān)的研究。攪拌頭的不停旋轉(zhuǎn)決定攪拌頭受到交變載荷作用，導(dǎo)致疲勞成為攪拌頭破壞的原因之一。因此，測(cè)量焊縫受力的情況也是設(shè)計(jì)攪拌摩擦焊機(jī)的一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)。首先，為了模擬實(shí)際的焊接狀況，測(cè)量?jī)x器必須在焊縫的任何一個(gè)位置都能測(cè)量出其受力情況，數(shù)據(jù)在焊縫任何位置都必須準(zhǔn)確。表 21 所示為NSTH12稱重傳感器的各項(xiàng)指標(biāo)。零點(diǎn)輸出%177。根據(jù)使用說明書將傳感器與其附帶的電子儀表和PC機(jī)連接，設(shè)定好量程，小數(shù)點(diǎn)以及輸出頻率等參數(shù)，確保傳感器工作正常。假設(shè)每個(gè)點(diǎn)的平均誤差從點(diǎn)1到點(diǎn)5分別表示為Ｗ1 、ＷＷＷＷ5，則總平均誤差Ｗ總=（Ｗ1 +Ｗ2+Ｗ3+Ｗ4+W5）/5 =（%+%+%+%+%）/5=%。表23 試驗(yàn)參數(shù)試樣標(biāo)號(hào)實(shí)驗(yàn)代號(hào)板厚（mm）攪拌針直徑(mm)攪拌針長(zhǎng)度(mm)軸肩直徑(mm)焊縫轉(zhuǎn)速（n/min）焊接速度(mm/min)壓入量（mm）81818M8207506082828M8247506083838M8267506051515M59506052525M59506053535M5169506031313M5139506032323M5189506033333M512950605A5A5M5950605B5B5M5950605C5C5M5950605D5D5M595060實(shí)驗(yàn)材料選用LY12鋁合金。表24 LY12鋁合金的化學(xué)成分Cu Mg Mn Fe SiZnNiTi Fe+Si其它 Al ≤ 余量 表25 LY12鋁合金力學(xué)性能σb/MPaδ/%HBS47017105施焊前，將測(cè)量?jī)x表連接好并調(diào)節(jié)好參數(shù)，確保儀表與PC機(jī)連接正常并能記錄數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)焊縫外表面成型進(jìn)行拍照記錄，截取部分焊縫作為宏觀金相樣本，經(jīng)打磨拋光后在16倍顯微鏡下觀察宏觀組織，并拍照記錄。